CN1243622A - 用于无接触地传输信息及能量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对无线地工作的、无自带电源的数据存储器无接触地传输信息及能量的装置。通过电感及电容耗合,以电感应及电容耦合方式在不中断供电的情况下同时地进行写及读的全双工数据传输。

Description

用于无接触地传输信息及能量的装置

本发明涉及权利要求1前序部分的用于无接触地传输信息及能量的装置。在此情况下该装置用于无自带电源的、无线地工作的数据存储器，它具有数据读装置形式的所属供电控制单元，其中设有电容耦合元件及其中在不中断能量传送的同时执行数据传送。

由DE 4017934 C2公知了一种从应答站无线地询问信息的装置。在该装置中应答站通过询问站的无线询问信号被供给必要的能量。在此情况下，通过电容器这样容性地进行能量及数据的传输，即在询问站中一个发生器产生交变电压，该交变电能通过电容器被传送到应答站并在那里被整流。由此应答站得到必要的电能，并同时利用传输来的交变电压信号，由其构成一时钟信号，它一方面控制由应答站待输出的数据位流，另一方面用于构成数据传输信号。

也公知了其它的方法及装置，其中能量通过线圈经电感耦合传输。数据反向传输在此情况下是通过传送单元的负载变化来实现的，这将必然地总是引起能量传输的中断或至少影响到能量传输，即产生干扰。

由DE3714195 A1公知了一种在供电的主电子单元及无供电的、具有储能电路的部分电子单元之间无接触地传输能量及数据的方法。这里能量及数据交换由微控制器这样地控制，即通过耦合元件来交替传输能量及数据。由此必然地在数据传送期间中断能量的传送。

此外，从DE4130903 A1可得知一种用于识别系统的无接触能量及数据传输系统，它具有一个供电的原单元及一个次单元。这些单元将通过电感耦合彼此联系。对次单元的数据传输是通过对电能脉冲的调制来实现的。在此情况下能量传输意味着数据输入，而无能量传输意味着数据为零。因此在零数据传输时将必然中断能量的传输。由次单元向原单元的数据回送是通过负载变化实现的，由此对能量的供给产生不利影响。

在欧洲专利0441237 A1中描述了一种可携带的可场编程的检测卡。该发明的任务在于，建立一种简单、节省位置的、尤其是在大距离上可编程的检测卡。在此情况下，通过写/读装置的调制耦合来影响谐振回路本身。该影响表现的形式是，在检测卡中的PPM编码电路信号的解码器受到这样的控制，即在检测卡的存储器中的数据通过场调制写入。

ED 3928561 A1公开了一种全双工应答-发送系统，其中询问装置发出一个由调制影响的载波。在此情况下，与询问信号一起对应答发送器发送接收到的脉冲状询问信号波及另一未调制的作为能量波的载波。然后应答发送器由接收的能量波输出一个直流电压，并同时对此产生二次谐波分量。应答发送器对此信号调制，然后将二次谐波分量与一应答信号构成脉冲状应答信号波。接着将该应答信号波传送给询问装置。

所有这些属于现有技术的传输系统具有其缺点，即在数据传送或数据反向传送期间出现能量传送的中断。

因此，在所有上述属于现有技术的装置或系统中，在数据传送期间将对能量传送产生不利影响，这必然地减小了读的距离，或在活动站及固定站之间预定距离的情况下使数据传送易受到干扰或使其明显减缓。

此外，大部分装置或系统需要多个发生器的同步。这类数据传输及同时的能量传输将成本很高。

因此，本发明的任务在于，对DE 4017934 C2的现有技术这样地改善，即建立一种价廉物美的、工作可靠的、用于无接触地同时传送能量及数据的装置。

该发明的任务将根据独立权利要求1的特征来解决。这里，提供一种用于无接触地传送能量及数据的装置，它尤其用于无接触地工作的数据存储器的结构。这里数据存储器将由一控制单元无接触地通过相位突变调制及频率调制写入，及同时该数据存储器将无接触地通过电感耦合元件被供电。在此情况下，在读或写周期中能量传输能连续不中断地及不受影响地进行，因此可在较高抗干扰性的情况下达到存储单元的特别大的读及写距离。因此通过连续的能量传送可进一步消除干扰因素的影响。这类无接触地读和写的数据存储器可作为个人识别系统，商品种类、工具、集装箱等的识别系统使用。在所有应用中，在此情况下首先要做到，在尽可能大距离上在干扰影响、如数据存储器振动或电磁干扰下能可靠地传输数据。在此情况下改善抗干扰性的实质因素在于，进行足够好的能量传输。当能量传输达到完善时，数据反向传输(读/写)也就能以大能量进行。

此外，有优点的是，不使用通常所使用的振幅调制，因为在信息载体形式的数据存储器、例如支票卡或另外载体及控制装置之间即使是较小的距离变化-如它们在振动时必然出现的，也总将导致不需要的振幅调制。

由现有技术所指出的使用工作在高频区的天线线圈传输能量及数据是相对易受干扰的，因为通过另外发送器的信息传输会引起高次谐波及干扰。关于干扰电平规程及距离的法律条款将进一步导致对设计的明显限制。

因为无接触的信息及能量传输装置通常涉及一种传输系统，故数据存储器被看作是位置可变化的装置。相反地，数据读装置及所属的用于能量传输的振荡回路被看作是位置固定的。因此数据存储器通过感应被供给其必要能量。对数据存储器的数据传输通过电容来实现，这是通过能量的传输的频率调制来形成的。同时使用一个时钟信号作为数据读出的同步信号。

本发明确定了一种全双工传输方法，其形式是同时地持续发送或传输能量及数据。在此情况下，将电能发送并在另一侧进行整流。数据的发送通过频率偏移来实现，在电容被接通的时刻，频率将强制地被降低。

以下将借助于概要图示的可能实施例对本发明作详细说明，附图为：

图1：具有数据读装置及能量发生器的数据存储器的电路框图；

图2：具有数据读装置及振荡回路的逻辑单元；

图3：数据存储器；

图4：具有移相器的图2的单元；

图5：在数据读装置内的电压波形；

图6：在数据读装置内的电压波形；

图7：在数据读装置内的电压波形；

图8：电感耦合元件上的电压波形；

图9：在电感耦合元件另一侧上的电压波形；

图10：对图9波形相移90°的电压波形；

图11：脉冲频率；

图12：读出站上的脉冲频率；

图13：从数据存储器到数据读装置的数据接收。

如在图1中电路框图所示，用于无接触的信息及能量传输的装置基本上由一个数据存储器1、一个振荡回路3、一个数据读装置4及一个逻辑单元10组成。其中逻辑单元10不仅控制用于产生供给数据存储器1的能量的振荡回路3，后者最好作为自控制串联振荡回路构成，以保证在最大可能振荡能量的情况下最佳的数据传输，而且同时控制数据读装置4。这些控制通过连接线8、9来表示。振荡回路3的能量将通过电感耦合元件2、5传送给数据存储器。相反地，数据读装置装有电容器板6、11，它们以这样的方式对应于数据存储器1方面所属的电容器板7，12，即不仅能读出数据而且能写入数据。逻辑部分10及振荡回路3、数据读装置4以及相应的电感耦合元件5和电容器板6、11一起可被看作发送站，它是固定的。相反地，数据存储器1是位置可变的，并根据由结构确定的距离，当小于一确定距离时将与发送站可进行通信。

为了能传输能量，必须具有振荡回路，它呈相应高电阻地被供电。属于现有技术的并联振荡回路作为阻塞振荡回路工作，它具有不能传输足够能量的缺点，因此使用了串联振荡回路3，它以这样的形式工作，即在对方侧，就是在数据存储器1侧同样具有一个振荡回路，后者以相同的谐振频率振荡。在此情况下将感应出相应电流，该电流一直向上摆动，直到其损耗的值大到不再上升为止。如果能量入出平衡，即输入能量及损耗为恒定，则在发送站侧回收必要的能量。当该振荡回路失调或受负荷时，即以另外的频率如以较低频率的负荷振荡时，则产生相反的效应，虽然能量传输下降，但不会中断。该属于现有技术的方案将会导致，在电感耦合的情况下，相应的电容短时地短路并由此在该时刻能量不能被传送。根据本发明的构思将能消除该缺点，这时将通过逻辑单元10经连接线44控制一个FET晶体管41。该晶体管通过一根连接线42将一个电容器40的附加电容量连接到该振荡电路现有的电容量上，即附加在电容器29、31上。该振荡电路基本上由电感耦合元件5及电容器29、31组成。在连接电容器31的电容量的电感耦合元件5上将通过一根连接线39连接到一个电阻37和一个电容器38的RC组合。该RC组合的另一端经过一根连接线34与一个比较器32相连接。该比较器32的另一输入端接地33。该比较器的输出端将通过连接线35与一驱动器30相连接，并同时经由连接线36与数据读装置4内的一个模拟开关48相连接。如果电压向上摆动到最大值，它将通过电阻37及电容38的RC组合的相移引起比较器32的开关过程。比较器32的输出端32将改变其状态，其结果是，该电压跃变通过驱动器30传送给电容器29。正好在曲线峰值时输入一个信号。在图8上表示出测量点63上的曲线波形，其中该曲线以及下述的曲线，将坐标表示为电压相对时间的变化。该图表示的曲线波形是一个正弦波(边沿)，它具有在峰值点上的跃变，该跃变通过逻辑单元10的开关过程产生，后者的波形表示在图11上并传送到测量点66上。在图9上测量点64上的波形表现为图8中波形的镜象，在该波形中未包含在峰点上具有的跃变。通过电阻37及电容38的RC组合产生一相移，它被表示在图10中。对此的测量点是点65。

数据的发送通过频率偏移来实现，即，在电容器40通过FET晶体管41接通的时刻，使振荡回路的频率变低。

由电感耦合元件5传送的能量被数据存储器1的电感耦合元件2接收。电容器13与电感耦合元件2相并联。通过电感耦合元件2接收的能量将在整流器14中被整流并用来对在该数据存储器1中设有的元件进行供电。该数据存储器1基本上由一个控制器16组成，该控制器通过连接线19由一频率调制器15发送来一个确定的频率模式。由该感性耦合元件2控制一个施密特触发器18，后者通过连接线20、17、22一方面与频率调制器15相连接，并通过连接线21与控制器16相连接。此外还有一个逻辑组件XOR23。该组件23将由控制器16经由连接线24控制。该逻辑组件XOR23通过连接线25与电容器板7相连接。同时通过连接线26控制一个门24，它执行信号反相。门24的输出端通过连接线27与电容器板12相连接。

振荡回路3中形成的信号通过连接线36和模拟开关48及其触头45、47、49、50这样地控制，即经由连接线54、55将信息传送到电容器板6、11上。该信息则传送给对方的数据存储器1的电容器板7、12。当数据位变化时，将通过XOR23达到实际180°的相移。通过该信号的反相在电容器板6、7之间建立起电压场。由此将同时传送一个针状脉冲，在图13上表示的该脉冲是在数据读装置4中测量点68上测出的。它将引起，电流总是在陡沿上被触发，并同时由该信号使模拟开关48的触头45、47、49、50接通。这将引起，例如一个逻辑1通过连接线57使信息继续传送到比较器58。同样，比较器58的第二输入端经连接线56接受模拟开关48的控制。比较器58的输出端连接到带通滤波器59的输入端，以抑制传输信息(数据)中的噪声。带通滤波器59的输出端与施密特触发器60相连接，后者的输出端经过连接线61与逻辑单元10相连接。同时，逻辑单元10经过连接线52与设在模拟开关48的触头50之间的门51，并经由连接线53相连接。通过该门51使连接线36上的并经由振荡回路3的连接线46输入的信号反相。

由比较器58输出的信号表示在图5上。该信号的测量点是69。在带通滤波器59的输出端的测量点70上测出一信号，它被表示在图6中。与图5相对比从该图上可以清楚的看出，所有的噪声已从信息中滤去，及在边沿上、即信息变化时在带通滤波器59的输出端70上形成针状脉冲。该针脉冲将在施密特触发器60中被转换成相应的信息，该信息在测量点71上测出并表示在图7上。

在该系统中视耦合强度而定基本时钟将发生相移，因此有必要如图4所示地，在振荡回路3及数据读装置4之间连接一个移相器62。通过该移相器62将自动地由逻辑单元10控制到最佳相位状态并由此对模拟开关48进行控制，即如果数据读出有错，移相器62将一直被中间接入，直至通过移相使数据传输又自动地被平衡。

Claims (10)

1.用于无接触地传输信息及能量的装置，尤其用于无自带电源的、无线地工作的数据存储器，它具有数据读装置形式的所属供电控制单元，其中设有电容耦合元件，其中在不中断能量传送的同时执行数据传输，其特征在于：数据存储器(1)经过电感耦合元件(2、5)被供给必要的能量，并同时地通过电容耦合元件使用频率调制对数据存储器(1)进行数据传输。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于：该数据传输包括全双工数据传输。

3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于：对于能量传输使用自控串联振荡回路(3)。

4.根据权利要求1及2的装置，其特征在于：数据传输通过各属于数据读装置(4)及数据存储器(1)的两个电容器的极板对(6、7、11、12)来实现。

5.根据权利要求1及4的装置，其特征在于：一个发生器产生频率调制的交变电压信号，它通过电感耦合元件(2，5)传送到数据存储器(1)，并在那里被整流，及在数据读装置(4)中由传送的交变电压信号构成用于数据传送的一个时钟信号。

6.根据权利要求5的装置，其特征在于：由该时钟信号通过频率调制得到向数据存储器(1)传送的位模式信号，并同时控制从存储单元待输出的数据位模式的输出及用来构成数据传输信号。

7.根据以上权利要求中一项或多项的装置，其特征在于：数据读装置(4)由逻辑组件与一个E²-Prom的连接构成。

8.根据以上权利要求中一项或多项的装置，其特征在于：在数据读装置(4)中设有一个E²-Prom，它对供给电能的过零时间点进行测量。

9.根据以上权利要求中一项或多项的装置，其特征在于：在串联振荡回路(3)及数据读装置(4)之间连接有一个移相器(62)。

10.根据权利要求9的装置，其特征在于：移相器(62)被逻辑单元(10)控制。

Images