CN1685361A - 用于确定移动数据载体能量存储器的能量状态的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定数据载体的能量存储器的能量状态的装置，在该数据载体中，借助稳压器从能量存储器具有的不稳定的直流电压引导出为该移动数据载体供电的稳定直流电压。设置了一个连接到所述能量存储器上的处理电路，该处理电路包括一个辅助电容器和一个对该辅助电容器的充电时间进行测量的测量电路。在所述处理电路的输出端提供一个描述所述能量存储器的能量状态的量。

Description

用于确定移动数据载体能量存储器的能量状态的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定移动数据载体能量存储器的能量状态的装置。这种装置例如可以与无接触的识别系统结合使用。

背景技术

无接触的识别系统在无接触的传输技术的基础上工作。该技术可以基于电磁传输或者借助于光、红外或超声信号的传输。这种系统例如用于识别人或者诸如交通工具的运动物体。为此，必要的数据从一个发送/接收设备通过无接触的数据传输段(例如通过一空气接口)传送到一数据载体并传回。在此，无接触的识别技术还在数据载体经过发送/接收设备期间采集数据，而不必将该数据载体插入到或者穿过一个读/写设备。这种数据载体例如作为具有可电子充值的存款的车票使用，其中，自动扣除使用交通工具的各费用。

DE 69123887T2公开了一种IC卡，其可以检测内置电池的电压降。为此，该IC卡具有一个数据传输/接收装置、一个数据处理装置、一个充电装置、一个比较装置以及一个时间测量装置，等等。

DE 10054970A1公开一种控制穿心电容器的充电和放电阶段的方法。在一个电路装置中由一个电流镜像电路(Stromspiegelschaltung)构成恒流源，并通过一个比较器将穿心电容器上的电压与带隙参考(Band-Gap-Referenz)进行比较。

为了能够使数据载体可以时间上不受限制地使用，在其上舍弃了对例如电池的化学能量存储器的集成。因此，数据载体所需要的电能无接触地从外部取得，即取自来自发送/接收设备的能量载体，例如电场或者磁场。由此，发送/接收设备为了与这种数据载体通信需要适当的传输和编码方法。一方面，对于数据的传输通常仅仅开放确定的频带，例如用于工业、科研和医疗应用的ISM频带(工业、科研和医疗)。可能的国家无线电条例可以规定需遵守的调制带宽以及场强等。另一方面，该传输和编码方法还必须保证数据载体上电子器件的能量供给。

在标准ISO/IEC 15693第2部分“Air Interface and Initialization”中描述了这样的方法。该方法允许为数据载体的电子器件连续地提供来自于发送/接收设备载波频率的能量。其中，用于调制待发送数据的载波频率仅仅对于最大的时间间隔断开。在该时间间隔之内必须可以由一个此前通过电场或者磁场充电的能量存储器为数据载体的电子器件进行供电。作为在数据载体上的临时能量存储器通常使用一个电容器。其中，通过在周期的时间间隔内的固定位置上断开载波实现了对数据的编码。此外，该标准在考虑上述最大时间间隔的条件下规定了在确定的载波频率下对于通过调制引起的边带的场强边界值。对于边带调制的幅度，一方面起决定性的是载波频率从接通到断开的时间特性。此外，载波频率从接通到断开的相继变化造成了边带调制的显著提高。遵守该标准中确定的边带限制的必要性导致了最大可能的数据率。

不过，在无接触的传输技术中的数据传输可能被一种不充分的耦合按不希望的方式影响。这样一种不充分的耦合例如出现在这样的情况下，即，如果移动数据载体极其快速地通过一个场移动，或者处于能量传输很小的场的边沿。

作为缺点这可能导致，如果在移动数据载体和固定读/写设备之间出现充分耦合的条件下已经开始了在移动数据载体的读/写存储器上的写过程，但是由于移动数据载体对于固定读/写设备的相对移动，不能为移动数据载体的能量存储器进行充分的充电。这可能造成，在移动数据载体中不能提供写过程所需的能量，从而使得该写过程不能正确地结束。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种可以避免上述缺点的途径。

上述技术问题是通过一种具有权利要求1给出特征的装置解决的。本发明优选的结构和扩展在从属权利要求2-7中给出。权利要求8涉及本发明的装置在移动数据载体中的一种应用。权利要求9涉及本发明的装置在识别系统中的一种应用。

本发明的优点尤其在于，可以在任意期望时刻为使用者提供关于移动数据载体的能量状态的说明。由此，可以识别移动数据载体的能量存储器的不充分能量状态，从而对由于不充分的能量状态造成的不完全或者有差错数据交换再次校正并完全地执行。可以利用很少附加花费在移动数据载体上实现这种可能性。按照本发明的装置提供关于移动数据载体的能量存储器的能量状态的迅速且良好的报告。本发明的另一个优点在于所获得的报告几乎完全独立于有关电路元件的容差。

附图说明

本发明的其它优选的特性借助于附图由下面示例性的解释给出。图中：

图1表示一个电路框图，其中示出了用于理解本发明的识别系统的主要部件，

图2表示一个电路，其中示出了一个用于确定移动数据载体的能量存储器的能量状态的装置，

图3表示用于说明不同电压的图形，

图4表示用于说明根据读/写设备和移动数据载体之间的距离在图2中的电容器7上的电压U1的电压变化的图形，

图5表示用于说明两个测试时刻位置的图形，

图6表示用于说明在第一测量时刻的测量中所测量的充电时间的图形，其中在该第一时刻在电容器7上出现一个相对较低的电压，

图7表示用于说明在第二测量时刻的测量中所测量的充电时间的图形，其中在该第二时刻在电容器7上出现一个相对较高的电压。

具体实施方式

图1表示一个电路框图，其中示出了用于理解本发明的识别系统的主要部件。

所示出的系统具有一个读/写设备1和一个移动数据载体4。在读/写设备1和移动数据载体4之间通过空气传输段3进行双向的数据D交换。此外，从读/写设备1通过空气传输段3还向移动数据载体4传送能量E，其中该能量传送在不交换数据的时间间隔上进行。数据和能量的传输根据电感耦合的原理进行。为此目的，读/写设备1设置了线圈2而移动数据载体4设置了线圈5。

在移动数据载体4中将传送的能量通过整流器6送至实现为电容器的能量存储器。电容器7上的不稳定的直流电压被送至稳压器9，在该稳压器的输出端提供为移动数据载体4供电所需的稳定的直流电压。

此外，电容器7与用于确定电容器7的能量状态的装置8连接。

图2表示一个电路，其中详细示出了用于确定移动数据载体4的电容器7的能量状态的装置8。该装置8具有一个包含晶体管11和12的电流镜像(Stromspiegel)。该电流镜像具有两个相互并联的路径。在晶体管12所在的第一路径中流动电流I0。在晶体管11所在的第二路径中流动电流IR。在第二路径中还设置了另一个连接晶体管11的欧姆电阻14，该电阻的另一端与装置8的一个高/低电平信号输入端20连接。通过该输入端20，从一个没有示出的逻辑电路向装置8输入高电平信号或者低电平信号。

在第一路径中在晶体管12上连接了一个辅助电容器13，该电容器的另一端接地。在辅助电容器13的远地端与异或门16的一个输入端以及一个npn晶体管15的集电极连接。晶体管15的发射极接地。晶体管15的基极通过欧姆电阻21与装置8的输入端17连接。输入端17是一个测量时间的输入端，通过该输入端为装置8输入定义测量间隔的信号。该测量时间信号在已经提到的、没有表示出的逻辑电路中产生，该逻辑电路还在高/低电平信号输入端20上提供信号。在该逻辑电路中具有关于系统时钟的信息，这种信息是产生在输入端17和20输入的信号所必须的。在输入端17上施加的测量时间信号被送至异或门16的另一个输入端，并通过欧姆电阻21送至npn晶体管15的基极。

异或门16的输出信号被送至处理逻辑18，该信号是关于辅助电容器13的充电时间的信息。该处理逻辑18从所提到的充电时间计算出一个计数值形式的量，该量给出了关于电容器7的能量状态的报告。该计数值尤其包含了关于在电容器7上出现的不稳定的供电电压与移动数据载体作为供电所需要的稳定的直流电压的比值的数据。稳定的直流电压例如是3V并且是移动数据载体芯片的工作电压。根据处理逻辑18的输出端出现的信息，尤其可以做出关于在测量时刻移动数据载体的能量存储有多大的报告。

下面，对在图2中示出的装置的功能方式进行详细的解释。

在例如在图2中通过晶体管11和12实现的电流镜像中，下列一般关系成立：

$\frac{I_0}{I_R}=1-\frac{2}{\mathrm{\β}+2}\≈1.$

此外，对于利用恒定电流I₀充电的电容器C的电压U，下列关系成立：

U＝I₀·t/C。

从该关系中通过变换得出：

t＝U·C/I₀。(等式1)

该关系对于辅助电容器13的充电过程也成立，并且在本发明确定电容器7的能量状态时加以考虑。

如果按照图2将电容器7上的电压降用U1、晶体管11上的电压降用U2、电阻14上的电压降用U3而在输入端20上提供的电压用UH或者UL表示，则有：

U3＝U1-U2-UL，如果UL在输入端20，和

U3＝U1-U2-UH，如果UH在输入端20。

如果UL＝0，则得到：

U3＝U1-U2。

对于电流I_R，当UH出现在输入端20时下列关系成立：

$I_{R\left(\mathrm{UH}\right)}=\frac{U3-\mathrm{UH}}{R_{14}}.$

对于电流I_R，当UL出现在输入端20时下列关系成立：

$I_{R\left(\mathrm{UL}\right)}=\frac{U3-\mathrm{UL}}{R_{14}}.$

对于UL＝0，有：

$\frac{I_{R\left(\mathrm{UL}\right)}}{I_{R\left(\mathrm{UH}\right)}}=\frac{U3}{U3-\mathrm{UH}}.$ (等式2)

因此，在形成电流I_R(UL)和I_R(UH)的商时消除了电阻14的值。

在考虑等式1和等式2的条件下，对于图2示出的装置得到下列关系：

$t=\frac{C_{13}\·U4}{I_0};$

I₀≈I_R；

$t_{\mathrm{UH}}=\frac{C_{13}\·U_{\mathrm{th}}}{I_{R\left(\mathrm{UH}\right)}};$

$t_{\mathrm{UL}}=\frac{C_{13}\·U_{\mathrm{th}}}{I_{R\left(\mathrm{UL}\right)}}.$

由此得出：

$\frac{t_{\mathrm{UH}}}{t_{\mathrm{UL}}}=\frac{I_{R\left(\mathrm{UL}\right)}}{I_{R\left(\mathrm{UH}\right)}}=\frac{U3}{U3-\mathrm{UH}}.$ (等式3)

其中，t_UH和t_UL是在下列情况下辅助电容器13的充电时间，即，利用电流I_R(UH)或者I_R(UL)对该电容充电，直到在异或门的输入端达到电压阈值U_th。在此，作为输入条件假设辅助电容器13在开始测量之前分别通过导通的晶体管15完全放电，这点还将结合图6和7再次解释。

从等式3可以看出，辅助电容器13的电容值和阈值电压U_th的电压值对该等式都没有影响。充电时间t_UH和t_UL与充电压电流I_R(UH)和I_R(UL)成反比。

等式3可以使用的区域是UH＜＜U3和U3-UH＞0的区域。

图3表示用于说明图2中不同电压的图形。沿横轴标记的是读/写设备1和移动数据载体4之间的距离S，而沿纵轴标记的是电感耦合或者耦合系数k。可见，低电平信号UL和高电平信号UH分别是独立于距离的常数，但在电容器7上出现的电压U1随着距离S的增加而变小。

从在电容器7上出现的、不稳定的电压U1中，通过在图1中电路块9中进行的稳压，获得了移动数据载体4的供电电压。假设在较低负载状态下下列关系成立：

UL≈0V

UH≈U_CHIP，

其中，U_CHIP是移动数据载体4的供电电压。

图4表示用于说明根据读/写设备1和移动数据载体4之间的距离在图2中的电容器7上的不稳定电压U1的电压变化的图形。如果移动数据载体4在保持相等的距离下平行地从读写设备1旁经过，则也出现这种钟形的电压变化。

图5表示用于说明两个测量时刻或者测量时间间隔位置的图形。如果移动数据载体4在保持相等的距离S下平行地从读写设备1旁移动，则在电容器7上的电压具有示出的、钟形的时间变化。按照本发明确定两个任意的测量时刻或者测量时间间隔，其中电压值在测量时刻t1相对较低而在测量时刻t2相对较高。在由测量时刻确定的时间间隔期间对在辅助电容器13上的电压变化进行测量。图6和7表明的在这些测量时刻产生不同的充电时间，从中可以推断出移动数据载体4的电容器7的能量状态，并由此推断出移动数据载体4的工作性能。

图6表示用于说明在第一测量时刻t1的测量中所测量的充电时间的图形，其中在该第一时刻在电容器7上出现一个相对较低的电压U1。在图6的曲线a中示出了输入端20上的信号UH或UL，在曲线b中示出了一个积分时间信号，在曲线c中示出了输入端17上的测量时间信号，在曲线d中示出了阈值电压U_th，以及在曲线e中示出了辅助电容器13上的电压U4。

在曲线a中示出的信号UH或UL以及在曲线c中示出的测量时间信号由没有表示出的逻辑电路预先给定，在该逻辑电路中具有关于系统时钟的信息。当在曲线a中示出的信号从高变换到低状态时，测量时间信号开始。在该时刻在曲线b中示出的积分时间间隔也开始。如从曲线e中看出的，在该时刻由电流I_0(UL)对辅助电容器13的充电也开始。该充电过程一直持续，直到在辅助电容器13上的电压达到在曲线d中示出的阈值电压U_th。如从曲线b中看出的，在该时刻积分时间结束而作为充电时间t_UL供处理逻辑18使用。从曲线c中看出，在该时刻之后测量时间间隔结束。然后，紧接在该测量时间间隔结束之后，通过导通的晶体管15对辅助电容器13进行放电。

如果在曲线a中表示的高低电平信号具有高电平并且辅助电容器13已放电，则如通过曲线c中表示的测量时间信号的第二个下降齿形揭示的那样，开始了第二测量时间间隔。如从曲线b中所示积分时间信号的第二个上升齿形看出的那样，在该时刻重新开始对积分时间的测量。此外，在该时刻还通过充电电流I_0(UH)开始对辅助电容器13的充电。该充电过程一直继续，直到在辅助电容器13上的电压达到了在曲线d中示出的阈值电压U_th。从曲线b看出，在该时刻积分时间结束而作为充电时间t_UH供处理逻辑18使用。如果在该时刻之后测量时间信号又过渡到高状态，则该测量时间间隔也结束，并且通过此时导通的晶体管15对辅助电容器13放电。

图7表示用于说明在第二测量时刻t2的测量中所测量的充电时间的图形，在该第二时刻在电容器7上出现相对较高的电压。在图7的曲线a中示出了输入端20上的信号UH或UL，在曲线b中示出了一个积分时间信号，在曲线c中示出了输入端17上的测量时间信号，在曲线d中示出了阈值电压U_th，以及在曲线e中示出了辅助电容器13上的电压U4。

在曲线a中示出的信号UH或UL以及在曲线c中示出的测量时间信号由没有表示出的逻辑电路预先给定，在该逻辑电路中具有关于系统时钟的信息。当在曲线a中示出的信号从高变换到低状态时，测量时间信号开始。在该时刻在曲线b中示出的积分时间间隔也开始。如从曲线e中看出的，在该时刻由充电电流I_0(UL)对辅助电容器13的充电也开始。该充电过程一直持续，直到在辅助电容器13上的电压达到在曲线d中示出的阈值电压U_th。如从曲线b中看出的，在该时刻积分时间结束而作为充电时间t_UL供处理逻辑18使用。从曲线c中看出，在该时刻之后测量时间间隔结束。然后，紧接在该测量时间间隔结束之后通过导通的晶体管15对辅助电容器13进行放电。

如果在曲线a中表示的高低电平信号具有高电平并且辅助电容器13已放电，则如通过曲线c中表示的测量时间信号的第二个下降齿形揭示的那样，开始第二测量时间间隔。如从在曲线b中所表示积分时间信号的第二个上升齿形看出的那样，在该时刻重新开始对积分时间的测量。此外，在该时刻还通过充电电流I_0(UH)开始对辅助电容器13的充电。该充电过程一直持续，直到在辅助电容器13上的电压达到了在曲线d中示出的阈值电压U_th。从曲线b看出，在该时刻积分时间结束而作为充电时间t_UH供处理逻辑18使用。如果在该时刻之后测量时间信号又过渡到高状态，则该测量时间间隔也结束，并且通过此时导通的晶体管15对辅助电容器13放电。

处理逻辑18分别根据充电时间t_UL和t_UH建立比例数，并将该比例数作为描述电容器7的能量状态的量提供到装置8的输出端19。从该输出端将其送至移动数据载体4的发送单元并通过空气传输段3传送到读/写设备1。在该读/写设备上可显示该量，根据该显示用户可以评价移动数据载体4的电容器7的能量状态并在必要时采取适当的措施。另外，也可以由读/写设备1中的一个自动化单元对传送至读写设备1上的、描述电容器7的能量状态的量进行处理，该自动化单元在需要时自动引入适当的措施。

Claims (9)

1.一种用于确定数据载体的能量存储器的能量状态的装置，在该数据载体中从能量存储器具有的不稳定的直流电压引导出为该数据载体供电的稳定直流电压，其中，该装置具有一个连接到所述能量存储器上的处理电路，该处理电路包括一个辅助电容器和一个对该辅助电容器的充电时间进行测量的测量电路，该装置还具有一个与所述测量电路的输出端连接的处理逻辑，该处理逻辑根据所测量的辅助电容器的充电时间确定一个描述所述能量存储器的能量状态的量，

其特征在于，具有一个用于稳定在所述能量存储器(7)上的不稳定直流电压的稳压器，以及一个包括设置在该能量存储器(7)和所述测量电路(15，16，21)之间的电流镜像(11，12)的处理电路(8)，该电流镜像具有相互并联的路径，其中，在第一路径中设置了所述辅助电容器(13)、与该辅助电容器连接的所述测量电路(15，16，21)和连接在该测量电路(15，16，21)的输出端的所述处理逻辑(18)，而在第二路径中设置了欧姆电阻(14)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量电路(15，16，21)具有一个测量信号输入端(17)，通过该输入端可以向该测量电路输入测量信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测量信号输入端(17)与测量电路(15，16，21)的一个晶体管(15)的控制输入端以及该测量电路(15，16，21)的一个异或门(16)的输入端连接，其中，所述晶体管(15)在导通状态下将辅助电容器(13)的远地端接地。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述辅助电容器(13)的远地端与所述异或门(16)的第二输入端连接。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量电路(15，16，21)具有一个数字信号输入端(20)，通过该输入端可以向该测量电路输入高和低电平信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，将所述在第二路径中设置的欧姆电阻(14)设置在所述数字信号输入端(20)和所述电流镜像(11，12)之间。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述测量电路(15，16，21)设置用来测量所述辅助电容器(13)的第一和第二充电时间，其中，所述第一充电时间在数字信号输入端(20)上出现低电平信号时确定，而所述第二充电时间在数字信号输入端(20)上出现高电平信号时确定。

8.一种根据上述权利要求中任一项所述的装置在移动数据载体(4)中的应用，该移动数据载体用于与发送和接收设备(1)进行无接触的数据交换，该移动数据载体具有用来将描述所述能量存储器(7)的能量状态的量发送到所述发送和接收设备(1)上的发送装置。

9.一种根据上述权利要求1至7中任一项所述的装置在识别系统中的应用，该识别系统具有发送和接收设备(1)和与该发送和接收设备通过无接触的空气传输段(3)连接的移动数据载体(4)，其中，所述移动数据载体(4)具有所述装置以及用来将描述所述能量存储器(7)的能量状态的量发送到所述发送和接收设备(1)上的发送装置。

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