INDtTKTIVES SENSORMODUL FUR EIN FAHRZEUG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES SOLCHEN SENSORMODULS

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul für ein Fahrzeugsicherheitssystem bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Aus DE 11 2006 003 053 T5 ist ein drahtloser Drehgeschwindigkeitssensor bekannt, bei dem die Drehzahl eines Kraftfahrzeugrads gemessen wird und die von dem Sensor genommenen Messwerte zu einem Datentelegramm aufbereitet werden, das die Drehzahl des Rads angibt. Weiterhin ist der Sensor derart konfiguriert, dass das Datentelegramm drahtlos gesendet wird. Um die

Drahtdrehzahl zu messen, misst eine Meßeinheit Änderungen des magnetischen Flusses und leitet drahtlos ein entsprechendes Signal zu einer Basisstation oder einer Steuereinheit zurück. Die vorliegende Sensorkomponente umfasst eine Batterie oder eine andere Art von Energie- oder Stromquelle, die im allgemeinen relativ wenig Strom liefert, wie z. B. aus einer Versorgung mit niedriger

Spannung. Weiterhin kann eine sogenannte ECU-Komponente die Sensorkomponente anweisen, in einen Schlafmodus überzugehen, um Batteriestrom zu sparen, da das Fahrzeug angehalten sein kann. Aus US 2004/0150516 Al ist ein drahtloses Drehzahlfühlersystem bekannt, bei dem notwendige Energie erzeugt und/oder abgespeichert wird, um den drahtlosen

Drehzahlfühler zu versorgen. Dabei ist ein Energiemanagement vorgesehen, dass einen Generator für die Energieerzeugung verwendet, der die Rotation des Fahrzeugrades für die Energieerzeugung ausnutzt. Als Speichergeräte dienen eine Hocheffizienz-wiederaufladbare Batterie oder ein Superkondensator. Als Generator kann ein sogenannter mulitpolarer Rotationsgenerator verwendet werden. Das Senderelement kann in einen Schlafmodus oder inaktiv geschaltet werden, bis das Steuergerät über sein Sendermodul den Sensor aufweckt.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensormodul für ein Fahrzeugsicherheitssystem bzw. das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls haben demgegenüber den Vorteil, dass das Sensormodul einen Speicher für die Daten und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einer Fahrzeuggröße und/oder einem Ereignis die Daten aus dem Speicher ausliest und versendet. Damit ist eine fallabhängige Versendung möglich, die den Energieverbrauch senkt, aber gleichzeitig keine Einschränkung in der zeitlichen Kontinuität der Daten aufweist. Somit ist eine genaue Analyse im Auswertealgorithmus in einem Steuergerät, beispielsweise für die Ansteuerung von Bremsen, möglich. Insbesondere bei Drehzahlfühlern ist die Erfindung von großem Nutzen, da üblicherweise vier Drehzahlfühler in einem Fahrzeug angeordnet sind, für jeden Reifen einen und so der Funkverkehr auf ein Minimum beschränkt werden kann. Die Vorsehung eines Speichers im Sensormodul ermöglicht, dass auch schon erste Analysen im Sensormodul selbst vorgenommen werden können, so dass das Steuergerät als Empfänger der versendeten Funksignale von solchen Analysen entlastet wird. Dies bringt ein Geschwindigkeitsvorteil in der Auswertung der Daten.

Unter einem Sensormodul ist vorliegend eine bauliche Einheit wie ein Drehzahlfühler oder ein Beschleunigungssensor oder Drehratensensor oder

Luftdrucksensor oder Körperschallsensor zu verstehen. Dem Sensormodul können insbesondere noch Komponenten wie ein Stahlrad oder ein Multipolencoder zugeordnet sein. Das Sensormodul kann dabei das eigentliche Sensorelement aufweisen, bei dem vorliegend beispielsweise der Halleffekt der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) und der Riesenmagnetowiderstand

(GMR-Effekt) Verwendung finden können. Neben dem Sensorelement ist üblicher Weise auch noch ein ASIC, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, vorhanden, der eine Vorverarbeitung der Sensorsignale durchführt. Das Sensormodul ist dabei eine abgeschlossene bauliche Einheit. Lediglich Verbindungsmittel zum Einbauort sind vorgesehen. Bei dem Fahrzeugsicherheitssystem handelt es sich beispielsweise um eine Fahrdynamikregelung, ein Bremssystem und/oder ein Airbagsystem.

Bei dem Sender zu drahtlosen Versendung von Daten in Abhängigkeit von dem

Sensorsignal handelt es sich zumindest um einen Funksender, der beispielsweise mit hoher Frequenzspreizung wie DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum oder ein kontinuierliches Wechseln der Sendefrequenz (FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum) verwenden kann. Auch eine sogenannte RFID also eine Transpondertechnologie kann vorliegend verwendet werden.

Dabei kann die Energieversorgung auch über emittierte elektromagnetische Wellen erfolgen, wobei in einer Antennenspule im Sensormodul der induzierte Strom gleichgerichtet wird und einen Energiespeicher auflädt. Der Energiespeicher versorgt für den Lesevorgang den Chip für den Strom oder kann nur für die Versorgung des Mikrochips verwendet werden. Die Signalaussendung erfolgt direkt vom Sender in einem Steuergerät oder von einem externen Sender an den Sensor. Der RFID-Tag moduliert die elektromagnetische Welle und überträgt so die Informationen.

Bei den Daten handelt es sich beispielsweise um Datentelegramme, in denen die eigentlichen Sensorwerte untergebracht sind. Das Sensorsignal repräsentiert die Sensorwerte, die das Sensorelement abgibt. Dabei kann es sich auch um einen Multiplex von Sensorsignalen handeln. Dieses Datentelegramm kann neben den Nutzdaten, beispielsweise den Sensorwerten, auch weitere Daten wie Identifikationsdaten oder zusätzliche Daten zur Fehlerkorrektur aufweisen.

Unter einem generatorisch wirkenden Messprinzip ist ein Messprinzip zu verstehen, bei dem gleichzeitig mit dem Messvorgang auch Energie erzeugt wird. Eine bevorzugte Ausprägung ist hierfür ein induktives Messprinzip, es sind jedoch auch andere Messprinzipien, wie ein piezoelektrisches oder ein

Vibrationswandler möglich. Mit dem Messprinzip ist daher eine Messvorrichtung beschrieben, die gleichzeitig auch Energie erzeugt.

Mit dem Speicher ist üblicherweise ein elektronischer Speicher bezeichnet, in dem die Daten abgespeichert werden können. Dieser Speicher wird üblicherweise als integrierte Schaltung vorgesehen. Die Steuereinrichtung kann entweder ein anwendungsspezifischer Schaltkreis sein (ASIC), oder ein programmierbarer Baustein, wie ein Mikrocontroller oder Mikroprozessor. Auch eine mechanische Steuereinrichtung, die auf die Fahrzeuggröße oder ein Ereignis reagiert, kann vorliegend vorgesehen sein.

Mit dem Betreiben des Sensormoduls ist die Inbetriebnahme des Sensormoduls gemeint.

In den abhängigen Ansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen und

Verbesserungen der in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Sendermodul bzw. Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensormoduls für ein Fahrzeugsicherheitssystem angeben.

Vorteilhafter Weise ist der Speicher als Ringspeicher ausgebildet. Unter einem

Ringspeicher versteht man einen Speicher, der Daten kontinuierlich in einem gewissen Zeitraum speichert und diese nach dem Ablaufen einer vorgegebenen Zeit wieder überschreibt, um den Speicherplatz für neue Daten wieder freizugeben.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Speicher und die Steuereinrichtung auf einem integrierten Schaltkreis angeordnet sind. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und reduziert den Platzbedarf des Sensormoduls. Auch kann so die Zuverlässigkeit erhöht werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Energie und das Sensorsignal durch die Induktion durch eine Linearbewegung oder eine Rotationsbewegung erzeugt werden.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass das Sensormodul für einen Low-Power- und eine High-Power-Modus konfiguriert ist, wobei das Sensormodul einen Umschalter aufweist, der in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggröße und/oder einem Ereignis zwischen dem Low-Power- und dem High-Power-Modus umschaltet. Mit dem Low- Power- Modus ist ein Zustand gemeint, in dem das Sensormodul nur wenig Energie verbraucht, während der High-Power-Modus entsprechend mehr Energie verbraucht, d.h. der High-Power-Modus verbraucht mehr Energie als der Low- Power- Modus.

Der Umschalter kann üblicher Weise softwaremäßig aber auch elektronisch oder mechanisch ausgebildet sein. Die Einwirkung auf diesen Umschalter erfolgt in

Abhängigkeit von einer Fahrzeuggröße, die beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder einem Ereignis wie beispielsweise ein Radzustand wie ein Schlupf oder blockierende Räder. Durch die ereignisabhängige Ansteuerung des Umschalters erfolgt eine Abhängigkeit von einer Regel. Insbesondere kann damit die Datenübertragungsrate des Senders fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig oder regelbasiert erfolgen. Im ersten Fall werden bei niedriger Geschwindigkeit die Daten in einem Mikrocontroller oder einem anderen Prozessor oder Auswerteschaltung in einer niedrigen Taktfrequenz verarbeitet und mit einer niedrigen Datenrate vom Sensormodul an ein Steuergerät gesendet, bei hoher Geschwindigkeit ist dies umgekehrt. Bei der ereignisgesteuerten Ansteuerung des Umschalters ist die Taktfrequenz für die Datenverarbeitung im Mikrocontroller und die Datenübertragungsrate bei normalem Betrieb niedrig. Es erfolgt nur eine Basisüberwachung im Low-Power- Modus in einem vorgegebenen Zeitraster. Bei Bedarf wie einem Schlupf oder dem Blockieren der Räder werden die Signale mit einer hohen Taktfrequenz im

Mikrocontroller verarbeitet und mit einer hohen Datenrate der Geschwindigkeitsradient und/oder der der Absolutgeschwindigkeit übertragen. Die geschwindigkeitsabhängige oder regelbasierte Signalübertragung kann natürlich kombiniert werden.

Vorteilhafter Weise weist das Sensormodul ein Energiemanagement mit diesem Schalter auf, das auf einem integrierten Schaltkreis angeordnet ist, auf dem auch eine Vorverarbeitung des Sensorsignals vorgesehen ist. Damit können diese Funktionen auf einem ASIC miteinander integriert werden und es kann eine besonders kostengünstige kompakte Herstellung gewählt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugsicherheitssystems,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Drehzahlfühlers,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Drehzahlfühlers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Sensormoduls und eines

Steuergeräts,

Fig. 5 ein Schaltungsteil des Sensormoduls bezüglich der Energieerzeugung und Sensorsignalerzeugung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Senders und

Fig. 7 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Fahrzeugsicherheitssystem in einem Fahrzeug FZ mit vier Drehzahlfühlern WSSl bis 4, einem Steuergerät für die Fahrdynamikregelung ESP und einer vom ES P- Steuergerät ESP-angesteuerten

Aktuatorik AKT. Die Drehzahlfühler WSSl bis 4 sind über eine Funkübertragung mit dem Steuergerät ESP verbunden, so dass die Drehzahlfühler WSSl bis 4 jeweils Antennen Al bis A4 aufweisen, um ihre Daten an das Steuergerät ESP zu übertragen, wobei das Steuergerät ESP zum Empfang dieser Daten die Antenne A5 aufweist. Damit weist zumindest jeder Drehzahlfühler WSSl bis 4 ein Sendemodul auf um beispielsweise im Frequenzspreizverfahren Daten an das Steuergerät ESP zu übertragen wobei das Steuergerät ESP zumindest eine Empfängereinrichtung aufweist, um diese Signale korrekt empfangen und demodulieren zu können. Es ist möglich, dass die Funkverbindung zwischen den Drehzahlfühlern WSSl bis 4 und dem Steuergerät ESP unidirektional von den

Drehzahlfühlern zum Steuergerät ESP oder auch bidirektional ausgeführt sein kann. Auch ein Broadcastmodus ist möglich. Damit ist gemeint, dass ein Sensor Daten an alle versendet, ohne einen spezifischen Empfänger zu adressieren, wie es bei Rundfunkübertragungen üblich ist. Es ist auch möglich, dass die Drehzahlfühler ihre Daten an ein anderes Gerät übertragen, beispielsweise einen weiteren Sensor, der dann über eine Kabelverbindung mit dem Steuergerät ESP verbunden ist und so diesen zweiten Teil dann über eine kabelgebundene Übertragung der Daten ausführt. Das Steuergerät ESP steuert in Abhängigkeit von diesem Sensor und weiteren

Sensorsignalen die Aktuatorik AKT an, beispielsweise Bremsen. Neben den vorliegend dargestellten Drehzahlfühlern WSSl bis 4 sind auch andere Sensoren für Fahrzeugsicherheitssysteme wie Crashsensoren also beispielsweise Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Kraftsensoren, Körperschallsensoren, Luftdrucksensoren und auch Umfeldsensoren wie Video,

Radar, Lidar oder Ultraschall drahtlos mit einem Steuergerät verknüpfbar.

Fig. 2 zeigt die Funktionsweise eines aktiven Drehzahlfühlers, der zum Betrieb an eine Spannungsquelle mit an die Energiequelle angeschlossen wird. Die Sensoren detektieren die Änderung der magnetischen Flussdichte. Vorliegend ist als Sensorelement 22 beispielsweise ein Hallsensor vorgesehen, der die Änderung der magnetischen Flussdichte des Stahlrads 20 misst. Zusätzlich ist noch ein Magnet 21 vorgesehen, der durch das sich drehende Stahlrad in seinem Magnetfeld geändert wird. Das resultierende Signal ist einem Sinussignal 23, das an das Steuergerät ECU zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet wird.

Eine weitere Ausführungsform von Drehzahlfühlern ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist ein Multipolencoder 30 als Rad vorgesehen mit sich ändernden magnetischen Polen. Die Umdrehung dieses Rads bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses beim Sensorelement 31. Die Signale des Sensorelements werden von einem ASIC ausgewertet und dann als digitale Signale an ein Steuergerät ECU übertragen. Diese digitalen Signale sind mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet.

Bekannte Prinzipien sind der Halleffekt, der anisotrope magnetoresisitive Effekt und der Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt). Das Signal wird vom ASIC aufbereitet und liefert ein Signal mit bewegungsunabhängiger konstanter Amplitude, das ebenfalls für jeden Sensor kontinuierlich über Funk an das Steuergerät übertragen und dort in einem Mikrocontroller weiter verarbeitet wird. Fig. 4 zeigt in einem Blockschaltbild das erfindungsgemäße Sensormodul bezeichnet mit den Bezugszeichen 40 bis 45 und das Steuergerät ECU. Das erfindungsgemäße Sensormodul weist eine einzige Vorrichtung 40 zur gleichzeitigen Erzeugung des Sensorsignals und der Energie. Über ein Energiemanagement 41, das auf einem ASIC üblicher Weise angeordnet wird, erfolgt die Speicherung der Energie in einem Energiespeicher 42 beispielsweise einem Kondensator, der auch für EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) verwendet wird. Das Sensorsignal wird an einen Analog- Digital- Wandler innerhalb oder außerhalb eines Mikrocontrollers 43 zur Digitalisierung des Sensorsignals übertragen. Der Mikrocontroller 43 speichert die digitalisierten

Sensorsignale in einem Ringpuffer 44 ab und überträgt die Daten aus dem Ringpuffer über einen Transceiver 45 über Funksignale an einen weiteren Transceiver 46 des Steuergeräts ECU, wenn Fahrzeuggrößen wie die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Ereignisse wie ein Blockieren der Räder oder ein Schlupf dies anzeigen. Diese Daten können entweder aus dem Sensorsignal selbst oder vom Steuergerät ECU gewonnen werden. Dafür ist vorliegend der Funkverkehr auch bidirektional ausgestaltet. Der ASIC formt aus dem Sensorsignal ein geschwindigkeitsabhängiges Spannungssignal, das digital bereits im Sensormodul verarbeitet wird. Der Mikrocontroller 43 kann dabei das Sensorsignal in steuergerätespezifes Signal umwandeln, es bewerten und speichert die Daten kontinuierlich in dem Ringspeicher ab. Die gespeicherten Daten stehen im Regelfall z. B. bei einer unzulässigen

Geschwindigkeitsänderung dann zur Verfügung und werden an den Transceiver 45 weitergeleitet, um sie an das Steuergerät ECU zu übertragen. Die Umwandlung im ASIC oder im Mikrocontroller in ein digitales Geschwindigkeitsoder Beschleunigungssignal ermöglicht die leichte Weiterverarbeitung. Dieses Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal kann entweder direkt an das Steuergerät ECU mit dem Transmitter 45 oder Transceiver in festen diskreten Zeitabständen an das Steuergerät ECU übertragen werden oder das Signal wird vorher im Mikrocontroller weiterverarbeitet und bewertet. Hier kann dann die oben beschriebene geschwindigkeitsabhängige oder regelbasierte Datenübertragungsrate des Transceivers 45 eingestellt werden.

Fig. 5 visualisert einen erfindungsgemäßen Ausschnitt des Sensormoduls. Eine Spule SP ist an einen ASIC zum einen für die Sensorverarbeitung PP und zum anderen zur Energieerzeugung EE angeschlossen. Die Energieversorgung EE kann insbesondere einen Kondensator C oder auch andere Kondensatoren oder Energiespeicher aufladen. Das von der Sensorsignalvorverarbeitung PP aufbereitete Sensorsignal wird an den Transceiver TX übertragen, der über die Antenne AT die Daten in Abhängigkeit von dem Sensorsignal abstrahlt.

Eine mögliche Ausführung des Transceivers TX ist in Fig. 6 dargestellt. Das digitale Signal kann in ein analoges Signal zunächst umgewandelt werden, um es zu verstärken und dann zu modulieren beispielsweise über eine Frequenzspreizung oder auch Frequency Hopping. Die Modulation kann auch bereits im Digitalen erfolgen und es kann noch ein Verstärker nach der Modulation eingesetzt werden. Umgekehrt ist die Empfängerstruktur ausgestaltet: Nach einer Empfangsantenne folgt meist ein Frequenzumsetzer, ein Verstärker und Filter sowie eine digitale Signalverarbeitung.

Fig. 7 zeigt in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren. Im Verfahrensschritt 700 erfolgt die gleichzeitige Sensorsignal- und Energieerzeugung beispielsweise mit der Spule SP. Das Sensorsignal wird im Verfahrensschritt 701 vorverarbeitet und liefert beispielsweise Parameter, die das Energiemanagement in Verfahrensschritt 702 benötigt um zu entscheiden, ob zwischen einem Low-Power- und einem High-Power-Mode des Sensormoduls umgeschaltet werden muss. Das vorverarbeite Sensorsignal wird in Verfahrensschritt 704 für die Übertragung abgespeichert und in Verfahrensschritt 705 versendet. Die Steuereinrichtung entscheidet anhand von Fahrzeuggrößen und/oder dem Ereignis, ob die Übertragung erfolgen soll oder nicht. Im Gleichlauf wird auch das Energiemanagement betrieben, denn man benötigt viel Energie für den Sendezustand und wenig für das reine Messen. Das Energiemanagement entscheidet in Verfahrensschritt 703, wieviel Energie bereitzustellen ist also High- Power- oder Low- Power- Modus bzw. welcher Verbrauch eingestellt werden kann durch die Taktrate der Verarbeitung bzw. Übertragungsrate der Versendung über den Sender TX.