基于RFID的时钟弹簧设计

2014-05-25高军年刘关孙学龙刘洁婷

汽车电器 2014年7期

关键词：读写器电子标签电路板

高军年，刘关，孙学龙，刘洁婷

（1.兰州科庆仪器仪表有限责任公司，甘肃兰州 730010；2.兰州吉利汽车工业有限公司，甘肃兰州 730010）

基于RFID的时钟弹簧设计

高军年1，刘关2，孙学龙2，刘洁婷2

（1.兰州科庆仪器仪表有限责任公司，甘肃兰州 730010；2.兰州吉利汽车工业有限公司，甘肃兰州 730010）

随着汽车工业的不断发展和汽车设计的多样化，在汽车设计中为了更好地体现以人为本的理念，为了方便驾驶员的操作和节约空间，转向盘上已经越来越多地集成了功能按键开关，比如音响功能开关、巡航开关、车载电话开关等。同时，为了安全问题，还在转向盘上安装了驾驶员气囊系统，而所有的这些功能都需要通过转向盘管柱上的时钟弹簧把转向盘上的动态电子部件与车身上静态电子部件的通信通道连接起来。时钟弹簧的可靠性决定着转向盘上所有电子部件能否正常工作，也就极大地影响着整车的品质。

1 时钟弹簧的结构

时钟弹簧从结构上有2种：一种是绕线结构，其内部结构如图1所示；另外一种是弹簧簧片结构。

绕线结构的时钟弹簧原理是：呈涡旋状的柔性扁平电缆的一端随转向盘的左右转动而一起转动，当转向盘顺时

针转动时，线轴受顺时针转动力矩，扁平电缆被卷紧，卷紧后的电缆各圈紧抱在线轴上；当转向盘逆时针转动时，线轴受逆时针转动力矩，扁平电缆被松开，扁平电缆各圈被压紧在时钟弹簧壳体的内部边缘上。在汽车运动时，由于转向盘一直处于顺时针和逆时针的运动中，扁平电缆同样会处于不断地被卷紧和松开的状态中，极易出现机械疲劳而断裂，造成绕线结构的时钟弹簧失效。

对于弹簧簧片结构的时钟弹簧，它用弹簧簧片替代了柔性结构中的时钟弹簧。弹簧簧片随着转向盘的转动与其内部的固定滑槽形成滑动接触，从而完成动态电子部件和静态电子部件之间的信号传递。但是，由于弹簧簧片触头在滑动中极易出现氧化现象，造成接触不良，使得弹簧簧片结构的时钟弹簧可靠性较差。

2 基于RFID技术的时钟弹簧设计

基于RFID（射频识别，RadioFrequency IDentification）的时钟弹簧硬件包括：固定组件、旋转组件、固定组件电路板、旋转组件电路板4部分。

固定组件固定在车身上；旋转组件固定在转向盘管柱上，其相对于转向盘管柱是不动的，但其随着转向盘及管柱相对于车身的转动而转动。固定组件和旋转组件的结构示意图如图2所示。

2.1 固定组件设计

固定组件由5个模块构成，其分别是：RFID读写器天线、RFID读写器电路模块、固定组件CPU电路模块、固定组件输入输出接口模块、DC／DC电源模块，如图3所示。

2.2 旋转组件设计

旋转组件由6个模块构成，其分别是：RFID电子标签电源天线、RFID电子标签电源模块、RFID电子标签信号天线、RFID电子标签电路模块、旋转组件CPU电路模块、旋转组件输入输出接口模块，如图4所示。

3 基于RFID技术的时钟弹簧运行原理

3.1 时钟弹簧各组件的连接

基于RFID的时钟弹簧中固定组件和旋转组件成圆筒状，被套装在转向盘管柱上，三者同处于一条中心轴上。旋转组件和转向盘管柱围绕共同的中心轴线同步转动，固定组件相对于旋转组件而静止。固定组件和旋转组件之间留有一定的间隙。

固定组件中镶嵌有RFID读写器天线，旋转组件中镶嵌有RFID电子标签电源天线和RFID电子标签信号天线。RFID读写器天线又与RFID读写器电路模块相连接，RFID电子标签电源天线与RFID电子标签电路模块相连接，RFID电子标签信号天线与RFID电子标签电路模块相连接。固定组件电路板被固定在车身某一特定位置，与固定组件形成相对静止状态，旋转组件电路板被固定在转向盘上，与旋转组件形成相对静止状态。

3.2 时钟弹簧的运行过程

时钟弹簧运行时，DC／DC电源模块从整车电源中取得直流电压12V，并将此直流电压12V转换为固定组件电路板中所需的直流电压VCC。固定电路板得电后，其中的RFID读写器电路模块便通过RFID读写器天线向旋转组件电路板发射无线电查询信号，此无线电信号是为了查询旋转组件电路板中旋转组件输入输出接口模块的状态变化情况。

对于旋转组件电路板，其电源是通过RFID电子标签电源天线接受RFID读写器天线发射的无线电查询信号，经RFID电子标签电源模块的处理，得到直流电压VCC，并输出给旋转组件电路板所用。旋转组件电路板得到RFID电子标签电源模块提供的直流电压VCC后开始运行。

此时，转向盘上的各种电子部件的状态将通过与其连接的旋转组件输入输出接口模块传输给旋转组件CPU电路模块，经旋转组件CPU电路模块的处理，将转向盘上的各种电子部件的状态实时地传输给RFID电子标签电路模块，并通过RFID电子标签信号天线以无线电的形式发送给固定组件电路板。固定组件电路板通过其RFID读写器天线接受RFID电子标签信号天线发送的转向盘上电子部件的状态信号，并将此信号传输给RFID读写器电路模块进行处理，然后再传输给固定组件CPU电路模块，最后再传输给固定组件输入输出接口模块，输出给与之相连接的其它汽车电子部件。

同理，其它汽车电子部件也可将其信号传输给转向盘上的电子部件。由此完成转向盘上电子部件与其它汽车电子部件的信号传输功能，实现了基于RFID的时钟弹簧装置的作用。