专利名称：集成的自供电轮胎旋转计数器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种压电结构利用常规轮胎旋转的机械能而产生用于集成轮胎电子线路的电能并提供轮胎旋转信号的系统和方法。利用压电技术将轮胎弯曲产生的机械应变转化成能给诸如微控制器和射频发射器件的电子组件供电的电能输出。除了给相关电子线路供电之外，轮胎弯曲产生的机械应变还产生一个信号，用特殊的算法处理该信号以产生准确的轮胎旋转计数。
背景技术：
电子器件与气胎结构的结合产生了许多实用的优势。轮胎电子线路可以包括传感器和其它组件，用于获得有关轮胎的各种物理参数的信息，诸如温度、压力、轮胎转数和车速等。这些性能信息对于轮胎监控和预警系统可能是有用的，将来甚至可以用于反馈系统以调节合适的轮胎压力水平。
美国专利5,749,984(Frey等人)公开了一种能确定诸如轮胎偏转、轮胎速度和轮胎转数的轮胎监控系统和方法。美国专利4,510,484(Snyder)给出了关于异常轮胎状况警报系统的轮胎电子线路系统的另一个例子。美国专利4,862,486(Wing等人)也涉及轮胎电子线路，具体来说，公开了一种用于汽车和卡车轮胎的示例性的旋转计数器。
与轮胎结构集成的电子线路系统的另一潜力是用于商用车的资产跟踪和性能描述。商用卡车队、航空器和重型推土机/采矿车辆都是可以受益于轮胎电子系统和相关信息发射的可行的工业。轮胎传感器能确定车辆每个轮胎所行驶的距离，由此有助于这些商业系统的维护计划。可以优化车辆的位置和性能以用于诸如涉及地球采矿设备的更广泛的应用。可以利用射频标签发射来跟踪整个车队的车辆，其示例性方面公开于美国专利5,457,447(Ghaem等人)。
这种集成轮胎电子线路系统通常由多种技术和不同的发电系统来供电。美国专利4,061,200(Thompson)和3,760,351(Thomas)公开了由轮胎运动产生能量的机械特征的例子。这些例子提供的系统又大又复杂，一般并不适用于现代的轮胎应用。然而美国专利4,510,484(Snyder)公开了另一种给轮胎电子线路系统供电的选择，涉及一个沿轮胎辐射中线对称配置的压电簧片(piezoelectric reed)供电源。
另一种解决轮胎电子线路系统供电的典型办法是使用非充电的电池，这自然给轮胎使用者造成不便，因为电子系统的正常操作有赖于周期性地更换电池。通常的电池常常含有不利于环境并带来处置难题的重金属，尤其是大量使用时。再者，当给功能性复杂的电子线路系统供电时，电池易于很快地耗尽贮藏的能量。对于在诸如从卡车车轮处到车舱接收器的相对远的距离发射信息的电子系统，电池贮藏能量耗尽尤为显著。即便电池是用于从车轮处到较近的接收器处发射信息的电子线路系统，信息通常通过硬线传输介质从射频接收器处中继到驾驶室，因此需要在车内安装另外的、通常较贵的通信硬件。
还有一种用来获得轮胎监控系统的电能的已知方法涉及用与轮胎和集成电子特征紧邻的探询天线(interrogation antenna)来提取(scavenging)射频束能量。提取从天线辐射的能量来给电子线路供电，这些电子线路通常必须是限于几个微瓦的专门的超低功率电子线路。由于发射范围有限，与由波束供电的电子线路一起使用的探询天线通常必须放置在离各个车轮相对较近(大约两英尺内)的位置。每辆车通常需要多根探询天线，由此增加了潜在的设备成本。每根天线还非常易于受路险的损害，因此，由于诸多原因，这种方法可能不是为某些电子应用供电的最合适的方案。
与本主题一致，压电材料的某些优势长久以来就是公认的。然而，这种技术持续地在改进，因此潜在地能提供给使用压电材料的应用以改进的工作性能。美国专利5,869,189(Hagood，IV等人)和6,048,622(Hagood，IV等人)提供了压电技术相对较新的进展的例子，即致力于结构控制的组合。当前公开的技术涉及压电技术进一步的进展，即压电发电器件可以与轮胎或车轮组合件集成起来，以用于能量的获取和轮胎旋转信号的产生。
当前未授权并属于同一所有人的美国专利申请10/143,535和10/345,040公开了利用压电材料从旋转轮胎的机械能来产生和获取电能的方面。本发明涉及将这种压电结构集成到轮胎或车轮组件的进一步应用。尤其特别的是，依据当前发明的某些方面，这种压电结构可以与其它的特征结合起来以提供一个自供电轮胎旋转计数器。
轮胎旋转计数的已有方法涉及在车轮中心安装一个机械计数器。由于机械计数器与轮胎不是一个整体，所以维持准确的使用期旋转计数需要准确的记录保管。考虑到一些轮胎常常被移到不同的车轮位置或甚至不同的车辆，和/或被多次翻新胎面，记录保管是一个不方便、易于出错和不可靠的过程。
为了所有提及的目的，本申请因此充分结合了前述美国专利和专利申请中的公开内容。尽管已开发了各种各样的轮胎电子线路系统和发电系统，但还没有出现如同依据本主题技术在下文中描述的那样通常包括所有想要特征的设计。
发明内容
考虑到背景技术中所遇到的和本主题所说的公认的特征，开发了一种轮胎旋转计数的改进的系统和方法。利用压电技术将与轮胎弯曲相关的机械应变转化为电荷，然后利用所述电荷来操作诸如微控制器和/或射频发射器的相关电子线路。依据所公开的技术来分析压电输出信号以确定相关轮胎的旋转计数。
本主题的轮胎电子线路系统和发电器件的诸多特征和方面提供了许多优势。公开的技术提供了一种属于一个给定轮胎完整部分的自供电轮胎旋转计数器。同样地，也促进了维持轮胎充分准确的使用期旋转计数的能力，因为不论轮胎是否被移到不同的车轮位置或不同的车辆，或在开始使用一段时间后被翻新，都可以使用同一个旋转计数器。
本主题某些实施例的另一个优势是集成轮胎旋转计数器具有自供电特征。一个压电发电组件可以提供一个不依赖于更换电池的自供电电子线路系统。尽管本主题某些方面仍然包括电池和由电池供电的器件，但是依据所公开的技术避免了许多有关仅仅由电池供电的轮胎电子线路的因素。所公开的压电技术还提供了相对于已知供电方法的其它优势，包括使用所公开的压电器件来给电池充电的可能性。
本技术某些实施例的一个特殊方面涉及分析压电结构产生的信号以对轮胎旋转准确计数的方法。产生的信号包括当压电输出信号超过临界值时探测到的脉冲。然后可以通过示例性的速度自适应的cadence算法来分析那些信号脉冲，以便确定哪一个脉冲代表一个有效的轮胎旋转。确定已经发生了一个有效的轮胎旋转导致增加一个当前旋转的计数，这可以有选择性地加到一个给定轮胎的使用期旋转计数中。
在本技术一个示例性的实施例中，一个自供电轮胎旋转计数器包括一个发电装置、一个功率调节器、一个脉冲探测器和一个微控制器。在一个示例性的实施例中，所述发电装置相应于一个诸如压电复合结构的压电片(piezoelectric patch)，用于提供工作电能和一个指示轮胎旋转的脉冲信号。所述功率调节器接收来自发电装置的发电机信号并产生一个可以用于给诸如微控制器的相关电子器件供电的以及给任何系统相关的电池充电的调制输出电压。所述脉冲探测器接收发电机信号并且产生一个探测信号，只要探测信号超过临界值就具有各自的脉冲指示。编程所述微控制器以确定符合对应于一个有效轮胎旋转的预定标准的探测信号中所选脉冲指示的当前值和使用期积累值。
微控制器所分析和存储的其它信息可能涉及诸如相关轮胎温度、压力、偏转量、识别变量、轮胎旋转、车速、最高旋转速度和/或行驶距离的数据。上述提及的在测量行驶过的里程涉及的测量单位相关的参数有关的其它信息可被计算和存储。例如，人们可能对轮胎的温度变化感兴趣，因为这可能与行驶里程数有关。因此，他可能希望在记录温度下的里程数、速度下的里程数、温度下的旋转、速度或温度下的负载或压力，或潜在相关数据的其它和变化的组合。或者，人们可能对测量距离内所积累的轮胎转数感兴趣。一辆车的轮胎与轮胎间这种数据的变化可以显示某些轮胎所经历的转数与其它轮胎相比大不相同。担保部门可以利用这种数据来说明对轮胎的滥用，例如，能够确定一辆车的后胎所经历的转数比同一辆车的前胎多得多，这可能暗示着故意的迅速加速的企图。或者，某些轮胎间转数计数总数的不同可能意味着一次或多次关注的减速事件的发生，这可能发生在由于刹车或锁住车轮转速突然从高变为低或零时。当然，通过监控任意一个独立的轮胎的转速变化率，可以探测并记录加速和/或减速中的迅速变化。
这些数据中的一些可以从发电机信号来确定，或者可以提供其它对状况做出响应的器件来感知所需的参数。然后微控制器中的信息可以通过直接接触方法或选择性的射频发射中继到一个数据读取器。在一个示例性配置中，来自微控制器或外部来源的数据可以通过直接接触方法，也就是直接电连接，送到一个射频识别(RFID)器件，随后通过射频发射从射频识别器件中读取。这种数据接触写入、非接触读取的配置的一个优势在于数据可以在轮胎旋转期间由压电发电机供电时写入，并且数据可以在轮胎静止时通过射频识别探询器件来读取，该射频识别探询器件可以通过一个辐射的射频场来给射频识别器件供电。
依据本主题另一个示例性的实施例，一种气胎包括一个轮胎结构和一个如上简要描述的自供电旋转计数器。所述轮胎结构以胎冠形式表现，其具有一个外胎面部分、胎缘部分、位于每个胎缘部分和胎冠之间的外侧壁部分和沿胎冠内部及侧壁面的内衬底。所述旋转计数器可以安装在轮胎的内衬底上或固化在轮胎结构内。
公开技术还有一个示例性的实施例涉及轮胎完成转数的计数方法。依据本示例性的方法，提供一个发电机，当探测到一个重复的预定状况(例如，轮胎旋转一周)时就产生一个脉冲信号。测量发电机信号中第一和第二探测到的脉冲间的消逝时间以产生一个当前时间值。然后这个值可以存储在圆形缓冲器中并与其它存储在缓冲器中的值比较。与当前时间值相比较的实际参数的一个例子是缓冲器中先前存储的时间值的最大值的一个分数值。如果当前时间值超过比较参数，那么就将所探测到的脉冲作为一个完整的轮胎旋转而计数，并将计数器增值。在轮胎旋转期间持续地重复该过程。
通过在此的详细说明，本主题的其它方面和优势将被阐明，或对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。而且，应进一步了解到，对于在此特定示意、参考和讨论的特征和步骤的改动和变更可以在本发明的不同的实施例和应用中实施，而并不背离本主题的精神和范围。变更可以包括，但并不限于，用等效的方法、特征或步骤替代所示意、参考或讨论的，以及各种部件、特征或步骤等等的功能性、操作性或位置的颠倒。
更进一步，应理解的是，本主题不同的实施例以及不同的当前优选实施例可以包括当前公开的特征、步骤或要素或其等价物(包括图、部件、未清楚示意在图中或在图的详细描述中未阐明的步骤或配置的组合)的各种组合或配置。本主题的没有必要在本概述中表述的其它实施例可以包括和包含在上述总结的目标中所提及的特征、组件或步骤，和/或在本申请中所讨论的其它特征、组件或步骤的各个方面的各种组合。当看过本说明书的其余部分后，本领域的普通技术人员将更好地理解这些实施例的特征和各个方面。
参照附图的说明书阐明了本主题完整的可实施的公开，包括其最佳方式，适用于本领域的一般技术人员。附图中图1显示了一个依据本发明的安装在轮胎内衬底上的自供电轮胎旋转计数器；图2显示了依据本发明第一实施例的自供电轮胎旋转计数器的示意图；图2(a)显示了利用电流临界方法的脉冲探测器的示意图，该脉冲探测器可以用来替换图2所示自供电轮胎旋转计数器的脉冲探测器部分；图3显示了依据本发明的一个压电片的输出电压的波形展开图；图4显示了一个描述经历了多次轮胎旋转的压电片整流输出的示例性波形；图5显示了依据本技术的用于轮胎旋转计数的一个示例性算法的方块图；图6显示了依据本技术的用于从集成轮胎电子线路无线传输数据的示例性配置；图6(a)显示了通过无线技术在读取数据时直接将数据写入到集成轮胎电子线路器件的示例性配置；本说明书和附图中重复使用提及的参考符号意在表示本发明相同或相似的特征或要素。
具体实施例方式
如发明内容中所述，本技术特别涉及一种用于轮胎旋转计数和给集成在轮胎结构中的电子线路系统供电的改进的系统和方法。除了给相关电子线路发电外，与轮胎弯曲相关的机械应变产生一个信号，用特殊的算法处理该信号以获取轮胎旋转的准确计数。
依据当前公开技术某些实施例的集成自供电轮胎旋转计数器一般包括四个主要组件一个压电结构，一个脉冲探测器，一个功率调节器和一个微控制器。在这里将讨论每一个主要组件以及包括旋转计数器在轮胎或车轮组合件中的放置及其通信在内的其它相关组件的各个方面。公开技术上述方面的选择性组合相应于本主题的多个不同的实施例。应注意这里所展示和讨论的每一个示例性的实施例都不意味着对本主题的限制。作为一个实施例一部分所示意或描述的特征或步骤可以与另一个实施例各方面组合起来以产生其它的实施例。另外，某些特征可以与没有明确提及的完成相同或相似功能的相似的器件或特征互换。类似地，某些处理步骤可以互换或与其它步骤一起使用以产生利用旋转轮胎的机械能来发电的方法的其它的示例性实施例。
现在详细说明利用在轮胎或车轮组合件内的集成自供电器件来对轮胎旋转计数的本主题的系统和方法的示例性实施例。参照附图，图1描述了气胎1的示例性透视图，该气胎以胎冠形式表现，其具有一个外胎面部分8、胎缘部分和位于每个胎缘部分和胎冠之间的侧壁部分6。沿王冠内部及侧壁面有一层内衬底2，可以在其上安装一个依据本主题的自供电轮胎旋转计数器和/或其它的轮胎电子线路。
图2显示了依据本发明第一实施例的自供电轮胎旋转计数器的示意图。观察图2可以看到，与本技术相关的电路可以视为不同的组件或子系统，在这里将逐一讨论。
依据本技术的自供电轮胎旋转计数器的第一组件是一个压电结构，即图2中所示的压电片10。依据本主题可以使用的压电材料的类型的一个例子是诸如前述Hagood，IV等人的5,869,189号和6,048,622号专利所公开的压电纤维复合物结构。对本领域的一般技术人员显而易见的是，其它类型的压电材料也可以作为压电片10使用，如固体结构和复合物结构器件，但并不仅限于此。就此而论，对压电片10的基本要求是它能在整个系统中完成两个功能。第一，压电片10为其余电路提供一个能量源，第二，压电片10提供与轮胎旋转有关的信号脉冲，该信号脉冲接着被轮胎旋转计数器电路的其它组件处理。当安装压电片10的轮胎或车轮旋转时，压电片10会受到应变和振动的影响，因此可以获取工作电能以供应与轮胎旋转计数器电路相关的电或电子组件的其余部分。尽管压电片的发电能力使本技术的轮胎旋转计数器的自供电特征成为可能，应该记住的是，尽管这个“自供电”特征对本技术来说意义重大，但它并不排除使用常规电池作为唯一的电源或作为给相关电路其余部分供电的压电片的附加或备用。
与传统的在轮胎组合件内供电的技术相比，压电片作为发电器件的能力具有众多优势；然而，也可以使用其它电源。例如，如下所述，通过对存储的运行数据使用接触式和非接触式读取，外部电源可以与本发明示例性的实施例一起使用。所述外部电源可以包括利用对存储数据的接触式读取来实施本发明的外部电池和其它供电装置以及利用对存储数据的非接触式读取来实施本发明的天线波束能量提取技术。因此，尽管当前公开的技术提供了一种可以不使用天线波束能量和电池的发电器件，应该了解的是，发电器件可以采用压电技术和/或电池和/或天线波束提取的杂化组合来给车轮组合件内所选择的不同的电子组件供电。很明显，发电/供电有许多不同的可能性，包括前述组合以及其它，例如，可以配置压电器件来给电池充电，当轮胎静止且压电源不能产生用于供电的电力时，该电池可以设置作为备用电源或电源。
关于压电片的发电功能，从图2可知，压电片10与全波桥式整流器13的输入端相连。应该了解的是，也可以使用诸如加倍整流器(doubling rectifier)或n级电压倍增器的其它整流器配置。另外，可以使用包括开关式电源在内的其它类型的供电和调节电路。当压电片10在轮胎旋转期间弯曲时，会产生一个如图3所示的电压，所述电压通过加在终端11和12上并传到全波整流器13。桥式整流器13的一部分输出电压输入到一个包含有电阻16、电容18和20以及二极管22和24的功率调节电路14。配置这些元件以提供一个作为供电信号应用到相关电路的不同元件的输出电压VDD。齐纳二极管22和电阻16在桥式整流器13的输出端串接，并用来调节和限制供电输出电压VDD，而电容18和20是作为供电滤波器和临时的能量存储器件。隔离二极管24阻止电容18和20中存储的能量泄露回齐纳调节器22。在一个示例性的实施例中，齐纳二极管22将输出电压VDD限制为大约5.5伏。
还是参照图2，全波桥式整流器13的另一部分输出电压连接到一个脉冲探测器电路26，该脉冲探测器电路构成本发明的轮胎旋转计数器电路的第三主要组件。由图2可见，脉冲探测器电路26由比较器28、电阻30、32、34、36和电容38构成。通常，脉冲探测器电路26的组件将压电片10的输出与一个临界信号比较并每当探测到来自压电片10的电能信号中的一个脉冲时就产生一个指示输出。脉冲探测器电路26所记录的脉冲和轮胎所经历的转数有关。当前技术能采用的比较器的一个例子是美国国家半导体公司生产的LMC7215微功率比较器。电阻32和电容38串联，它们共同连接到比较器28的负输入端的交点处和电阻30一起形成用于来自压电片10的轮胎旋转脉冲信号的输入低通滤波器。该低通滤波器结构有助于除去来自压电片的轮胎旋转脉冲输入信号中的杂散噪声。在一个示例性的实施例中，低通滤波器的上位截止频率为32赫兹。比较器28的正输入端连接到一个分压器配置，该分压器配置包括电阻34和36并且给比较器28的正输入端提供一个可变的参考值。电阻34的一个接线端作为电阻34和36的分压器配置的输入，并连接到电源信号VDD。脉冲探测器电路26中提供的信号VDD为比较器28提供了一个自适应的临界值，因为VDD随压电片脉冲大小的增加而增加，直至齐纳二极管22设定的极限。比较器28的输出40连接到微控制器42的输入并以下面将要描述的方式处理。当然也可以采用其它的脉冲探测器的配置，这可能涉及包括电流反转(currentreversal)、电流临界值探测(current threshold detection)、电源电压随时间的变化(dv/dt)、有/无滞后的过零点探测或波形信号分析的概念。这些概念中的一个，电流临界值探测，将在下面参照图2(a)做更充分的讨论。
当前技术这一实施例的一个独特的方面是在功率调节电路14和脉冲探测电路26内共用一些组件。在这一点上，电阻30起双重作用，既作为负载电阻，又和电阻32和电容38一起作为轮胎旋转脉冲输入滤波器的一部分。类似地，连接在电阻30和16之间的全波桥式整流器13的二极管44与功率调节电路14的隔离二极管24一起工作，通过允许弱脉冲在输入端11和12处提高在VDD之上的两个二极管电压降来增强低速脉冲探测，这甚至不用16处施加一个可感知的电压。
现在来看示意在图2中的示例性的自供电轮胎旋转计数器的第四主要组件，主要关注微控制器42。微控制器42可以是一个低功率集成电路，并包括包含一个处理器、一个非易失性可编程闪存(EEProm)、一个随机存取存储器(RAM)、一个模数转换器和串行通信能力的几个组件部分。在一个示例性的实施例中，微控制器42是美国亚利桑那州钱德勒的Microchip Technologies公司生产PIC16LF876，然而，任何其它合适的微控制器都可用于本技术。在轮胎旋转期间，通过电信号VDD来给微控制器42和轮胎旋转计数器电路的其它组件供电。为了尽可能多地节约能源，配置微控制器42以使其在正常工作周期的绝大部分时间内处于“休眠”模式。例如，在低旋转速度时，微控制器42有97％的时间是处于休眠模式。配置微控制器42以使其每隔20毫秒就“苏醒”一次，以便检查是否已探测到一个脉冲及检查电源信号VDD，然后马上又回到休眠模式。在苏醒期间，如果微控制器42确定脉冲探测电路26已探测到一个脉冲，就会对脉冲进行分析，这将在下面做更充分的描述。另一方面，如果在苏醒期间微控制器42确定电源信号VDD可能由于轮胎旋转速度降低到预定水平之下而变得极其低，微控制器42就开始将所积累的数据存储到母板上的非易失性存储器(未显示)中，以便以后读取。
如图2所示，在本技术一个示例性的实施例中，可以通过将微控制器42的数据输出端RC4/SDI/SDA连接到与一个5伏的外部电源串联的电阻48来读取母板上的非易失性存储器。微控制器42在其输出针感知一个逻辑高，将该针转换到输出，并将数据串行地传输到与其连接的读取器。二极管46在数据下载期间从串行的数据连接获取电能以给微控制器42供电，由此通过一根输出线来提供数据和电能。
现在参照图2(a)，示意了全波整流器和脉冲探测器的另一种配置.如图2(a)所示，配置全波整流器13’以使其一只脚包括两个二极管D4和D5，这两个二极管的设置使得压电片10在轮胎旋转时所产生的电流脉冲I可以被电流临界探测器26’探测到。用于分压器的电阻R1和R2将比较器U1正输入的静止电平设置为一个预定值。当压电片10发生应变导致电流I沿所示方向流动时，R1-R2交叉点将朝接地电位下拉。当所述交叉点降低到低于接地电位时，比较器U1的输出端40将从高变到低。输出端40的这个信号然后可以施加到微控制器，如前面图2所示。二极管D5作为钳位电路以限制R1-R2交叉点降到低于接地电位的一个二极管电压降(大约-0.7伏)，而电阻R3和电容C2形成一个低通滤波器以削弱信号中的高频噪声。
应记住的是，即便脉冲探测器的这种配置也并没有结合前述图2的配置来提供本技术可以使用的脉冲探测器的所有形式。相反地，其它方法可能涉及利用模拟或数字电路，或计算，或这些方法的任意组合来分析压电片10所产生波形的时序结构。这些方法可以从相对简单，诸如导数(变化率)分析方法或积分分析方法，变到相对复杂，诸如包含更多计算的信号分析方法。
另一种脉冲探测方法可能仅仅涉及监控主储能电容的电压并将该电压的任一个显著的增加归结于轮胎旋转了一周。当然，在这里，假定轮胎的旋转是压电片10所经历的任何显著的产能应变事件的原因。然而，应该注意的是，由于轮胎旋转一周可以产生一个以上的能量脉冲，所以还是需要对时序采样电压读数的某种智能的分析，诸如下面将参照图5所描述的自适应cadence分析算法。
现在参照图6，另一种传输存储在微控制器42中的数据的选择是通过射频(RF)发射器94将存储的信息传送到远方的接收器处96。用于所公开技术的发射器和接收器模块分别的例子是诸如RadiometrixLtd.所出售的TX2牌UHF FM数据发射器模块和RX2牌UHF FM数据接收器模块。用于操作射频发射器94的能量可以由压电发电机供应，并按需要存储在电容、可充电电池或任何其它的电能存储器件中，直到有足够的能量来传输数据。几个方案中的任何一个都可以用来确定何时传输数据。在一种方法中，数据可以在传输之间的固定的或任意的时间周期性地传输。在另一种方法中，数据可以在一个或多个所测参数符合或超过某一个值时传输。在其它方法中，数据可以通过响应一个询问来传输，该询问在轮胎外通过射频发射、磁耦合或机械起动来发起。
数据传输的机械起动可以包括诸如以一个特定的顺序用手轻拍轮胎，该顺序可以被压电片感知并被微处理器作为指令码来识别和解码以起动数据传输。其它的机械起动方案可以包括提供一个特定配置的、永久放置或暂时安装的“停车振动带(rumble strip)”，如同有时安装在路边用以警告司机他/她的车太靠近路边了一样，该停车振动带将用对应于一个“数据传送”(或任何其它所想要的类别)指令序列的一个特定编码的撞击序列来编码。当这种配置与停车区域结合使用时具有特定的优势，这样当车辆进入或离开这一区域时，该车辆在编码的停车振动带上通过将自动起动车辆轮胎的数据传输或其它一些轮胎数据相关的事件。
现在参照图6(a)，示意了另一种在射频识别器件和外部器件或系统之间传送数据的示例性的配置。特别地，示意于图6(a)的配置可以指定为一个接触写入/非接触读取的配置。更特别的是，射频识别器件130可以在与其它外围组件一起的一个配置中与微控制器142结合起来，允许通过外部器件，可能是外部的计算机或其它类型的控制器件，将数据通过外部连接器J1或通过相关传感器在所监控轮胎的工作期间获得的自收集数据写入到射频识别器件和微控制器。例如，要写入到射频识别器件130和微控制器142中的数据也可以从包括示例性示意的温度传感器190在内的与微控制器142相关的不同的传感器获得。也可以采用其它类型的传感器，或者是单独的，或者与温度传感器190结合起来。这些传感器可以包括压力传感器，运动传感器，电压、电流或功率传感器，或任何其它类型的轮胎参数或电相关的传感器，只要对于任一给定的安装合适即可。通过连接器J1从外部器件写入到微控制器142和射频识别器件130的数据可以用来控制与微控制器142或射频识别器件130的工作相关的某些操作或参数。例如，外部提供的数据可以用来建立从射频识别器件130读取数据的可编程的临界值，或者可以作为与特定器件配置相关的制造数据源(相关的序列号，制造日期和/或地点，等等)。
本技术这一实施例的接触写入/非接触读取配置的一个显著的方面在于这样一个事实尽管接触可编程器件通常是用于数据不变(也就是，只读)模式，本技术却允许在变化数据模式使用接触可编程器件。工作期间，当有电能时，例如，在轮胎旋转期间当相关的压电发电机/传感器可能正在给器件供电时，微控制器142可以将数据写入到射频识别器件130内的一个非易失性存储器。任意一段时间以后，即便没有可用于操作微控制器142的电能，所写入的数据仍能够利用一个与射频识别天线132相关的标准射频识别探询器以标准方式读出，因为探询器的射频场会给射频识别器件132供电，而微控制器142可以保持断电状态。这种类型的接触写入/非接触读取操作可能在涉及轮胎电子线路的应用中具有特殊的优势，因为这种应用能够避免卸掉轮胎来靠近电子器件及从中读取数据的需要。
再次参照图6，一辆依据本主题使用具有自供电旋转计数器的轮胎组合件的车可以仅仅配备一个用于从每个轮胎结构获取无线发射信息的接收器。在这种情况下，信息从每个车轮组合件发射到射频接收器96，所接收到的信息从载波信号中解调并提供给信号处理器98。还可以从射频接收器96提供一个载波探测信号给信号处理器98。射频接收器96的数据输出和载波探测信号优选在信号处理器98中相乘以获得一个没有杂散噪声的信号。这个具有减少的误差几率的数据信号然后优选发送到一个驱动电路，该驱动电路将数字信号转换为具有适于通过RS232接口传输到主机100的电平的信号。主机100优选装有终端仿真软件，以便所接收到的数据转换为诸如提供在可读显示模块上的终端用户很容易就可以使用的信息。
如前所述，在苏醒期间，如果微控制器42确定终端40已接收到一个脉冲，就会对所探测到脉冲的相关参数以及与轮胎相关的其它工作情况进行分析。这一分析的主要目标是确定所探测到的脉冲是否是一个有效的轮胎旋转脉冲，如果是，就增加一个计数以保持对轮胎总转数的准确计数。用于分析脉冲的技术可以最佳描述为用于轮胎旋转计数的速度自适应cadence分析算法，诸如现在分别参照图3-5要讨论的。工作期间，压电片10产生一个如图3所示的可以随机械和电气工作情况，尤其是电气负载电流而变的波形。通常，开路波形包括两个正脉冲51、53和两个负脉冲52、54。边界脉冲51、54通常幅值较低而持续时间较长；中间脉冲52、53通常幅值较高而持续时间较短。但是，当电信号如图4所示那样整流，并从中提取电流来操作电子器件时，信号特征可以显著地改变。结果导致信号经半波整流后，有时每旋转一周显示两个脉冲，也就是一个双峰61(图4)，有时每旋转一周显示一个脉冲或显示如双峰63那样的大小极其不同的脉冲。此外，来自压电片附近的诸如撞击、裂缝、碎片等的路面干扰可以产生无关的脉冲。因此，不可能仅仅通过对脉冲计数来准确地确定旋转的实际数目。需要对信号做一个更智能的分析。
当前技术分析来自于压电片10的信号并用速度自适应cadence分析来确定实际旋转数目。图5中的方块图描述了这种算法的示例性步骤，现在将做更详细的讨论。当轮胎开始旋转时，集成轮胎电子线路在超过最小工作速度的最开始的几圈之后起动，当前的旋转计数被初始化为接近于零的值。一旦轮胎电子线路被激活，一个圆形缓冲器在步骤70针对最近的n+1个脉冲记录轮胎的旋转周期或在连续的脉冲之间的消逝时间，由此产生n个时间周期测量值。所检验的周期测量值n的数目可以变化，但在一个示例性的实施例中，n可以设成6。所述时间可以通过对脉冲到脉冲间微控制器苏醒的次数计数来测量。微控制器42在大部分时间处于休眠模式以将能耗降至最低，但响应于一个每隔20毫秒左右就超时的监视定时器而苏醒，由此时间分辨率对应于所述的20毫秒的时间周期，然而，可以使用任意多种方法来测量消逝时间，因此本发明并不受特定的消逝时间测量需求的限制。
还是参照图5，在步骤72分析圆形缓冲器中存储的n个值以确定周期测量值中的最大值。所确定的最大值作为变量TMAX。当信号40中探测到下一个脉冲时，在步骤74从先前所探测到的脉冲测量当前消逝时间，并将这个当前测量的时间值作为变量TC。继续到步骤76，比较TC和步骤72所确定的圆形缓冲器中的最大值TMAX。如果当前时间(TC)大于或等于TMAX的一半，就视这个脉冲为有效的，并且在步骤78增加旋转计数器的读数。如果当前时间(TC)小于TMAX的一半，就拒绝这个脉冲。不管怎样，在步骤80将当前时间(TC)记录到圆形缓冲器中。如果当前时间(TC)大于当前存储在圆形缓冲器中的最大时间TMAX，就在下一轮的步骤72将TMAX变量作为当前时间(TC)。
应了解的是，尽管在前述示例性的算法中用于比较的时间临界值是TMAX的一半，依据当前公开的技术也可以使用其它特定的TMAX的分数值。
当轮胎继续滚动时，就重复前述的探测、分析和转数计数的过程，并且随着每一个有效的轮胎旋转而增加当前的旋转计数。当轮胎减速到低于一个最小速度并且压电元件产生的功率电平降低到工作所必需的临界值之下时，就将当前的转数计数加入到轮胎的使用期计数，并且将所更新的使用期计数存储在诸如相关的微控制器中存在的非易失性存储器中。
如果对于每一个旋转探测到一个单脉冲，时间值(稳定速度时)就将等于TMAX，并且每一个脉冲都将作为一个旋转而计数。如果对于每一个旋转探测到如图4所示的双峰61，就将对第一个脉冲计数而拒绝第二个脉冲，因为第二个脉冲出现在前一个脉冲之后太快(少于TMAX的一半)。如果没有旋转、一些旋转或所有旋转产生了一个双峰，效果是一样的；每一个旋转都被正确地计数过。Cadence分析算法被设计成拒绝公路噪声及双峰。在前一脉冲之后早于TMAX的一半所产生的任何单个杂散的脉冲都应被拒绝。任何晚于TMAX的一半所产生的杂散的脉冲都应被计数，但这将使下一个脉冲丧失被计数资格。所以，无论噪声脉冲何时产生，都应保持正确的转数计数。即便是多重噪声脉冲，也就是噪声双峰或三峰，也都会被拒绝，除非它们频繁地产生而干扰了缓冲器。
Cadence分析算法还自动适应测量脉冲间时隙的时钟的频率的变更或漂移。这种对频率漂移的适应允许使用低成本的时钟，诸如通常用于对价格敏感的微控制器的R-C时钟，来代替陶瓷谐振器、石英晶体或其它价格较高的高准确度的时钟生成方法，尽管如果想要的话，可以使用其中任意的一种。此外，cadence分析算法自动适应轮胎速度的变化。在一些旋转没有被计数之前的最大可允许的加速度，不论是正是负，或对一个单个的杂散脉冲不正确地计数，都是轮胎速度和圆形缓冲器的函数。增加缓冲器的尺寸就增强了噪声抗扰性并减小了最大可允许的加速度。
应了解的是，依据本主题还可以采用转数计数以外的数据分析。其它分析的目标涉及收集其它轮胎相关数据和计算相关统计资料，以用于存储及以后取回。例如，参照图6，可以在轮胎电子线路中提供对情况做出响应的器件90和92，并将其连接到微控制器42。应了解的是，可以使用任意特定数目的对情况做出响应的器件，而且对环境做出响应的器件90和92可以相应于包括传感器、转换器、声学器件(如表面声波器件)或针对与轮胎或相关车轮组合件环境相关的输入情况的改变而提供某种输出的其它组件，但并不仅限于此。这些对情况做出响应的器件可以用来监控任意数目的轮胎或车轮特征，包括但并不限于温度、压力、轮胎转数、车速和作用于轮胎结构或与轮胎结构相关的三维静态力和动态力的大小(如侧壁偏转或轮胎置换)。所监控的环境情况可以包括温度、气压和轮胎及车的特定情况，诸如旋转速度、行驶的总里程数、时间/温度关系和其它参数。
从对情况做出响应的器件90和92得到的数据可以和已经描述的所确定的旋转计数结合起来以提供更特别的轮胎数据分析。例如，一个或多个对情况做出响应的器件可以是温度和/或压力传感器，由此提供一种记录在不同温度和/或压力范围内所经历的旋转数目的方法。考虑温度这种情况，应注意的是，由于在升高温度下的旋转趋于更快地磨损轮胎，因此与在不同温度范围旋转相关的信息可能比一个简单积累的使用期转数计数要有用得多。这个以及其它的高级分析相对于传统的机械轮胎旋转计数器提供了显著的优势，并将在下面讨论进一步的例子。
更特别的轮胎数据分析的另一个例子是在不同的轮胎速度确定轮胎旋转数目。可以通过分析压电片的电输出随时间的变化来确定轮胎速度。速度可以通过测量轮胎的旋转周期(脉冲间的时间)或测量脉冲频率(每单位时间的脉冲)或测量脉冲长度来确定。这提供了一种记录在不同工作速度下轮胎旋转数目的方法，如果想要，也可以提供一种记录在不同速度下工作时间的方法。
高级轮胎数据分析的另一个例子是相应于轮胎偏转确定轮胎旋转。可以通过测量轮胎接触片(contact patch)的长度来确定轮胎偏转。可以通过分析压电片的电波形来确定接触片的长度。美国专利5,749,984(Frey等人)公开了确定气胎的轮胎偏转量的示例性技术的其它细节，在此为了所有目的并入这些细节以供参考。有关轮胎偏转的信息提供了一种记录在不同偏转量所经历的转数的方法，因为偏转主要受负载和压力的影响。
微控制器42的存储器中可以存储许多其它类别的信息，用于随后从轮胎结构通信。例如，存储数据可以包括能唯一识别一个特定的单个轮胎的产品ID。这样一种识别变量可能对跟踪诸如卡车队、飞机等的商业应用中的轮胎和车辆特别有用。可以用识别变量来帮助在各个轮胎的整个寿命中提供全面的轮胎描述和分析，这些轮胎可能被经常移动到不同的车轮位置或甚至不同的车辆，还可能好几次被翻新。
尽管已经针对特殊的实施例对本主题做了详细的描述，应了解的是，本领域的技术人员在理解前述的基础上，可以很容易就对这些实施例进行变更、变化或找出等价物。因此，当前公开的范围仅仅是为了示例，而不是为了限制，并且主题公开并不排除包括对本主题做的这些更改、变化和/或增加，因为这对本领域普通的技术人员而言是显而易见的。
权利要求
1.一种自供电计数器，其包括一个对运动做出响应并配置以产生发电机输出信号的发电机，所述发电机输出信号由指示所述运动的脉冲描述；一个功率调节器，其配置用来接收所述发电机输出信号并产生调节输出电压；一个脉冲探测器，其配置用来接收所述发电机输出信号并产生一个探测信号，所述探测信号对任一个从所述发电机接收到的符合第一预定标准的脉冲具有各自的脉冲指示；和一个微控制器，其配置用来从所述功率调节器接收工作电能并从所述脉冲探测器接收所述探测信号，进一步编程所述微控制器以确定在符合第二预定标准的所述探测信号中的所选脉冲指示积累值。
2.如权利要求1所述的自供电计数器，其中所述发电机包括一个压电器件。
3.如权利要求1所述的自供电计数器，其中第一预定标准随所述功率调节器的输出电压而变化。
4.如权利要求1所述的自供电计数器，其中第二预定标准包括在所述探测信号中预定数目的连续脉冲间符合预定的时间关系。
5.如权利要求4所述的自供电计数器，其中所述微控制器还包括一个包含至少n个存储区域的圆形缓冲器，其中所述微控制器被进一步编程以测量所述脉冲探测器连续脉冲指示间的消逝时间，在所述圆形缓冲器中存储n个连续的消逝时间测量值，比较当前消逝时间测量值Tc与存储在所述圆形缓冲器中的最大消逝时间测量值TMAX的大小，并视消逝时间测量值大于或等于TMAX预定分数值的任一脉冲为有效。
6.如权利要求5所述的自供电计数器，其中TMAX预定分数值为TMAX/2。
7.如权利要求1所述的自供电计数器，其进一步包括一个与所述微控制器连接的射频发射器件，用于有选择性地将存储在与所述微控制器相关的存储器中的信息发射到远处。
8.如权利要求1所述的自供电计数器，其进一步包括至少一个对情况做出响应的器件，用于感知与温度和/或压力有关的环境信息。
9.如权利要求1所述的自供电计数器，其中所述微控制器被进一步配置以确定与从包括温度、压力、时间和速度的组中所选的至少一个次级变量相关的旋转数据。
10.如权利要求1所述的自供电计数器，其进一步包括一种与所述微控制器连接的连接装置，用于接收来自远处的即将存储在与所述微控制器相关的存储器中的信息。
11.一种自供电轮胎旋转计数器，其包括一个对轮胎旋转做出响应并配置用来产生发电机输出信号的压电元件，所述发电机输出信号由指示所述轮胎旋转的脉冲描述；一个功率调节器，其配置用来接收所述发电机输出信号并产生输出电压；一个脉冲探测器，其配置用来接收所述发电机输出信号并产生一个探测信号，所述探测信号对任一个从所述发电机接收到的符合第一预定标准的脉冲具有各自的脉冲指示；和一个微控制器，其配置用来从所述功率调节器接收工作电能并从所述脉冲探测器接收所述探测信号，进一步编程所述微控制器以确定在符合第二预定标准的所述探测信号中的所选脉冲指示积累值。
12.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其中第一预定标准随所述电源的输出电压而变化。
13.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其中第二预定标准包括在所述探测信号中预定数目的连续脉冲间符合预定的时间关系。
14.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其中所述微控制器还包括一个包含至少n个存储区域的圆形缓冲器，并且其中所述微控制器被进一步编程以测量所述脉冲探测器连续信号间的消逝时间，在所述圆形缓冲器中存储n个连续的消逝时间测量值，比较当前消逝时间测量值Tc与存储在所述圆形缓冲器中的最大消逝时间测量值TMAX的大小，并视消逝时间测量值大于或等于TMAX预定分数值的任一脉冲为有效。
15.如权利要求14所述的自供电轮胎旋转计数器，其中TMAX预定分数值为TMAX/2。
16.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其进一步包括一个与所述微控制器连接的射频发射器，用于有选择性地将存储在与所述微控制器相关的存储器中的信息中继到远处。
17.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其进一步包括至少一个对情况做出响应的器件，用于感知与温度和/或压力有关的信息。
18.如权利要求11所述的自供电轮胎旋转计数器，其中所述微控制器被进一步配置以确定与从包括温度、压力、时间、速度和轮胎偏转的组中所选的至少一个次级变量相关的轮胎旋转数据。
19.一种气胎，其包括一个以胎冠表现的轮胎结构，其具有一个外胎面部分、胎缘部分、位于每个胎缘部分和所述胎冠之间的外侧壁部分和沿所述胎冠内部及侧壁面的内衬底；和一个自供电轮胎旋转计数器，包括一个对轮胎旋转做出响应并配置用来产生发电机输出信号的发电机，所述发电机输出信号由指示所述轮胎旋转的脉冲描述；一个脉冲探测器，其配置用来接收所述发电机输出信号并产生一个探测信号，所述探测信号对任一个从所述发电机接收到的符合第一预定标准的脉冲具有各自的脉冲指示；和一个微控制器，其配置用来从所述脉冲探测器接收所述探测信号，所述微控制器被进一步编程以确定在符合第二预定标准的所述探测信号中的所选脉冲指示积累值。
20.如权利要求19所述的气胎，其中所述发电机包括一个压电器件。
21.如权利要求19所述的气胎，其进一步包括一个功率调节器，该功率调节器配置用来接收所述发电机输出电压并产生调节输出电压以给所述微控制器供电。
22.如权利要求21所述的气胎，其中第一预定标准随所述电源的输出电压而变化。
23.如权利要求19所述的气胎，其中第二预定标准包括在所述脉冲发生器中预定数目的连续信号间符合预定的时间关系。
24.如权利要求19所述的气胎，其中所述微控制器还包括一个包含n个存储区域的圆形缓冲器，所述微控制器被进一步编程以测量所述脉冲探测器连续信号间的消逝时间，在所述圆形缓冲器中存储n个连续的消逝时间测量值，比较当前消逝时间测量值与存储在所述圆形缓冲器中的最大消逝时间测量值TMAX的大小，并视消逝时间测量值大于或等于TMAX/2的任一脉冲为有效。
25.如权利要求19所述的气胎，其中所述自供电轮胎旋转计数器固定在轮胎的内衬底上。
26.如权利要求19所述的气胎，其中所述自供电轮胎旋转计数器固化在轮胎结构内。
27.一种旋转元件完成旋转的计数方法，所述方法包括以下步骤提供一个发生器，其配置成当探测到一个重复的预定情况时产生一个信号脉冲；测量第一和第二信号脉冲间的消逝时间以产生一个当前测量时间值；存储当前测量时间值；比较当前测量时间值与以前存储的测量时间值的预定分数值的大小；如果当前测量时间值大于或等于以前存储的测量时间值的预定分数值的大小，就确认所述探测脉冲代表一个完全的旋转；及重复所述测量、存储、比较和确认步骤以累积一个所述旋转元件的总旋转计数。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述比较步骤应用于预定最近数目的存储测量时间值的最大时间值的预定分数值。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述比较步骤应用于预定最近数目的存储测量时间值的最大时间值的一半。
30.如权利要求29所述的方法，其中存储测量时间值的预定最近数目等于6。
31.如权利要求27所述的方法，其中当前测量时间值存储在一个圆形缓冲器中。
32.一种在射频识别器件和远处之间通信数据的方法，包括以下步骤提供一个微控制器，所述微控制器包括处理器部分、存储器部分、输入部分和输出部分；提供一个射频识别器件，所述射频识别器件包括存储器部分、输入部分和输出部分；连接微控制器的输出部分到射频识别器件的输入部分；提供至少一个传感器，所述传感器响应一个或多个感知的情况产生可变数据；和连接所述至少一个传感器到微控制器的输入部分；由此，由传感器产生的可变数据可以存储在射频识别器件的存储器部分。
33.如权利要求32所述的方法，其进一步包括以下步骤提供一个与微控制器输入部分连接的电耦合器件；连接一个外部数据源到所述电耦合器件；和从所述外部数据源发射数据，由此，数据可以直接发射到微控制器并传给射频识别器件去存储。
34.如权利要求32所述的方法，其进一步包括提供一个连接到射频识别器件输出部分的射频发射器件的步骤，由此，由传感器产生的存储在射频识别器件存储器部分的可变数据可以发射到远处。
35.如权利要求33所述的方法，其进一步包括提供一个连接到射频识别器件输出部分的射频发射器件的步骤，由此，存储在射频识别器件存储器部分的数据可以发射到远处。
36.如权利要求32所述的方法，其进一步包括以下步骤提供一个移动感应发电机；提供一个功率调节器以调节所述移动感应发电机所发的电；和由所述功率调节器给微控制器提供工作电能，由此，微控制器在移动感应发电机运动和随后的发电时可以操作，从而允许将可变数据从所述一个或多个传感器记录到微控制器和/或射频识别器件的存储器部分。
37.如权利要求36所述的方法，其进一步包括提供一个连接到射频识别器件输出部分的射频发射器件的步骤，由此，存储在射频识别器件存储器部分的数据可以发射到远处。
全文摘要
一种自供电轮胎旋转计数器包括一个移动感应发电装置，一个功率调节器、一个脉冲探测器、一个微控制器和一个可选的射频发射器件。在一个示例性的实施例中，发电装置相当于一个压电片，在运动过程中提供工作电能和指示轮胎旋转的脉冲信号。功率调节器接收来自发电装置的发电机信号并产生能为包括微控制器在内的相关电子器件供电的调节输出电压。脉冲探测器接收发电机信号，而且只要发电机信号符合预定条件就产生一个探测信号。编程微控制器以确定在符合预定标准的探测信号中的所选脉冲指示的当前值和使用期积累值。当轮胎旋转、发电装置通过功率调节器供电时，诸如温度、压力、轮胎偏转和/或车速的轮胎环境相关参数的数据可以存储在微控制器中。可以直接从外在源向微控制器提供其它数据，并通过直接电接触或选择性射频发射从微控制器中读取。
文档编号G01D5/249GK1721213SQ20051008381
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月7日 优先权日2004年7月7日
发明者P·A·廷德尔, G·P·奥布赖恩, T·R·特卓 申请人:米其林技术公司, 米其林研究和技术股份有限公司