AT398145B - Kontaktloses, induktives datenübertragungssystem zwischen mindestens einer sende- und empfangsstation und einem oder mehreren transpondern - Google Patents

Description

AT 398 145 B

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontaktloses, induktives Datenübertragungssystem zwischen mindestens einer Sende- und Empfangsstation und einem oder mehreren Transpondern, wobei für die Energieübertragung einerseits und für die Datenübertragung anderseits sowohl in der Sende- und Empfangsstation als auch im Transponder zwei räumlich getrennte oder unterschiedlich ausgerichtete Antennenspulen vorgesehen sind, wobei über eine Spule der Sende- und Empfangsstation ein HF-Signal zur Übertragung von Energie und vorzugsweise Takt an den Transponder ausgesendet wird, wobei an die entsprechende Spule des Transponders ein Gleichrichter für das empfangene HF-Signal zu Energieversorgung des Transponders sowie vorzugsweise eine Schaltung zur Aufbereitung des Taktsignals zur Transpondersynchronisation angeschlossen sind und wobei über die jeweils andere Spule der Sende- und Empfangsstation und des Transponders die Daten übertragen werden. • Ein derartiges Datenübertragungssystem ist aus DE-C-34 47 560 bekannt. Gemäß dieser Patentschrift weist sowohl die Sende- und Empfangsstation als auch der Transponder zwei räumlich getrennte Spulen auf. Über eine Spule der Sende- und Empfangsstation wird ein HF-Signal übertragen, das von einer der beiden Spulen des Transponders empfangen wird. An diese Spule ist ein Gleichrichter angeschlossen, der die zur Versorgung des Transponders benötigte Energie liefert; weiters ist an diese Spule eine Schaltung zur Aufbereitung des Taktsignals angeschlossen, die aus dem empfangenen HF-Signal das Taktsignal für den Mikroprozessor erzeugt. Gemäß dieser Patentschrift wird an die zweite Spule der Sende- und Empfangsstation auch ein HF-Signal angelegt; dessen Frequenz entspricht der des anderen HF-Signals und dessen Phasenlage wird bezüglich des anderen HF-Signals je nach der zu übertragenden Information geändert. Die Übertragung von Information in der Gegenrichtung, also vom Transponder zur Sende- und Empfangsstation, erfolgt durch Belastungsmodulation, und zwar durch Belastungsänderung an beiden Spulen, damit die Zuordnung der Spulen der Sende- und Empfangsstation zu den Spulen des Transponders vertauscht werden kann.

Die Datenübertragung und Datenabfrage zwischen einer gegebenenfalls stationären Sende- und Empfangsstation und einer oder mehreren auch adressierten Transpondern ist eine in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen sehr häufig anzutreffende Aufgabenstellung. Beispiele dafür sind die automatische Straßenmauteinhebung durch selbsttätige Kontaktabbuchung, sobald ein fahrzeugseitiger Transponder eine Sende- und Empfangsstation einer Mautstelle passiert. Identitätsausweise können im reinen Lesebetrieb kontrolliert werden und Zutrittskontrollsysteme ermöglichen die Ermittlung des Umfanges einer Sperrberechtigung und protokollieren die individuellen Zutritte. Bei Werkzeugwechselsystemen auf Werkzeugmaschinen kann die Steuerung aufgrund der an den einzelnen Werkzeugen vorgesehenen Transponder vorgenommen werden, wobei die Transponderdaten Kenngrößen über Werkzeugtypen und Standzeit einschließlich einer Fehlerkorrekturinformation vermitteln.

Das oben beschriebene Datenübertragungssystem erlaubt keine großen Reichweiten, weil sonst die Zuordnung der Spulen der Sende- und Empfangsstation zu denen des Transponders nicht mehr gewährleistet wäre. (Bei größeren Entfernungen zwischen Sende- und Empfangsstation einerseits und Transponder anderseits empfangen beide Spulen des Transponders eine Mischung der beiden von der Sende- und Empfangsstation ausgesendeten HF-Signale.) Sinnvolle Applikationen für dieses System sind elektronische Schlösser oder Wertkartensysteme mit Auflage- und Einzugsleser.

Ein Nachteil dieses bekannten Systems ist die relativ niedrige Übertragungsgeschwindigkeit, will man extrem breitbandige HF-Signale vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Datenübertragungssystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß hohe Übertragungsraten erzielbar sind. Weiters soll ein hoher Miniaturisierungsgrad sowohl beim Transponder als auch bei der Sende- und Empfangsstation erreichbar sein, und der Energieverbrauch soll gering sein.

Diese Aufgaben werden durch ein Datenübertragungssystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Datenübertragung die jeweilige Sendespule mit einem je nach der zu übertragenden Information positiven oder negativen Stromimpuls beaufschlagt wird, sodaß in der Empfangsspule ein Doppelimpuls, nämlich ein positiver und ein negativer bzw. ein negativer und ein positiver Spannungsimpuls, die knapp aufeinanderfolgen, induziert werden, und daß die Reihenfolge der Impulse in den Doppelimpulsen als digitale Information ausgewertet wird.

Es wird also die zur Datenübertragung vorgesehene Spule der Sende- und Empfangsstation (bzw. des Transponders) nicht mit einem modulierten HF-Signal angesteuert, sondern mit der zu übertragenden Information selbst. Dabei steht ein Stromstoß in eine Richtung für eine zu übertragene "1" und ein Stromstoß in der entgegengesetzten Richtung für eine zu übertragende ”0". Es wurde nämlich überraschend gefunden, daß das durch diese Stromstöße induzierte Magnetfeld ausreicht, um Daten zuverlässig zu übertragen, soferne der Abstand zwischen den Spulen nicht allzu groß ist. Damit entfällt der Aufwand für die Modulation und Demodulation eines Trägersignals, sodaß eine stärkere Miniaturisierung erzielbar ist und 2

AT 398 145 B der Energieverbrauch niedriger wird. Außerdem sind höhere Übertragungsraten erzielbar.

Das induzierte Magnetfeld ist dem Strom proportional: ψ(t) ~ l(t). Die vom Magnetfeld in der Empfangsspule induzierte Spannung ist der zeitlichen Ableitung des Magnetfeldes proportional:

U(tW 3q>(t) a t *

Dadurch ergeben sich aus unipolaren Stromimpulsen in der Empfangsspule Doppelimpulse (bezogen auf die Spannung), nämlich ein positiver und ein negativer bzw. ein negativer und ein positiver Spannungsimpuls, die knapp aufeinanderfolgen. Je nachdem, ob eine "0" oder eine "1" übertragen wurde, ist der erste Impuls positiv oder negativ, sodaß die übertragene Information ausgewertet werden kann.

Es ist zweckmäßig, wenn die Datenübertragungsschaltung der Sende- und Empfangsstation und die des Transponders mit Ausnahme der Antennenkreise monolithisch integriert sind. Dadurch, daß die Datenübertragung auf relativ einfache Weise erfolgt, ist eine vollständige Integration einfach möglich, und die Größe der Schaltungen und die Herstellungskosten sind dementsprechend gering.

Vorzugsweise werden die zur Datenübertragung verwendeten Stromimpulse durch Frequenzteilung des HF-Signals gewonnen. Dadurch sind zusätzliche Taktgeneratoren entbehrlich.

Eine besonders einfache Auswerteschaltung für die empfangenen Doppelimpulse ist dadurch gekennzeichnet, daß Komparatoren zur Bestimmung der Reihenfolge der Impulse in den Doppelimpulsen vorgesehen sind.

Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Sende- und Empfangsstation: Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines Transponders: und Fig. 3 die zur bidirektionalen Datenübertragung verwendete Signalform.

Die in Fig. 1 dargestellte Sende- und Empfangsstation 1 weist zwei voneinander räumlich getrennte oder unterschiedlich ausgerichteten Antennenspulen 9,10 auf. Eine der Spulen, nämlich 10, wird kontinuierlich mit einem Signal konstanter Frequenz aus einem Oszillator 7 über einen Treiber 8 angesteuert. Sie dient zur Übertragung von Energie und des Systemtaktes an den Transponder. Über die andere Spule 9 erfolgt bidirektionale Kommunikation. Um kurze Stromimpulse l(t) (s.Fig. 3) zu erzeugen, müssen spannungsmäßig Doppelimpulse U(t) erzeugt werden, weil die Spule integrierend wirkt: l(t) = l / U(t)dt

Derartige Doppelimpulse werden im Pulsfolgegenerator 3 erzeugt. Die Signalform der Impulsfolge wird in ihrem zeitlichen Ablauf vom Oszillator 7 bestimmt; ob zuerst der positive oder der negative Impuls kommt (und somit ein positiver oder ein negativer Stromimpuls erzeugt wird) hängt von den zu übertragenden Daten ab (vgl. Rg. 3). Die Doppelimpulse werden in einem Tri-State-Treiber 4 verstärkt und von dort an die Spule 9 geführt. Im Empfangsbetrieb ist der Tristatetreiber 4 hochohmig abgeschaltet, sodaß die im Transponder 11 auf äquivalente Art und Weise generierten und ausgesendeten Daten in der Empfangsspule 9 empfangen und von einer Komparatorschaltung 5 aufgrund der Polarität der Doppelimpulse detektiert werden können. Wie weiter oben bereits ausgeführt, entspricht das empfangene Spannungssignal der zeitlichen Ableitung des Magnetfeldes und somit auch der zeitlichen Ableitung des Stromes l(t) in der Sendespule. Damit ist das empfangene Spannungssignal dem im Pulsfolgegenerator erzeugten Spannungssignal proportional. (Vgl.Fig.3) Über eine Rechnerschnittstelle 2 kann ein übergeordneter Leitrechner angeschlossen werden. Die Kontrolleinheit 6 steuert die logischen Abläufe und die Kommunikation zwischen Sende- und Empfangsstation und Leitrechner bzw. Transponder.

Der in Fig. 2 dargestellte Transponder 11 weist zwei voneinander räumlich getrennte oder unterschiedlich ausgerichtete Antennenspulen 21,22 auf. In eine der Spulen, nämlich 21, wird bei Annäherung an die Spule 10 der Sende- und Empfangsstation 1 ein entsprechendes Wechselsignal eingekoppelt. Dieses Signal wird einerseits in einem Gleichrichter 12 und einem Spannungsregler 13 zur Spannungsversorgung des Transponders aufbereitet, wobei die Überschreitung der erforderlichen Minimalbetriebsspannung in einem Pegeldetektor 15 detektiert wird. Andererseits wird dieses Signal in einer Schaltung zur Aufbereitung des Taktsignals 14 digitalisiert und der Transponderschaltung als Systemtakt zugeführt. Über die andere Spule 22 erfolgt bidirektionale Kommunikation. Gleich wie bei der Sende- und Empfangsstation 1 dienen pulsfolgegenerator 17 und Tristatetreiber 16 für den Daten-Sendebetrieb bzw. eine Komparatorschaltung 18 für den Daten-Empfangsbetrieb. Als Speicher 20 können unterschiedliche Medien wie EEPROM, ROM, RAM mit Stützbatterie, Drahtbrücken oder ähnliches eingesetzt werden. Die Kontrolleinheit 19 steuert die logischen Abläufe, die Kommunikation zur Sende- und Empfangsstation 1 und die Schnittstelle zum 3

Claims (4)

1. AT 398 145 B Speicher 20. Patentansprüche 1. Kontaktloses, induktives Datenübertragungssystem zwischen mindestens einer Sende- und Empfangsstation und einem oder mehreren Transpondern, wobei für die Energieübertragung einerseits und für die Datenübertragung anderseits sowohl in der Sende- und Empfangsstation als auch im Transponder zwei räumlich getrennte oder unterschiedlich ausgerichtete Antennenspulen vorgesehen sind, wobei über eine Spule der Sende- und Empfangsstation ein HF-Signal zur Übertragung von Energie und vorzugsweise Takt an den Transponder ausgesendet wird, wobei an die entsprechende Spule des Transponders ein Gleichrichter für das empfangene HF-Signal zur Energieversorgung des Transponders sowie vorzugsweise eine Schaltung zur Aufbereitung des Taktsignals zur Transpondersynchronisation angeschlossen sind und wobei über die jeweils andere Spule der Sende- und Empfangsstation und des Transponders die Daten übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Datenübertragung die jeweilige Sendespule (9; 22) mit einem je nach der zu übertragenden Information positiven oder negativen Stromimpuls (l(t)) beaufschlagt wird, sodaß in der Empfangsspule (22; 9) ein Doppelimpuls (U(t)), nämlich ein positiver und ein negativer bzw. ein negativer und ein positiver Spannungsimpuls, die knapp aufeinanderfolgen, induziert werden, und daß die Reihenfolge der Impulse in den Doppelimpulsen (U(t)) als digitale Information ausgewertet wird.
2. 2. Kontaktloses, induktives Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragungsschaltung der Sende- und Empfangsstation und die des Transponders mit Ausnahme der Antennenkreise monolithisch integriert sind.
3. 3. Kontaktloses, induktives Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Datenübertragung verwendeten Stromimpulse durch Frequenzteilung des HF-Signals gewonnen werden.
4. 4. Kontaktloses, induktives Datenübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Komparatoren zur Bestimmung der Reihenfolge der Impulse in den Doppelimpulsen vorgesehen sind. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 4