DE19636574C1 - Wegfahrsperre für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wegfahrsperre für ein Kraftfahr­ zeug, bei dem Benutzen des Kraftfahrzeugs nur durch Nachweis einer Berechtigung möglich ist.

Bei solchen Wegfahrsperren (DE 44 30 360 C1, DE 44 38 286 C1 oder DE 195 44 722 C1) wird eine modulierte, binäre Codein­ formation von einem tragbaren Codesender zu einem stationär angeordneten Codeempfänger übertragen.

Im Empfänger wird die von einer Antenne empfangene Schwingung abgetastet und dabei demoduliert, um die Codeinformation zu­ rückzugewinnen. Anschließend wird die zurückgewonnene Codein­ formation mit einer gespeicherten erwarteten Sollcodeinforma­ tion verglichen. Bei zumindest weitgehender Übereinstimmung der beiden Codeinformationen wird ein Freigabesignal erzeugt.

Wird eine solche Wegfahrsperre bei einem Kraftfahrzeug einge­ setzt, so wird die Codeinformation durch induktive Kopplung zweier Spulen, einerseits im Codesender und andererseits im Codeempfänger, übertragen. Da der Codesender über keine Stromversorgung verfügt, wird die für seinen Betrieb notwen­ dige Energie aus der in seiner Spule induzierten Spannung entnommen.

Wegen eines schlechten - bauartbedingten - magnetischen Kop­ pelfaktors zwischen den beiden Spulen, muß der Codeempfänger somit zur Versorgung des Codesenders ein starkes Magnetfeld aufbauen. Dies führt dazu, daß die Spule des Codeempfängers mit einer Spannung von etwa 150V_SS (Spitze-Spitze-Spannung) betrieben wird.

Obwohl die binäre Codeinformation den Codesender mit einem Modulationsgrad von 1 (100% Modulationstiefe) verläßt, be­ trägt die durch die Spule des Codeempfängers empfangene Span­ nung nur wenige hundert Millivolt (mV) Spitze-Spitze, da der Koppelfaktor so schlecht ist. D.h. die sich in der Spule des Codeempfängers bildende Hüllkurve der modulierten Schwingung weist in den verschiedenen logischen Pegeln Amplitudenunter­ schiede von nur einigen hundert Millivolt auf, d. h. eine Mo­ dulationsamplitude von einigen 100 mV.

Damit die modulierte Schwingung mit herkömmlichen digitalen Bauelementen verarbeitet werden kann, muß sie in den Bereich von etwa 5 bis 3 V heruntergeteilt werden. Somit wird auch die Modulationsamplitude um ein Vielfaches heruntergeteilt, so daß sich dann eine Modulationsamplitude von nur einigen Millivolt ergibt. Allerdings können solch kleine Spannungs­ differenzen nur sehr schwer und ungenau erfaßt werden.

Bei weiteren, bekannten Wegfahrsperren (DE 44 18 069 C1 oder DE 44 22 296 A1) werden Codesignale von einem tragbaren Code­ sender zu einem Codeempfänger im Kraftfahrzeug übertragen. Dort wird das übertragene Codesignal auf seine Berechtigung hin überprüft. Bei Berechtigung wird eine Wegfahrsperre ge­ löst. Bei allen bekannten Wegfahrsperren ist es wesentlich, daß das Codesignal korrekt erfaßt wird, da die Wegfahrsperre ansonsten nicht gelöst werden kann.

Das Problem der Erfindung ist es, eine Wegfahrsperre zu schaffen, bei der eine binäre Codeinformation im Empfänger aus einer modulierten Schwingung schnell und sicher erfaßt wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Dabei wird die modulierte Schwingung zunächst mit einer Gleichspannung beaufschlagt, so daß alle Schwingungsamplituden größer als 0 V sind. Anschließend wird die modulierte Schwingung abgetastet und die abgetasteten Werte einem Demodulator weitergeleitet. Ein Abtastphasenglied erzeugt Impulse mit der gleichen Periodendauer wie die modu­ lierte Schwingung, das mit der modulierten Schwingung syn­ chronisiert ist. Das Abtastphasenglied steuert derart das Ab­ tasthalteglied, daß die modulierte Schwingung immer zum glei­ chen Phasenwinkel innerhalb einer Periode abgetastet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. So kann der Addierer als einfa­ che Klemmschaltung ausgebildet sein, die einen Koppelkonden­ sator aufweist, der von einer Klemmdiode auf- und entladen wird. Die modulierte Schwingung, wie sie von der Antenne emp­ fangen wird, kann zunächst durch ein Dämpfungsglied mit rela­ tiv kleinem Dämpfungsfaktor gedämpft werden. Allerdings darf die Dämpfung nicht zu groß eingestellt werden, da ansonsten die Modulationsamplitude zu gering wird. Außerdem kann ein Tiefpaßfilter störende Frequenzanteile in der modulierten Schwingung herausfiltern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Zu­ gangskontrollsystems,

Fig. 2a bis 2d Signalverläufe innerhalb der Schaltungsan­ ordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung eines Abtastphasengliedes des erfindungsgemäßen Zugangskontrollsystems.

Bei einem erfindungsgemäßen Zugangskontrollsystem sendet ein tragbarer Codegeber 1 (Fig. 1) eine binäre Codeinformation als amplitudenmodulierte Schwingung zu einem stationär ange­ ordneten Codeempfänger 2. Der Codeempfänger 2 empfängt diese modulierte Schwingung 3 (vgl. Fig. 2a), bereitet sie mit Hilfe eines Addierers 4 zur weiteren Verarbeitung auf, tastet die Schwingung 3 mit Hilfe eines Abtasthaltegliedes 5 ab und demoduliert somit die Codeinformation aus der Schwingung 3. Das Abtasthalteglied 5 wird dabei durch ein Abtastphasenglied 6 phasenkonstant getaktet, d. h. synchron zur modulierten Schwingung 3 zu einem konstanten Abtastzeitpunkt mit konstan­ tem Phasenwinkel angesteuert.

Auf diese Art und Weise wird die Codeinformation aus der mo­ dulierten Schwingung 3 zurückgewonnen. Die so gewonnene Codeinformation wird in einer nicht dargestellten Auswerte­ einheit mit einer erwarteten Sollcodeinformation verglichen. Wenn beide Codeinformationen zumindest weitgehend überein­ stimmen, so ist der Benutzer berechtigt und ein Freigabesi­ gnal wird erzeugt, durch das ein Sicherheitsaggregat, wie z. B. eine elektronische Wegfahrsperre oder eine Schließvor­ richtung, angesteuert wird.

Der Codegeber 1 erzeugt eine hochfrequente Trägerschwingung, die in ihrer Amplitude durch die binäre Codeinformation geän­ dert wird. Somit entsteht eine amplitudenmodulierte Schwin­ gung, die L-Pegel und H-Pegel aufweist. Die modulierte Schwingung wird über eine nicht dargestellte Spule im Codege­ ber 1 induktiv (mittels Magnetfeld) zu dem Codeempfänger 2 übertragen.

Der Codeempfänger 2 weist eine Empfangsantenne (im folgenden als Antenne 7 bezeichnet) in Form einer Spule auf. Die Anten­ ne 7 bildet zusammen mit einen Schwingkondensator 8 einen Schwingkreis, der durch das von dem Codesender 1 erzeugte Ma­ gnetfeld mit der modulierten Schwingung 3 zum Schwingen ange­ regt wird. Infolgedessen entsteht im Codeempfänger 2 die gleiche modulierte Schwingung 3 (Fig. 2a). In der Hüllkurve der modulierten Schwingung 3 ist dabei die binäre Codeinfor­ mation enthalten.

Bei induktiver Datenübertragung werden Spitzenwerte der modu­ lierten Schwingung 3 in der Größenordnung von z. T. viel grö­ ßer als 50 V_SS in der Antenne 7 erzeugt. Die Modulati­ onsamplitude, d. h. die Differenz der Amplituden im H-Pegel und im L-Pegel, ist relativ klein. Die Modulationsamplitude liegt bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen im Bereich von kleiner als 150 mV. Diese Modulationsamplitude muß der Codeempfänger 2 eindeutig erfassen und auswerten.

Nachdem die modulierte Schwingung 3 von der Antenne 7 empfan­ gen wurde, wird sie zunächst über ein Dämpfungsglied 9 in Form eines ohmschen Widerstands in ihrem Spitzenwert um den Faktor 2 von etwa 60 V_SS auf etwa 30 V_SS heruntergeteilt. Folglich wird die Modulationsamplitude auch um diesen Faktor geteilt. Diese Dämpfung der modulierten Schwingung 3 ist zwar vorteilhaft für die weitere Verarbeitung, muß aber nicht un­ bedingt erfolgen. Falls doch ein Dämpfungsglied 9 vorhanden ist. So darf die Modulationsamplitude nicht zu klein werden, da ansonsten wiederum die Gefahr besteht, daß die binäre Codeinformation nicht exakt erfaßt wird.

Ein anschließendes Tiefpaßfilter 10 in Form eines gegen Masse geschalteten Filterkondensators filtert störende Frequenzan­ teile aus der modulierten Schwingung 3 heraus.

Der anschließende Addierer 4 fügt einen Gleichspannungsanteil zu der modulierten Schwingung 3 hinzu, so daß die modulierte Schwingung 3 - unabhängig von dem von dem Codegeber 1 über­ tragenen Gleichspannungsanteil - besser weiterverarbeitet werden kann. Hierzu ist der Addierer 4 vorteilhafterweise als Klemmschaltung ausgebildet, wie sie beispielsweise aus der Fernsehtechnik bekannt ist.

Die Klemmschaltung besteht aus einem Koppelkondensator 12, der die Antenne 7 gleichstrommäßig von dem nachfolgenden Ab­ tasthalteglied 5 trennt. Nachfolgend sind eine Klemmdiode 13 und parallel dazu ein Klemmwiderstand 14 zwischen Signalpfad und Masse angeordnet. Durch diese Klemmschaltung wird der Gleichspannungsanteil der modulierten Schwingung 3 etwa um die maximale Amplitude der modulierten Schwingung 3 angeho­ ben, d. h. die modulierte Schwingung 3 wird mit ihrem unter­ sten Wert auf etwa 0V "geklemmt" (festgelegt). Somit liegt die modulierte Schwingung 3 oberhalb der 0V-Linie, wie es in der Fig. 2b dargestellt ist (bei dieser Betrachtung bleibt die Durchlaßspannung der Klemmdiode 13 von etwa 0,7V der Übersichtlichkeit wegen unberücksichtigt).

Falls die Klemmdiode 13 mit ihrer Anode statt an Masse (gleichbedeutend mit 0V) an eine Vorspannung größer oder kleiner als 0V angeschlossen wird, so kann der Gleichspan­ nungsanteil der modulierten Schwingung 3 abhängig von dieser Vorspannung verändert werden.

Der Spitze-Spitze-Wert der modulierten Schwingung 3 wird durch die Klemmschaltung nicht verändert und beträgt weiter­ hin etwa 30 V_SS.

Je nach Phasenlage der Abtastzeitpunkte können sowohl kleine Abtastwerte als auch große Abtastwerte abgetastet werden. Wird eine solche Schwingung mit einem Abtastglied mit einem festen Arbeitspunkt abgetastet, so können die Abtastwerte un­ zulässig verzerrt werden, da ein solches Abtastglied nur ei­ nen eingeschränkten Arbeitsbereich aufweist.

Daher wird erfindungsgemäß ein sogenanntes "schwimmendes" Ab­ tastglied verwendet. Als Abtastglied wird im Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 ein Sperrschicht-FET 15 (JFET = Junction Field Effect Transistor) verwendet, der mit seinem Eingang (Drain oder Source) mit dem Addierer 4 und an seinem Ausgang (Source bzw. Drain) mit einem Halteglied 16 verbunden ist. An seinem Steuereingang (Gate) ist ebenfalls eine Klemmschaltung angeordnet, die einen seriellen Klemmkondensator 17 und par­ allel dazu einen Entladewiderstand 18 aufweist. Der Klemmkon­ densator 17 bildet dabei mit der ohnehin vorhandenen Gate- Diode des JFET 15 als Klemmdiode die Klemmschaltung. Durch die Klemmschaltung wird der Arbeitsbereich des JFET 15 auto­ matisch an die Abtastwerte angepaßt.

Das Abtastphasenglied 6 erzeugt im Takte der Trägerschwingung intermittierend Abtastimpulse 21, wie sie in der Fig. 2c dargestellt sind. Hierzu weist der Abtastphasenglied 6 einen Schwingkreis 22 auf, der durch ein Rechtecksignal 23, wie es in der Fig. 2d dargestellt ist, angesteuert wird. Durch das ständige Ein- und Ausschalten des Schwingkreises 22 entsteht eine Schwingung mit einer großen Amplitude, hier beispiels­ weise 30V.

Durch eine Diode 24, die an den Schwingkreis 22 angeschlossen ist, wird die negative Halbwelle der Schwingung abgeschnit­ ten. Infolgedessen entstehen die Abtastimpulse 21 mit der Amplitude von 30V und einer Wiederholfrequenz gleich der Trä­ gerfrequenz der modulierten Schwingung 3.

Diese Abtastimpulse 21 werden auf das Gate des JFET 15 gege­ ben, wodurch der JFET 15 veranlaßt wird, die zum Abtastzeit­ punkt am seinem Eingang anstehende Amplitude der modulierten Schwingung 3 als Abtastwert auf seinen Ausgang zu übertragen. Durch die Klemmschaltung 17, 18 am Gate wird sichergestellt, daß sich der Arbeitspunkt an den Abtastwert anpaßt und folg­ lich der Abtastwert ohne Verlust an den Ausgang übertragen wird.

Durch die an dem Gate angeordnete Klemmschaltung paßt sich der JFET 15 automatisch oder "schwimmend" an den jeweiligen Abtastwert an. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Abtastwert am Eingang und der Amplitude des Abtastimpulses 21 wird zum Aufladen des Klemmkondensators 17 ausgenutzt. Wenn ein klei­ ner Abtastwert abgetastet wird, so ist die Differenz groß und der Klemmkondensator 17 wird stark geladen. Ist jedoch der Abtastwert groß, so ist die Differenz klein und der Klemmkon­ densator 17 wird nur gering geladen. Infolgedessen fließt kein Strom über das Gate in den Ausgang des JFET 15.

Nach jedem Abtasten zu einem bestimmten Abtastzeitpunkt ent­ lädt sich der Klemmkondensator 17 über den hochohmigen Entla­ dewiderstand 18. Die Zeitkonstante τ = R*C von Klemmkondensa­ tor 17 und Entladewiderstand 18 muß so gewählt werden, daß sie im Bereich der Schwingungsdauer der Trägerschwingung liegt. Der Klemmkondensator 17 muß also zum nächsten Abtast­ zeitpunkt wieder etwas entladen sein, damit sich der JFET 15 zum nächsten Abtastvorgang - bei sich eventuell geänderter Eingangsspannung - sicher einschalten kann, um den Abtastwert auf seinen Ausgang übertragen zu können.

Die Abtastwerte werden dem Halteglied 16 über einen Wider­ stand 25 zugeführt. Das Halteglied 16 ist als Haltekondensa­ tor ausgebildet. Der Abtastwert wird für eine vorbestimmte Zeit gehalten und kann dann weiterverarbeitet werden.

Durch das Abtastphasenglied 6 und das Abtasthalteglied 5 wird dafür gesorgt, daß die modulierte Schwingung 3 immer zum gleichen Abtastzeitpunkt innerhalb einer Periodendauer abge­ tastet wird. Jeder Abtastzeitpunkt ist dadurch spannungsab­ hängig, und zwar sobald der Abtastimpuls 21 einen vorgegebe­ nen Schwellwert überschritten hat. Da die modulierte Schwin­ gung 3 zu einem zeitlich konstanten Abtastzeitpunkt in Bezug auf ihre Amplitude und Phase jedoch nicht konstant auftritt, muß sie demoduliert werden.

Der Klemmkondensator 17 und Entladewiderstand 18 bilden zu­ sammen mit der Gate-Diode des JFET 15 eine Klemmschaltung, die sich schwimmend auf die modulierte Schwingung 3 ein­ stellt. Das Abtastphasenglied 6 sorgt dafür, daß die modu­ lierte Schwingung 3 immer zur gleichen Phase abgetastet wird.

Die Klemmschaltung 17, 18 veranlaßt, daß die Abtastwerte etwa eins zu eins vom Eingang zum Ausgang übertragen werden.

Die Amplituden in den beiden logischen Zuständen L und H der modulierten Schwingung 3 unterscheiden sich lediglich um etwa 100 mV_SS. Diese Spannungsdifferenz wird durch das Abtasthal­ teglied 5 nicht beeinträchtigt. Ein nicht dargestellter Nach­ verstärker erhält über das Abtasthalteglied 5 Abtastwerte, die sich abhängig von der Codeinformation um etwa 50 mV un­ terscheiden und leitet sie weiter an die Auswerteeinheit. Bei einer solchen Spannungsdifferenz kann die Auswerteeinheit klar zwischen L und H unterscheiden. Die binäre Codeinforma­ tion kann somit schnell und sicher aus der modulierten Schwingung 3 gewonnen werden.

Statt des JFET 15 kann auch ein Isolierschicht-FET (MOSFET 26) verwendet werden (vgl. Fig. 3). Bei Verwendung eines MOSFET 26 müssen jedoch zwei Dioden 29, und zwar eine paral­ lel zur Drain-Gate- und eine parallel zur Source-Gate-Strecke des MOSFET 26 angeordnet werden. Zusammen mit dem Klemmkon­ densator 17 und dem Entladewiderstand 18 bilden diese beiden Dioden die Klemmschaltung, durch die sich der Arbeitspunkt des MOSFET 26 schwimmend auf die Abtastwerte einstellt.

Zum Ansteuern und Sperren eines Feldeffekttransistors wird ein Abtastimpuls 21 mit genügender großer Steilheit und Amplitude benötigt. Jeder Abtastimpuls 21 besteht - wie be­ reits oben erläutert - aus einer Halbwelle, die von dem Schwingkreis 22 erzeugt wird. Da das Gate des Feldeffekttran­ sistors sinusförmig angesteuert wird, kann es bei Transisto­ ren mit großer Abschnürspannung zu unerwünscht langer Ein­ schaltzeit kommen. Der Impulsanstieg des Abtastimpulses 21 läßt sich versteilern, wenn eine Kapazitätsdiode 27 parallel zur Diode 24 am Schwingkreis 22 angeschlossen ist.

Mit dem Codeempfänger 2 können nicht nur Daten von dem Code­ geber 1 empfangen werden, es können auch codierte Daten oder Energie zu diesem gesendet werden. Hierzu kann als Sendestufe ein entsprechender Generator und Modulator über einen Gegen­ taktverstärker 28 (vgl. Fig. 1) an die Antenne 7 angeschlos­ sen werden. Daten oder Energie werden dann über die Antenne 7 zu dem Codegeber 1 gesendet, der daraufhin mit seiner Codein­ formation antwortet. Eine solche Sendestufe beeinflußt jedoch nicht das Abtasten der empfangenen Schwingung, wohl aber die Amplituden, da diese gegenüber dem reinen Sendebetrieb des Codesenders vergrößert sind.

Die modulierte Schwingung 3 wird mit Hilfe einer Träger­ schwingung übertragen, die bei einer Frequenz von etwa 125 kHz schwingt. Entsprechend dieser Frequenz wird das Ab­ tastphasenglied 6 mit einem Rechtecksignal 23 mit einer Peri­ odendauer T₁ von etwa 8 µs angesteuert. Die Impulsdauer τ₁ des Rechtecksignals 23 beträgt etwa 3 µs. Folglich werden durch das Abtastphasenglied 6 Abtastimpulse 21 mit einer Impulsdau­ er τ₂ von etwa 1,9 µs und einer Periodendauer T₂ = T₁ von eben­ falls etwa 8 µs erzeugt.

Die binäre Codeinformation beinhaltet benutzerspezifische Da­ ten, die in der Auswerteeinheit mit gespeicherten Informatio­ nen verglichen werden. Bei Übereinstimmung wird ein Freigabe­ signal erzeugt.

Wird ein solches Zugangskontrollsystem bei einem Kraftfahr­ zeug verwendet, so ist der Codeempfänger 2 im Kraftfahrzeug angeordnet. Durch das Freigabesignal wird dann die Motor­ steuerung, die Kraftstoffzufuhr oder der Zündstrom einge­ schaltet sowie Türschlösser ver- oder entriegelt.

Ebenso sind auch andere Anwendungen außerhalb eines Kraft­ fahrzeugs möglich, bei denen ein codiertes Signal von einem tragbaren Codegeber 1 zu einem Codeempfänger 2 übertragen. Der Codeempfänger 2 ist stationär in einem Objekt angeordnet, zu dem ein Benutzer Zugang begehrt. Der Benutzer weist seine Berechtigung durch die übertragene Codeinformation nach. Die Codeinformation wird in dem Codeempfänger 2 ausgewertet. Ent­ sprechend kann das Zugangskontrollsystem für den Zugang und die Benutzung eines Computers, den Zugang zu versperrten Räu­ men oder Bereichen, usw. verwendet werden.

Als Spitzenwert wird bei dieser Erfindung der Spannungswert der Schwingung zwischen der maximalen, positiven Amplitude und der maximalen, negativen Amplitude bezeichnet, wenn der Gleichspannungsanteil der Schwingung Null ist. Als Einheit wird hierfür V_SS (Volt_{Spitze-Spitze}) verwendet.

Als Modulationsamplitude wird die Differenz der Amplituden im L-Pegel und im H-Pegel der amplitudenmodulierten Schwingung 3 bezeichnet.

Claims (5)

1. Wegfahrsperre für ein Kraftfahrzeug, mit

• - einem tragbaren Codesender (1), der eine Codeinformation in Form einer modulierten Schwingung (3) aussendet,
• - einem stationär angeordneten Codeempfänger (2), der die mo­ dulierte Schwingung über eine Antenne (7) empfängt, abta­ stet und demoduliert, um die Codeinformation zurückzugewin­ nen, die anschließend mit einer erwarteten Sollcodeinforma­ tion verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Codeempfänger (2) aufweist:
• - einen Addierer (4), durch den ein Gleichspannungsanteil der modulierten Schwingung (3) hinzugefügt wird,
• - ein Abtasthalteglied (5), das die modulierte Schwingung (3) abtastet und die abgetasteten Werte unverändert einer Aus­ werteeinheit zuführt, und
• - einem Pulsgenerator (22), der Impulse erzeugt, durch die das Abtasthalteglied (5) in seinen Abtastzeitpunkten derart getaktet wird, daß jeder Abtastzeitpunkt der modulierten Schwingung innerhalb jeder Periode bei einem konstanten Wert gehalten wird.

2. Wegfahrsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Addierer (4) als Klemmschaltung mit einem seriellen Kop­ pelkondensator (12), der die Antenne (7) gleichstrommäßig von dem Abtasthalteglied (5) trennt, und einer an eine Gleich­ spannung angeschlossenen Klemmdiode (13), durch die der Wert des Gleichspannungsanteils festgelegt wird, ausgebildet ist.

3. Wegfahrsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Addierer (4) ein Dämpfungsglied (9) angeordnet ist, durch das die modulierte Schwingung (3) in ihrer Amplitude gedämpft wird.

4. Wegfahrsperre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dämpfungsglied (9) und dem Addierer (4) ein Tiefpaßfilter (10) angeordnet ist, durch das störende Anteile in der modulierten Schwingung gefiltert werden.

5. Wegfahrsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasthalteglied (5) einen Feldeffekttransistor (15, 26) aufweist, mit dessen Gate mit einer Klemmschaltung mit einem Klemmkondensator (17) und einem Entladewiderstand (18) ver­ bunden ist, und dessen Gate von den Impulsen des Pulsgenera­ tors (22) gesteuert wird.