CN103597502B - 半双工无源应答器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无源半双工应答器，包括：谐振电路，通过天线和输入电容器形成，且布置为在它周期性地经由天线从读取器接收激活信号时允许电学信号（32）在该谐振电路中振荡；至少一个开关，布置在输入电容器和存储电容器之间，使得在开关导通时该两个电容器并联布置；以及峰值电压检测器，布置为测量谐振电路中振荡的电学信号的幅度。该应答器布置为在传输周期期间将采集脉冲传送到谐振电路，从而振荡电学信号至少维持某一幅度。为了实现这点，应答器包括用于定义用来触发采集脉冲的可变电压阈值的电路，且布置为在该振荡电学信号的一个极值之前的相应周期中且在具有所述极值的交替中，在振荡电学信号的电压基本到达可变电压阈值时触发每个采集脉冲。

Description

半双工无源应答器
技术领域
本发明涉及使用读取器以交替方式发射数据的半双工无源应答器领域。这种类型的应答器包括由天线和输入电容器形成的谐振电路、布置在谐振电路下游即布置在所述电路后的整流器以及布置在整流器下游的能量存储电容器。应答器从周期性发射激活信号的读取器接收其操作所需的能量，该激活信号可以由连续载波信号形成。该激活信号也可以在读取器向应答器发送命令或数据时被调制。应答器在读取器不传送激活信号的时间周期中发送调制信号，尤其是频率调制信号（FSK调制）。为实现这点，通过用于将输入电容器临时并联连接到所述存储电容器的开关使用存储在存储电容器中的能量在谐振电路中维持振荡信号。常规方法包含使用存储电容器周期性地对谐振电路供电短持续时间以在至少某一周期（在该周期期间应答器发送调制信号）维持足够的振荡幅度以及优选地接近存储电容器电压的峰值电压。该方法已知为“采集（plucking）”且将在下文中引用。
背景技术
上述类型的应答器和“采集”方法从美国专利No5,621,396已知。尤其是作为应答器的质量因子的函数，为了优化对谐振电路的电力供应，即为了提供足够的电力以在最大持续时间上维持谐振幅度，该文档建议在谐振电路中布置用于谐振信号的峰值检测器且将在谐振信号的半循环中检测的峰值与参考电压进行比较。只要峰值低于该参考电压，则谐振电路经由开关供电。电力仅通过相同的脉冲周期性地提供；电力频率因此根据应答器的质量因子变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种无源半双工应答器，其具有用于优化谐振电路中振荡信号的维持效率的相对简单的控制电路。
本发明因此涉及一种无源半双工应答器，包含：
－谐振电路，由天线和输入电容器形成，且布置为在它周期性地跨越天线从读取器接收激活信号时允许电学信号在谐振电路中振荡；
－整流器，布置在谐振电路的下游；
－能量存储电容器，布置在整流器的下游；
－至少一个开关，布置在输入电容器和存储电容器之间，使得在开关导通（ON）时两个电容器并联布置；
－峰值电压检测器，布置为测量谐振电路中振荡的电学信号的幅度；
其中，应答器布置为当激活信号中断时在传输周期中向读取器发送至少一个通信信号，且在该传输周期期间在谐振电路中传送“采集”脉冲以在至少维持振荡电学信号的某一幅度的同时维持电学信号的振荡。该应答器还包括用于限定可变电压阈值的电路，该可变电压阈值用于触发所述“采集”脉冲，该可变电压阈值确定电路针对每个“采集”脉冲或针对每组连续“采集”脉冲限定指定电压阈值，该指定电压阈值绝对值低于相对于振荡电学信号的中间电压由峰值电压检测器测量的最后峰值电压且取决于所述最后测量的峰值电压。应答器布置为在振荡电学信号的一个极值之前的相应周期中且在该极值的半循环中，在振荡电学信号的电压基本到达指定电压阈值时触发每个“采集”脉冲。
振荡电学信号的“中间电压”意味着谐振电路中每个半循环的两个极值的电压。
根据本发明的优选变型，可变电压阈值确定为使得它位于相对于振荡电学信号的中间电压测量的在最后峰值电压的50%和90%之间包括的范围内。
根据本发明的优选变型，峰值电压检测器在振荡电学信号的每个振荡的第一半循环中测量峰值电压，且在每个峰值电压测量之后，可变电压阈值确定电路重新限定在相同振荡的第二半循环中触发“采集”脉冲所需的指定阈值电压。
将在下面本发明的详细描述中陈述本发明的其他特定特征。
附图说明
下面将参考通过非限制性示例给出的附图描述本发明，附图中：
－图1是本发明的应答器的实施例的一般结构的示意图。
－图2示出在应答器向与之通信的读取器发射响应信号的周期中由全波整流器跟随的应答器的谐振电路中振荡的电学信号的变型。
－图3是根据本发明的变型用于控制“采集”脉冲的固定参考电压的选择的示意图。
－图4是根据本发明的另一变型用于控制“采集”脉冲的可变参考电压的选择的示意图。
－图5是图4的变型。
具体实施方式
图1示出无源半双工应答器2的一般实施例的电子电路，其包括：
－谐振电路4，通过天线6和输入电容器8形成，布置为在应答器周期性地跨越天线从读取器（未示出）接收激活信号时允许电学信号在谐振电路中振荡；
－全波整流器10，布置在谐振电路的下游；
－能量存储电容器12，布置在整流器的下游；
－逻辑电路14；
－用于产生时钟信号16的装置；
－调制器18，连接在逻辑电路的输入和谐振电路的输出处；
－第一开关20，布置在输入电容器8和存储电容器12的第一端子8a之间，使得在端子8a上出现的振荡电学信号的半循环中，在开关20导通（ON）时两个电容器并联布置；
－第二开关21，布置在输入电容器8和存储电容器12的第二端子8b之间，使得在端子8b上出现的振荡电学信号的半循环中，在开关21导通（ON）时两个电容器并联布置；
－峰值电压检测器22，布置为至少周期性地测量谐振电路4中振荡的电学信号32的峰值电压34A、34B、34C。
“峰值电压”一般表示振荡信号的一个极值的电压值。在全波整流器和图1中示出的电路配置的情况中，峰值检测器从两个输入电容器端子8a和8b交替地在输入处接收整流的半循环。检测器因此接收如图2所示的信号32，每个振荡具有两个半循环，每个半循环限定正峰值电压。在具有半波整流器的其他变型中，取决于两个端子8a和8b其中一个是连接到地还是Vdd（或Vcap），可以得出两种情况之间的不同。在端子8b保持连接到地的情况中，仅正半循环被整流且仅这些正半循环的峰值电压可以被测量。在端子8a保持连接到Vdd（或Vcap）的情况中，端子8b上的电压将基本在0和2Vdd之间变化。在后一种情况中，存在高于Vdd的最大值和低于Vdd的最小值（最大值和最小值限定极值）。“采集”脉冲在具有电压最小值的半循环中提供，且它是峰值电压检测器检测的这些电压最小值。使用半波整流器，仅需要连接到可变电压终端的一个开关。
图1的应答器2布置为借助于调制振荡电学信号的调制器18在激活信号中断的传输周期中向读取器发送至少一个切换信号。图2示出当在谐振电路的电容器8的端子8a和8b处交替出现时的振荡电学信号32。一般地，逻辑电路14控制开关20和/或开关21以传送在谐振电路4中的“采集”脉冲以至少在传输周期中维持某一幅度的同时维持振荡电学信号。逻辑电路布置为通过改变“采集”脉冲的持续时间控制开关20和/或开关21，从而在应答器传输周期期间经由存储电容器12管理谐振电路的电功率供应，且优选地从而优化电功率供应。“采集”脉冲的持续时间被称为“采集持续时间”。优选地，逻辑电路14布置为步进地改变“采集持续时间”。应答器2还包括限制器24、电压调节器26、功率管理电路28以及非易失性存储器30。
一般地，在优选变型中，至少在应答器经由其天线6发射RF通信信号时，峰值电压检测器22至少周期性地测量谐振电路4中振荡的电学信号的半循环中的峰值电压（极值）。该峰值电压被逻辑电路14处理以确定至少在振荡电学信号的一个后续半循环中的“采集”持续时间（“采集”脉冲的持续时间），且确定所述至少一个后续脉冲中每个“采集”脉冲的开始（即触发），使得每个“采集”脉冲的触发在振荡电学信号的一个极值之前的相应周期且在所述极值的半循环中出现。
根据优选变型，当应答器向读取器发送通信信号时，在谐振电路的每个振荡的第一半周期测量峰值电压且“采集”脉冲PL0、PL1、PL2然后在振荡的第二半周期中传送，如图2所示。在这种情况中，两个开关20、21其中一个是不必要的。峰值电压测量发生在不连接到开关的电容器8的端子上出现的每个半循环中且“采集”脉冲在连接到开关的电容器的另一端子上出现的每个后续半循环中传送。应当注意，另一变型也可以被设计，其中该测量在低于振荡频率的较低频率处执行且可以用于确定若干“采集”脉冲的发送。应当注意，可以布置“采集”脉冲以使用比振荡频率低的频率周期性地传送。
根据特定变型，当在一个半循环中测量的峰值电压高于第一参考电压时，逻辑电路至少在下一半循环中减小“采集”持续时间。作为能量存储电容器12的初始电压的函数且也可能作为应答器质量因子的函数且因而作为在缺少任意电源时谐振电路中振荡电学信号的衰减的函数，或等价地，当电容器对谐振电路供电以维持振荡电学信号的基本恒定的幅度时，作为在应答器传输周期期间的存储电容器端子上的电压下降的函数，第一参考电压优选地通过应答器本身确定。
根据第一具体变型，第一参考电压在应答器发射通信信号的每个周期中保持恒定。在该变型中，恒定值可以在存储器30中预定义且写入，或作为初始存储电容器电压即在传输周期开始时所述电容器的电压值的函数通过应答器确定。根据第二具体变型，第一参考电压是在所述传输周期中所述存储电容器电压的函数。在该第二变型中，可以区分应答器操作的三种特定情况。在第一种情况中，第一参考电压的曲线被预定义且存储在应答器存储器中。在第二种情况中，函数是预定义的，尤其是仿射直线的负斜率，但是曲线的水平即其初始值确定为存储电容器的初始值的函数。在第三种情况中，存储电容器的电压至少在传输周期期间被周期性地测量且根据测量至少步进地确定第一参考电压。
根据另一变型，当峰值电压低于第二参考电压（该第二参考电压低于第一参考电压）时，逻辑电路至少在下一半循环中增加所述“采集”持续时间。根据针对第一参考电压提及的相同标准，该第二参考电压优选地通过应答器本身确定。还应当注意，第二参考电压可以简单地确定为第一参考电压的函数。举例而言，这两个参考电压之间的差异可以是恒定的或它们之间的比例可以是恒定的。因而，根据第一变型，第二参考电压通过应答器在通信信号传输的每个周期中保持恒定。根据第二具体变型，第二参考电压是所述传输周期中所述存储电容器电压的函数或是第一参考电压的函数。
为了节省电能量，当应答器向读取器发送通信信号时，在某一数目的振荡周期之后，峰值电压仅周期性地被测量。在该操作模式中，在特定变型中，“采集”持续时间在该某一数目的振荡周期形成的每个周期中是恒定的。
在图2中示出的变型实施例中，第二参考电压与所述第一参考电压相同且形成相同的信号参考电压VRef。在每个振荡周期的第一半周期中，即谐振电路4中振荡的电学信号的每个周期中，峰值电压34A、34B、34C通过峰值电压检测器22测量。在每个振荡周期的第二半周期中，提供“采集”脉冲PL0、PL1、PL2（除了在这种特定情况：其中“采集”持续时间将在允许这种情况的特定变型中减小为0）。
峰值电压34A、34B、34C的检测用于涉及维持电学信号振荡且维持用于读取器的足够幅度这两个功能，以从应答器接收通信/响应信号；同时以最佳方式管理存储电容器中可用的能量。第一功能是该峰值电压与参考电压VRef的比较以调节“采集”脉冲的持续时间。在图2所示的特定变型中，当测量的峰值电压34A低于VRef时，逻辑电路14通过用于至少下一“采集”脉冲PL1的给定步长使得“采集”持续时间增加到大于前一“采集”脉冲PL0的持续时间D0的持续时间D1。当测量的峰值电压34B高于VRef时，逻辑电路通过用于至少下一“采集”脉冲PL2的给定步长使得“采集”持续时间减小到比D1短的持续时间D2。
为了减小能量消耗，峰值电压测量和与VRef的比较可以在某一数目的振荡周期（例如，每4个或5个谐振周期）之后仅周期性地发生，且脉冲的持续时间因而仅在该某一数目的振荡周期之后调节。“采集”脉冲的持续时间因而贯穿若干谐振周期是恒定的，在该“采集”持续时间中的变型步进地执行。在特定变型中，用于增加“采集”持续时间的步长值不同于用于减小“采集”持续时间的步长值，且尤其更高。在另一变型中，步长值在传输周期中改变，尤其一旦观察到“采集”持续时间增加和减小的交替，则步长值减小。
根据有利变型，逻辑电路布置为将所述“采集”持续时间增加到高达给定最大持续时间。优选地，当获得该最大持续时间时，考虑的传输周期中的后续“采集”脉冲具有最大持续时间且“采集”持续时间的调节暂停以节省能量。应当注意，还可以针对“采集”脉冲提供最小持续时间。
图3是原先描述的变型的示意图，其中参考电压VRef布置为在每个传输周期中是恒定的。该参考电压被选择为在应答器传输周期的结尾在时间t1至少具有存储电容器VCap和VRef之间的最小电压差异ΔVmin。优选地，参考电压值在传输周期的开始在时间t0被限定为初始存储电容器电压的函数。在更多改进的实施例中，可以周期性地测量电压VCap且如果在时间t1之前获得ΔVmin，则参考电压减小，从而至少维持该最小电压差异。
因而，在指定变型中，通过应答器在信号传输周期中仅提供VCap的第一测量。VRef的水平因而确定为初始存储电容器电压的函数。在较简单的变型中，参考电压根据提供的谐振电路和应答器的质量因子预定。其因此保持固定。在更复杂的变型中，VCap中的变化用于确定在该周期期间参考电压值是否由于应答器的特定或非标准行为、尤其由于特定环境应当被有利地修改。然而，该后一变型使用更多的电能量。
图4是其中参考电压VRef在传输周期中减小的变型的示意图。VRef优选地是VCap的函数。尤其是，VRef是VCap的比例或仿射函数。VCap的值可以被周期性地测量且根据提供的函数在每次测量之后再次确定VRef。应当注意，函数的参数可以是固定，且预定或确定为VCap的初始值的函数。此外，它们甚至可以作为VCap中变化的函数改变。
图5示出其中参考电压曲线跟随存储电容器电压的曲线的特定变型。换句话说，VCap和VRef之间的差异ΔV基本保持恒定。
在参考电压VRef变化的变型中，尤其如图4和5所示，可以针对每个后续谐振周期或针对某一数目的后续谐振周期重新计算该参考电压曲线。然而，也可以想到其他操作模式。在特定变型中，针对应答器信号传输周期中的VRef提供的负线斜率是预定义的且被引入到存储器30中（然而，其值可尤其可以特别取决于选择的天线6和/或潜在应用等）。在这种情况中，可以提供也是预定义的初始值，或确定为VCap的初始值的函数的初始值；其然后确定VRef的曲线的平均水平。在另一更复杂的变型中，可以提供一种类型的专家系统，其确定在初始应答器测试或初始化模式中应答器的操作期间的斜率的值。作为各种标准的函数，尤其是在传输周期的开始作为初始存储电容器值的函数，该专家系统可以集成用于调节斜率的各种参数。该初始化模式可以周期性地激活以考虑应答器的时效。很明显，可以针对参考电压限定不同于直线的曲线。
取决于应用的类型、应用的安全水平以及通过应答器发射的信号的长度，本领域技术人员将能够限定适当的参考电压曲线行为以优化存储电容器对于谐振电路的供电。本领域技术人员将考虑这一事实的能量平衡：值的测量和比较增加应答器功耗，且它们将优化测量和比较频率以改变“采集”脉冲的持续时间且如有必要改变参考电压值。
根据本发明，测量谐振电路中振荡的电学信号的峰值电压的第二功能是将可变阈值电压确定为峰值电压的函数，阈值电压的每次新确定用于限定至少一个后续半循环中至少一个“采集”脉冲的开始。每个新阈值电压值被确定为峰值电压检测器测量的最后峰值电压的函数。应当注意，当峰值电压仅在某一数目的振荡周期之后被周期性测量时，该测量可以用于限定用于触发一组若干连续“采集”脉冲的阈值电压。
如图2所示，“采集”脉冲优选地在振荡电学信号32的电压峰值（极值）附近的区域中传送。根据本发明，每个“采集”脉冲的开始处于振荡电学信号的极值之前的相应周期和所述极值的半循环中。这优化了能量传输且限制了振荡电学信号中谐波的产生，即它限制失真，尤其在“采集”脉冲相对长时。实际上，当振荡电学信号的电压增加时，不像在下降侧面中传送脉冲的情况，上升侧面中“采集”脉冲的产生在振荡的自然方向中前进。接下来，可变电压阈值被限定以控制“采集”脉冲的触发，由此可变电压阈值相对于谐振电信号的中间电压在绝对值中低于振荡电学信号的前面的峰值电压测量，且是所述峰值电压的函数即取决于峰值电压。例如，该可变电压阈值等于相对于振荡电学信号的中间电压在前面的半循环中测量的峰值电压的80%。优选地，相对于振荡电学信号的中间电压，选择处于通过峰值电压检测器进行的最后测量中获得的峰值电压的50%至90%之间的范围内的电压阈值。
在图2中示出的优选变型中，在每个振荡中在第一振荡半循环中实施峰值电压测量。对于在每个振荡的第二半循环中提供的每个“采集”脉冲，逻辑电路确定电压阈值为峰值电压34A、34B或34C的函数以控制采集脉冲的开始，即采集脉冲的触发。因而，阈值电压被动态地控制以触发采集脉冲；这确保这些脉冲全都以优选方式发生。这种相对简单的电路，即峰值电压检测器和用于限定可变电压阈值（例如正比于测量的峰值电压值）的电路优化从存储电容器到谐振电路的能量的传输。在其他实施例中，例如通过电阻分割器或通过切换的电容器形成电压阈值确定电路。
优选地，为了产生一个或更多采集脉冲，最后峰值电压测量用于限定用于触发采集脉冲或多个脉冲的电压阈值。该电压阈值因此作为振荡电路中振荡的电学信号的幅度的函数步进地改变。
最后，应当注意，根据本发明，测量振荡电学信号的峰值电压的该第二功能还可以在半双工无源应答器中有利地实施，该半双工无源应答器不使用上述峰值电压检测器的第一功能。因而，本发明还覆盖那种类型的实施例。

Claims (14)

1.半双工无源应答器(2)，包括：
－谐振电路(4)，通过天线(6)和输入电容器(8)形成，且布置为在应答器周期性地跨越天线从读取器接收激活信号时允许电学信号(32)在谐振电路中振荡；
－整流器(10)，布置在谐振电路的下游；
－能量存储电容器(12)，布置在整流器的下游；
－至少一个开关(20，21)，布置在输入电容器和存储电容器之间，使得在开关导通(ON)时两个电容器并联布置；
－峰值电压检测器(22)，布置为测量在所述谐振电路中振荡的所述电学信号(32)的幅度；
其中，所述应答器布置为当所述激活信号中断时在传输周期中向所述读取器发送至少一个通信信号，且在所述传输周期期间在所述谐振电路中传送“采集”脉冲以在至少维持所述振荡电学信号的某一幅度的同时维持所述电学信号的振荡；所述应答器的特征在于，该应答器包括：用于限定可变电压阈值的电路，该可变电压阈值用于触发所述“采集”脉冲；所述可变电压阈值确定电路，针对每个“采集”脉冲或针对每组连续“采集”脉冲限定指定电压阈值，该指定电压阈值绝对值低于由所述峰值电压检测器相对于所述振荡电学信号的中间电压所测量的最后峰值电压且取决于所述最后测量的峰值电压；且应答器布置为在所述振荡电学信号的一个极值之前的相应周期中且在所述极值的半循环中，在所述振荡电学信号的电压到达所述指定电压阈值时，触发每个“采集”脉冲。
2.根据权利要求1所述的无源应答器，其特征在于，所述可变电压阈值被限定为处于相对于所述振荡电学信号的中间电压的最后测量的峰值电压的50％至90％之间的范围内。
3.根据权利要求1所述的无源应答器，其特征在于所述整流器是全波整流器。
4.根据权利要求3所述的无源应答器，其特征在于，峰值电压检测器在所述振荡电学信号的每个振荡的第一半循环中测量峰值电压，且在每个峰值电压测量之后，所述可变电压阈值确定电路重新限定用于在相同振荡的第二半循环中触发采集脉冲的所述指定电压阈值。
5.根据权利要求3所述的无源应答器，其特征在于，应答器包括分别布置在输入电容器和存储电容器的两个端子之间的两个开关(20，21)，从而在所述振荡电学信号的每个半循环中传送采集脉冲。
6.根据前述权利要求其中任一项所述的无源应答器(1)，其特征在于该无源应答器还包括：
－逻辑电路(14)；
－用于产生时钟信号16的装置(16)；
－调制器(18)，连接在逻辑电路的输入和谐振电路的输出处，所述开关通过所述逻辑电路控制；
并且所述逻辑电路通过改变被称为“采集持续时间”的所述采集脉冲的持续时间(D0，D1，D2)在所述传输周期期间通过所述存储电容器管理谐振电路的供电。
7.根据权利要求6所述的无源应答器，其特征在于，所述峰值电压检测器测量的每个峰值电压通过所述逻辑电路(14)处理以确定振荡电学信号的跟随或后续半循环中至少一个跟随采集脉冲的所述采集持续时间。
8.根据权利要求7所述的无源应答器，其特征在于，逻辑电路布置为步进地调节采集持续时间。
9.根据权利要求7所述的无源应答器，其特征在于，当所述峰值电压值高于第一参考电压时，所述逻辑电路减小至少一个跟随采集脉冲的所述采集持续时间。
10.根据权利要求9所述的无源应答器，其特征在于第一参考电压是所述传输周期中所述存储电容器的电压(VCap)的函数。
11.根据权利要求9所述的无源应答器，其特征在于，当峰值电压值低于第二参考电压时，所述逻辑电路增加至少一个跟随采集脉冲的所述采集持续时间。
12.根据权利要求11所述的无源应答器，其特征在于第二参考电压是所述所述传输周期中所述存储电容器的电压(VCap)或第一参考电压的函数。
13.根据权利要求11所述的无源应答器，其特征在于所述第二参考电压等同于所述第一参考电压(VRef)。
14.根据权利要求1所述的无源应答器，其特征在于，当应答器向所述读取器发送所述通信信号时，仅在所述振荡电学信号的某一数量的振荡周期之后周期性地测量所述峰值电压。
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