專利名稱：用于被動傳感器監(jiān)視系統(tǒng)的詢問方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于無線詢問的被動傳感器發(fā)射機應(yīng)答器來詢問傳感器系統(tǒng)的方法，所述被動傳感器應(yīng)答器例如被用于測量車輛輪胎中空氣壓力和溫度。更具體而言，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種被動傳感器詢問算法，其允許對壓力和溫度的高精度測量。
對被動壓力和溫度傳感器的無線詢問問題的許多解決方案在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。傳感器利用單端口延遲線或單端口諧振器，優(yōu)選地基于SAW技術(shù)，盡管其它途徑亦是可能的(例如，體聲波器件或電介質(zhì)諧振器)。延遲線〔見F.Schmidt and G.Scholl，Wireless SAWidentification and sensor systems。書名“Advanced in SurfaceAcoustic Wave Technology，Systems and Applications”，Ed.C.W.C.Ruppel and T.A.Fjeldly，Singapore，World Scientific，2002，p.287.〕或諧振器〔見W.Buff，S.Klett，M.Rusko，J.Ehrenpfordt，and M.Goroll.Passive remote sensing fortemperature and pressure using SAW resonator devices.IEEETrans.On Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1388-1392.〕的使用受這樣的必要性支配，即一方面區(qū)分被動傳感器響應(yīng)而另一方面區(qū)分直接饋通信號以及環(huán)境回波信號的必要性。這是通過采用延遲線和諧振器的脈沖響應(yīng)比任何寄生信號長的多的事實而實現(xiàn)的。
基于延遲線的被動SAW傳感器的詢問通常是借助很短(典型為0.1μs)的RF脈沖來進行的。作為結(jié)果，詢問系統(tǒng)需要10MHz或更高的相對寬的帶寬，這在低于1GHz的免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)帶中是不能獲得的。基于高Q因子單端口諧振器的傳感器較適合于這些帶，這是由于其具有窄帶響應(yīng)。為此，我們應(yīng)將注意力集中在優(yōu)選地基于SAW諧振器的諧振器型被動傳感器的詢問上。詢問的主要目的是測量在由相對長和窄帶的RF詢問脈沖來激勵的諧振器中自然振蕩的頻率(諧振頻率)。由于可以使諧振頻率依賴于溫度和壓力，因此已知諧振頻率可允許計算溫度和壓力。
為了排除變化的天線阻抗對諧振頻率的影響，現(xiàn)有技術(shù)〔見以上提及的W.Buff，S.Klett，M.Rusko，J.Ehrenpfordt，and M.Goroll〕提出了測量被連接于一個天線的兩個相似諧振器(可能有略為不同的諧振頻率)的自然振蕩頻率之間的差。如果兩個諧振器處于相同的溫度并具有不同的壓力靈敏度，則可從頻率差得到壓力，并且溫度的影響將被大大減小。這兩個諧振器可通過同時在兩個諧振器中的雙諧波RF脈沖激勵的自然振蕩來詢問〔見GB9925538.2〕。當詢問脈沖結(jié)束時，響應(yīng)將提供一個指數(shù)衰減的拍信號，其具有與所測頻率差相等的拍頻。拍頻可借助振幅檢測和周期計數(shù)來精確地確定。
在同時測量壓力和溫度兩者的情況下，需要被連接于一個天線的至少三個諧振器并且需要測量兩個頻率差以計算兩個未知數(shù)，壓力和溫度〔見W.Buff，M.Rusko，M.Goroll，J.Ehrenpfordt，andT.Vandahl.Universal pressure and temperature SAW sensor forwireless applications.1997 IEEE Ultrasonics Symp.Proceedings，1997，pp.359-362〕。在此情況下測量拍頻是不可能的。以下詢問技術(shù)從文獻中是已知的。
1.依次通過RF脈沖來激勵諧振器。每個諧振器的指數(shù)衰減的響應(yīng)由天線拾取，被用作用于諧振頻率的選通PLL跟蹤變化的輸入信號〔見A.Pohl，G.Ostermayer，and F.Seifert.Wireless sensingusing oscillator circuits locked to remote high-Q SAWresonator.IEEE Trans.On Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，andFrequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1161-1168〕。該技術(shù)較適合于單個諧振器，而在三個諧振器的情況下變得過于麻煩和不可靠，特別是當其頻率彼此接近時。
2.依次通過RF脈沖來激勵諧振器。每個諧振器的指數(shù)衰減的響應(yīng)由天線拾取，被下轉(zhuǎn)換成較低的中間頻率，然后自然振蕩的周期被計數(shù)〔見GB9925538.2〕。該方法對于單個諧振器或當諧振頻率之間的距離比諧振器帶寬大的多時有很好的效果。然而，如果它小于帶寬的10倍(在ISM帶中就是這樣)，則多于一個的諧振器將被RF脈沖激勵，從而導(dǎo)致傳感器響應(yīng)中的寄生頻率調(diào)制和測量精度的大幅減小。
3.在一次運行中激勵全部三個諧振器。傳感器響應(yīng)的頻譜借助離散傅立葉變換在接收器中被分析，并且全部諧振頻率被測量〔見L.Reindl，G.Scholl，T.Osterag，H.Scherr，and F.Schmidt.Theory and application of passive SAW radio transponders assensors.IEEE Trans.On Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，andFrequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1281-1291〕。
該途徑允許對大量諧振器的詢問。然而，它需要使用覆蓋傳感器工作的整個頻率范圍的寬帶RF脈沖。記住詢問脈沖的峰值功率被限制于ISM帶中(通常它不大于10mW)，顯然擴展脈沖的頻譜將減小諧振器激勵的效率。它不利地影響了信噪比(SNR)并因此影響了測量精度。
本發(fā)明的目的是提供一種詢問方法，其保留了傅立葉分析的優(yōu)點，同時提供了諧振器激勵的高效率和測量的高精度。
依照本發(fā)明的一個方面，詢問多個諧振器件以確定器件的相應(yīng)諧振頻率的方法包括以下步驟(1)為每個諧振器件確定最佳詢問頻率；(2)以由步驟(1)確定的其相應(yīng)最佳詢問頻率來重復(fù)詢問每個諧振器件多次；(3)對作為步驟(2)的結(jié)果而累積的數(shù)據(jù)進行離散傅立葉變換，以及(4)確定從步驟(3)得到的頻率的平均值。
參考附圖，從對僅為了舉例而給出的本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下描述中將較好地理解本發(fā)明，在附圖中

圖1示意性地示出用于在車輛輪胎中使用的壓力和溫度監(jiān)視系統(tǒng)；并且圖2示出本發(fā)明提出的詢問算法。
首先參考圖1，本發(fā)明特別適用于監(jiān)視車輛輪胎中的溫度和壓力的系統(tǒng)。然而應(yīng)理解，本發(fā)明不局限于這種應(yīng)用，并且適用于要監(jiān)視壓力和溫度的其它情況，或者實際上適用于要通過被動傳感器系統(tǒng)測量多個其它周長的其它情況。本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括三個表面聲波器件SAW1、SAW2和SAW3，其被連接于公用天線12。盡管作為產(chǎn)生指示所傳感條件的信號的裝置，SAW器件是優(yōu)選的，然而應(yīng)理解本發(fā)明不局限于這樣的器件，并且可采用能借助諧振頻率來提供適當指示的其它被動傳感器。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選應(yīng)用(車輛輪胎壓力和溫度傳感)中，SAW器件SAW1、SAW2、SAW3以及天線12作為單元A被安裝于車輛輪胎內(nèi)。激勵和監(jiān)視單元B被置于車輛上以提供激勵信號給輪胎安裝單元并從它接收響應(yīng)信號。為此，單元B包括天線11，用于與包裝A的天線12通信。
詢問脈沖由通過發(fā)射器合成器10激勵的功率放大器8產(chǎn)生。該脈沖經(jīng)過RF開關(guān)1到達詢問單元B的天線11。所輻射的電磁波被傳感器單元A的天線12拾取，由此激勵傳感器中的三個SAW諧振器。再次輻射的傳感器響應(yīng)被傳感器天線發(fā)射并由天線11接收。該信號經(jīng)過前端低噪放大器2到達頻率轉(zhuǎn)換器，在這里它被與接收器合成器3的信號混合。接收器合成器3和發(fā)射器合成器10之間的頻率差等于中間頻率，例如1MHz。該IF信號經(jīng)過濾波器4和限幅放大器(其增加接收器的動態(tài)范圍)到達8位或10位模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器6，其具有與IF相比足夠高的采樣速率，例如10或20MHz。數(shù)字格式的傳感器響應(yīng)被存儲在DSP芯片7的內(nèi)部存儲器中，在這里，它在詢問過程中被以相干方式累積。然后所述芯片對全部三個SAW傳感器執(zhí)行對數(shù)據(jù)的傅立葉變換，計算三個諧振頻率，執(zhí)行求平均過程并計算壓力和溫度。DSP芯片7亦控制合成器3和10、RF開關(guān)1和ADC 6的工作。此外，它亦使能和禁止功率放大器8和LNA 2以增加接收器和發(fā)射器之間的隔離。作為確保傳感器響應(yīng)的相干累積的措施之一，相同的石英晶體振蕩器9被優(yōu)選地用作用于兩個合成器并用于DSP芯片的基準。
以上系統(tǒng)亦可通過使用增加圖像通道拒絕(image channelrejection)的雙頻轉(zhuǎn)換接收器來實施。可替換的接收器體系結(jié)構(gòu)可基于直接頻率轉(zhuǎn)換。這將導(dǎo)致去除一個合成器并增加第二混合器和ADC以產(chǎn)生正交通道。
現(xiàn)在參考圖2，本發(fā)明的優(yōu)選方法將被描述。三個諧振器SAW1、SAW2、SAW3具有略為不同的諧振頻率和不同的溫度和壓力靈敏度。頻率以以下方式被選擇其之間的最小距離在任何壓力和溫度下不小于諧振器帶寬。作為結(jié)果，整個工作頻帶(例如ISM帶)被分成由這三個諧振器占用的三個子帶。
傳感器A是通過具有等于或小于諧振器帶寬的譜寬的矩形RF脈沖來詢問的。這在詢問頻率接近于諧振器諧振頻率的情況下確保了對諧振器的有效激勵。在每個子帶中，存在以以下方式被選擇的幾個離散詢問頻率其之間的距離等于或小于諧振器的帶寬。離散詢問頻率的數(shù)量取決于SAW諧振器的Q因子。例如，在無載Q＝5000的情況下，具有434MHz ISM帶內(nèi)的九個詢問頻率將是足夠的。
作為結(jié)果，不論溫度和壓力怎樣，將總存在確保三個諧振器的最佳激勵的來自所選離散頻率集合的三個詢問頻率。激勵從以下意義上來說是最佳的，即在詢問脈沖的結(jié)尾諧振器中振蕩的振幅將接近于用于給定激勵振幅的最大的可能的一個。
詢問過程由如圖2中的流程圖所示的五個主要階段組成。
1.確定使傳感器響應(yīng)的功率譜密度最大的三個最佳詢問頻率在該階段，逐個以全部離散詢問頻率來詢問傳感器。每次在啟動詢問脈沖之后，傳感器響應(yīng)被接收并且其譜密度被得到。這可例如通過頻率下轉(zhuǎn)換，以中間頻率來采樣響應(yīng)并計算離散傅立葉變換而實現(xiàn)。之后，三個最佳頻率被選擇，每個子帶中一個，從而給出譜密度的最大峰值。可替換的是，如果具有自動增益控制的線性放大器被用在接收器中，則可選擇使譜密度的峰值與其旁瓣的平均電平的比最大的三個頻率?？商鎿Q的是，如果限幅放大器被用在接收器中，則可選擇使傳感器響應(yīng)的長度最大的三個頻率。
在該階段，我們可能已通過測量譜密度的峰值頻率確定了三個諧振頻率。然而，由于噪聲的存在和傅立葉分析的有限分辨率，這將僅給予我們對自然振蕩實際頻率的粗略估算。
2.傳感器響應(yīng)的相干累積在該階段，我們依次以每個最佳詢問頻率來重復(fù)對傳感器的詢問N次。由接收器拾取的信號被下轉(zhuǎn)換、采樣并以相干方式累積于系統(tǒng)存儲器中的三個數(shù)據(jù)陣列中。相干累積的目的是使SNR增加√N倍。例如，通過使用在接收器和發(fā)射器合成器兩者中并作為DSP芯片中的時鐘發(fā)生器的公用的石英穩(wěn)定化的振蕩器可確保相干累積。換句話說，處于中間頻率的詢問信號的周期以及詢問脈沖之間的距離被選擇成采樣周期的整數(shù)。此外，所累積的脈沖的數(shù)量N被選擇成足夠小(N＝10...30)以使相干累積(近似1...2ms)所需的總時間與車輛輪胎旋轉(zhuǎn)的周期相比足夠小(例如1/40)。作為結(jié)果，傳感器天線位置的變化將不導(dǎo)致累積期間傳感器響應(yīng)的相位的大變化。從使三個諧振器之間的頻率差變化最大的觀點來看它也是重要的，所述變化是由作為輪胎旋轉(zhuǎn)的結(jié)果的天線阻抗變化而導(dǎo)致的。
在進行相干累積之前，亦在三個最佳詢問頻率的每個處檢查干擾的存在。這可例如通過比較在詢問脈沖不存在的情況下所接收的信號的譜密度的最大值與適當?shù)拈撾娖蕉鴮崿F(xiàn)。較簡單的干擾檢測過程亦可被用在相干累積循環(huán)內(nèi)。在此情況下，可通過在啟動每個詢問脈沖之前的1-2μs內(nèi)測量所接收的信號的峰值來檢測干擾。
3.離散傅立葉變換和插值在該階段，作為相干累積的結(jié)果而獲得的三個數(shù)據(jù)陣列被用于借助離散傅立葉變換(DFT)來計算三個譜密度。每個譜都包含對應(yīng)于單個諧振器頻率響應(yīng)的峰值，盡管由于兩個其它諧振器的激勵而可以有其它峰值。然而，主峰值具有較大的振幅，而較小的峰值被忽略。主峰值頻率對應(yīng)于自然振蕩的相關(guān)頻率。傅立葉分析的分辨率Δf通過零填充增加以使分析時間例如從10-20μs被增加到高達0.1-0.2ms，從而給出Δf＝5-10kHz。該精度對于許多應(yīng)用仍是不夠的。
通過在峰值頻率附近使用正交或較高階插值以精確地得到用于每三個諧振器的諧振頻率可實現(xiàn)精度的進一步增加。作為結(jié)果，精度不再由傅立葉分析的分辨率來限制而主要由系統(tǒng)噪聲來限制。
除了由于噪聲而造成的頻率測量誤差的隨機分量以外，亦存在由于傳感器響應(yīng)的有限長度而造成的系統(tǒng)分量(偏離)。偏離的值取決于中間頻率處傳感器響應(yīng)脈沖的初始相位角，并且它可從相干累積的一個循環(huán)到另一個而變化。預(yù)測它是不可能的，這是因為初始相位是由未知諧振頻率和詢問頻率之間的距離來確定的。以下方法被用于在很大程度上減小偏離并因此增加系統(tǒng)的精度。
a)相干累積在每個詢問頻率處被重復(fù)兩次，但90°的附加相移在累積的第二循環(huán)期間被引入到詢問脈沖中?？商鎿Q的是，以延遲τ＝1/(4fint)來獲取采樣，其中fint是累積的第二循環(huán)期間的額定中間頻率(詢問頻率和本地振蕩器的頻率之間的差)。DFT和插值過程亦被進行兩次，并且兩個所得峰值頻率的平均值被得到。該平均頻率變得更接近于所測的諧振頻率，這是因為兩個峰值頻率中的偏離具有相反的符號和近似相等的絕對值，因而它們相互抵消。該方法的缺點是測量的總時間被加倍。
b)第二種方法不需要增加測量時間。相干累積在每個詢問頻率處被重復(fù)一次。采樣速率以以下方式被選擇采樣間隔Ts對應(yīng)于額定中間頻率處的90°相移除以任何整數(shù)。換句話說，Ts＝τ/n，其中n＝1，2，3...。例如，如果fint＝1MHz，則由于τ＝0.25μs，Ts可被選擇成等于0.05μs。對從第一個開始的采樣進行第一DFT，并且對從第n個開始的采樣進行第二DFT。實際上這意味著我們具有了兩個采樣集合之間的90°相移。作為對借助DFT和插值而得到的兩個峰值頻率求平均的結(jié)果，偏離的值在很大程度上被減小。舉例來說，對于350kHz的三個諧振頻率之間的最小距離，偏離的最大值從1.69kHz被減小到0.57kHz。
4.對諧振頻率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)處理和分析階段1到3(或者僅當諧振頻率慢并且不需要階段1的頻繁重復(fù)時，階段2或3)被連續(xù)重復(fù)，并且有關(guān)三個諧振頻率的數(shù)據(jù)被存儲在系統(tǒng)存儲器中的數(shù)據(jù)陣列中。在插值的M次循環(huán)(M可在寬范圍內(nèi)變化，例如從10到300)之后，三個諧振頻率的每個的平均值f1，2，3和標準偏差σ1，2，3被計算。作為結(jié)果，與σ1，2，3相比，f1，2，3的標準偏差被進一步減小到近似1/√M。然后對不滿足條件|fi-f1，2，3|≤kσ1，2，3(其中k可具有從1到3的值)的相關(guān)陣列中的所有頻率fi不予考慮，并且再次重新計算平均頻率。進行最后的過程是為了排除相干累積期間干擾的可能影響和信號振幅的突然減小，其可導(dǎo)致諧振頻率的粗略誤差。標準偏差σ1，2，3亦可被用作對有關(guān)諧振頻率的信息的有效性的量度。
5.壓力和溫度的計算在求平均之后，兩個差頻率被計算，然后使用例如在Ref.[4]中描述的途徑而得到壓力和溫度。
所提出的詢問方法的目的是實現(xiàn)好于5×10-6的諧振頻率測量精度。在工作于434MHz ISM帶中的SAW諧振器的情況下，它應(yīng)給出好于1psi的壓力測量精度和好于1℃的溫度測量精度。
權(quán)利要求
1.一種詢問多個諧振器件以確定器件的相應(yīng)諧振頻率的方法，包括以下步驟(1)為每個諧振器件確定最佳詢問頻率；(2)以由步驟(1)確定的其相應(yīng)最佳詢問頻率來重復(fù)詢問每個諧振器件多次；(3)對作為步驟(2)的結(jié)果而累積的數(shù)據(jù)進行離散傅立葉變換，以及(4)確定從步驟(3)得到的頻率的平均值。
2.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(4)包括為每個所確定的平均頻率而確定標準偏差；拒絕與平均頻率相差了標準偏差的預(yù)定倍數(shù)以上的任何頻率；以及在排除了被拒絕的數(shù)據(jù)之后重新計算平均頻率。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中最佳詢問頻率是通過確定來自諧振器件的信號具有最大功率譜密度時的頻率而確定的。
4.權(quán)利要求3的方法，其中最大功率譜密度是通過頻率下轉(zhuǎn)換，在中間頻率處采樣響應(yīng)并計算離散傅立葉變換而確定的。
5.權(quán)利要求3的方法，其中最大功率譜密度是借助具有自動增益控制的線性放大器來確定的，最佳頻率被選擇成使譜密度的峰值對其旁瓣的平均電平的比最大。
6.權(quán)利要求3的方法，其中最大功率譜密度是通過使用限幅放大器來確定的，頻率被選擇成使傳感器響應(yīng)的長度最大。
7.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中最佳詢問頻率位于ISM帶的相應(yīng)子帶內(nèi)。
8.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中在權(quán)利要求1的步驟2的重復(fù)期間，所接收的每個信號被下轉(zhuǎn)換、采樣并累積以提供最佳詢問頻率的相干累積。
9.權(quán)利要求8的方法，其中相干累積是通過使用在接收器和發(fā)射器合成器中的公用振蕩器和DPS芯片中的時鐘發(fā)生器而實現(xiàn)的。
10.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中步驟2中的重復(fù)性詢問的數(shù)量和進行這種詢問的速度是這樣的，與相對于詢問設(shè)備的傳感器的任何循環(huán)運動的周期相比，總詢問周期是小的。
11.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中每個相干累積在每個詢問頻率處被重復(fù)，但在累積的第二循環(huán)期間90°的附加相移被引入到詢問脈沖中，或者以累積的第二循環(huán)期間的延遲來獲取采樣。
12.任何權(quán)利要求1到10之一的方法，其中采樣速率以以下方式被選擇采樣間隔對應(yīng)于中間頻率處的90°相移除以一個整數(shù)。
13.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中所確定的頻率被用于計算壓力和溫度。
14.任何上述權(quán)利要求之一的方法，其中諧振器件是SAW器件。
全文摘要
確定多個諧振器件(例如三個SAW器件)的頻率的方法包括為每個器件確定最佳詢問頻率，最佳詢問頻率具有最大功率譜密度；為每個傳感器累積多個響應(yīng)；對采樣結(jié)果進行離散傅立葉變換以估算三個諧振頻率；以及對傅立葉變換的結(jié)果求平均以提供諧振頻率的指示。求平均的步驟可包括計算標準偏差和拒絕與平均頻率結(jié)果相差了標準偏差的預(yù)定倍數(shù)以上的任何結(jié)果。通過所述方法確定的頻率可被用于計算傳感器器件的壓力和溫度。傳感器器件可被置于車輛輪胎中。
文檔編號G01L17/00GK1547723SQ02816494
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月23日
發(fā)明者V·A·卡利寧, J·P·貝克利, G·E·鮑恩, V A 卡利寧, 貝克利, 鮑恩 申請人:傳感技術(shù)有限公司