CZ264999A3 - Zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie - Google Patents

Abstract

Zařízení kbezdotykovémupřenosu informací a energieje provedeno s bezdrátově pracující datovoupamětí (1) bez vlastního napájení proudema s řídicíjednotkouve firmědatová» čtecího zaříziení (4), napájenou proudem Datová paměť (1)je napájena potřebnou energii přes indukční vazební elementy(2,5). Přenos datje prováděn při současnémnepřerušenémpřenosuenergie. Přenos datse provádí obousměrnýmzpůsobemsoučasně frekvenční modulacísignálu, charakterizujícího střídavé napětí vytvořené v generátoru, přes indukční vazební elementy(2,5) do datové paměti a současně se z tohoto přenesená»signálu, charakterizujícího střídavé napětí, vytvoří inpulsovýsignál k přenosu dat přes kapacitní vazební elementy ve formě kondenzátorovýchdesek )6,7,11,12) do datového čtecího zařízení (4).

Description

Zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie s bezdrátově pracující datovou pamětí bez vlastního napájení proudem a s řídicí jednotkou ve formě datového čtecího zařízení, napájenou proudem, přičemž datová paměť je napájena potřebnou energií přes indukční vazební elementy a jsou upraveny kapacitní vazební elementy, přičemž přenos dat je prováděn při současném nepřerušeném přenosu energie.

Dosavadní stav techniky

Zařízení k bezdrátovému neboli rádiovému dotazování pro zjišťování informací z odpovídací stanice je známé ze spisu DE 40 17 934 C2. U tohoto zařízení je odpovídací stanice zásobována potřebnou energií rádiovým dotazovacím signálem dotazovací stanice. Přitom se přenos energie a přenos dat provádí prostřednictvím kondenzátorů kapacitně tak, že v dotazovací stanici vytvoří generátor střídavé napětí, které se prostřednictvím kondenzátorů přenese do odpovídací stanice a tam se usměrní. Tím obdrží odpovídací stanice potřebnou energii k napájení a přenesený signál charakterizující střídavé napětí se současně využije k tomu, aby se z něho vytvořil impulsový signál, který jednak řídí výstup proudu datových bitů z odpovídací stanice a jednak se použije pro vytvoření signálu pro přenos dat.

• · * · « · φ • φφ φφφφ φφ φφ φφφ φφ φφφφ φ ·

Jsou rovněž známé další způsoby a zařízení, u nichž se energie přenáší prostřednictvím cívek indukční vazbou. Zpětný přenos dat se přitom provádí změnou zatížení v odpovídací jednotce, což má vždy nutně za následek přerušení nebo alespoň zhoršení, to znamená zásah do přenosu energie.

Ze spisu DE 37 14 195 Al je například známý způsob bezdotykového přenosu energie a dat mezi hlavní elektronikou a dílčí elektronikou, která není napájena proudem, s obvodem pro akumulaci energie. Výměna energie a dat se v tomto případě řídí mikrořadičem tak, že prostřednictvím vazebních elementů se energie a data přenášejí střídavě. Tím se nutně v průběhu přenosu dat přeruší přenos energie.

Ze spisu DE 41 30 903 Al je dále známé zařízení k bezdotykovému přenosu energie a dat pro identifikační systém, s elektrickou primární jednotkou, napájenou proudem, a s elektrickou sekundární jednotkou. Tyto jednotky jsou navzájem spojeny přes indukční vazební elementy. Přenos dat do sekundární jednotky se provádí prostřednictvím modulace energetických impulsů. Přenos energie přitom znamená ve dvojkové soustavě data 1 a žádný přenos energie znamená data 0. Nutně se proto při přenosu dat nula přeruší přenos energie. Zpětný přenos dat ze sekundární jednotky se přitom provádí změnou zatížení v sekundární jednotce, čímž je ovšem nevýhodně ovlivněno napájení energií.

V evropské patentové přihlášce 0 441 237 Al je popsána přenosná detekční destička s programovatelnými logickými poli. Úkolem tohoto vynálezu je vytvořit jednoduchou, prostorově úspornou detekční destičku, která má být programovatelná především na velkou vzdáienosi. Přiiom je jeden a leniýž rezonanční obvod ovlivňován modulačním vstupem zapisovací a čtecí jednotky. Ovlivňování se • ·· · *· « • · · * tttttt tttt* • · · tt tt · tt · tt ·· ··· tttt tttt tttt tttt provádí tak, že dekodér pro spínací signály v detekční destičce, kódované v klíči PPM, je řízen tím způsobem, že data se zapisují v paměti detekční destičky prostřednictvím modulace pole.

Ve spise DE 39 28 561 Al je uveden dotazovací a vysílací systém s duplexním, to jest obousměrným současným provozem, u něhož dotazovací zařízení vysílá nosnou vlnu ovlivněnou modulací. Přitom se s dotazovacím signálem vyšle do odpovídacího vysílače vlna ve tvaru impulsu, která se týká dotazovacího signálu, a další, nemodulovaná, nosná vlna jako energetická vlna. Odpovídací vysílač potom z přijmuté energetické vlny odvodí stejnosměrné napětí a současně vytvoří k tomuto stejnosměrnému napětí druhou harmonickou komponentu. K tomuto signálu potom odpovídací vysílač moduluje druhou harmonickou komponentu s odpovídacím signálem při vytvoření vlny ve tvaru impulsu, charakterizující odpovídací signál. Tato vlna se potom přenese do dotazovacího zařízení.

Ve spise US 5 451 763 je uvedeno zařízení k bezdotykovému přenosu informaci a energie. Přenos energie se přitom provádí přes indukční vazební elementy a přenos dat se provádí přes kapacitní vazební elementy. Data se přenášejí výlučně přes kapacitní vazební elementy, takže je možno uskutečnit pouze obousměrný a nesynchronní přenos dat. Přenos dat je v důsledku toho pomalý a kapacitní rozhraní je konstruováno složitě.

Dále je ze spisu US 4 550 444 známé provádění přenosu energie a dat výlučně přes indukční vazební elementy. Několikanásobným využitím přenosové dráhy se přitom vytvoří nesynchronní a časově zdlouhavý přenos.

v * * flflfl • flfl fl · • fl flfl • · ♦ • · fl • flfl flflfl • fl • fl flfl

Všechny známé odpovídací systémy mají tu nevýhodu, že jak při přenosu dat, tak při zpětném přenosu dat, dochází k přerušení přenosu energie.

U všech výše uvedených známých zařízení a systémů je přenos energie v průběhu přenosu dat nevýhodně ovlivňován, což nutně znamená zkrácení vzdálenosti pro přenos dat nebo při předem stanovené vzdálenosti mezi pohyblivou stanicí a pevnou stanicí přenos dat se sklonem k poruchám nebo výrazně pomalejší přenos dat.

Většina zařízení a systémů potřebuje navíc pro synchronizaci několik generátorů. Tento druh přenosu dat a současně energie je proto velmi nákladný.

Úkolem vynálezu proto je vylepšit řešení známé ze spisu DE 40 17 934 C2 do té míry, že vznikne spolehlivě pracující zařízení k bezdotykovému přenosu energie a současně dat.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie s bezdrátově pracující datovou pamětí bez vlastního napájení proudem a s řídicí jednotkou ve formě datového čtecího zařízení, napájenou proudem, přičemž datová paměť je napájena potřebnou energií přes indukční vazební elementy a jsou upraveny kapacitní vazební elementy, přičemž přenos dat je prováděn při současném nepřerušeném přenosu energie, podle vynálezu, jehož podstatou je, že přenos dat se provádí současně frekvenční modulací signálu, charakterizujícího střídavé napětí vytvořené v generátoru, pres indukční vazební eiementy do datové paměti a současně se z tohoto přeneseného signálu, charakterizujícího střídavé napětí, vytvoří • · 0 00 » · · » » » » 0 •00 0«0 impulsový signál k přenosu dat přes kapacitní vazební elementy do datového čtecího zařízení.

Podle vynálezu je tedy vytvořeno zařízení k bezdotykovému přenosu energie a dat, které slouží zejména pro vytvoření bezdrátově pracujících datových pamětí. Datová paměť je přitom popsána řídicí jednotkou bezdotykově prostřednictvím modulace fázového posunutí a frekvenční modulace, přičemž datová paměť je současně napájena energií bezdotykově přes indukční vazební elementy. Přitom se přenos energie provádí v průběhu čtecího nebo zapisovacího cyklu kontinuálně bez přerušení a ovlivňování, takže čtení a zapisování dat do paměťové jednotky je možno provádět na zvlášť velké vzdálenosti a při vysokém zabezpečení proti vzniku poruch. Kontinuálním přenosem dat se proto prakticky eliminuje vliv rušivých elementů. Datové paměti, u nichž se čtení a zapisování provádí bezdotykově, proto mohou být použity jako identifikační systémy pro identifikaci osob, palet, nástrojů, nádob atd. Přitom na prvním místě u všech těchto příkladů použití stojí to, že je možno s jistotou přenášet data na co největší vzdálenost i za rušivých vlivů, jako jsou například vibrace datové paměti nebo elektromagnetické vlivy. Pro zlepšení odolnosti proti poruchám přitom hraje podstatnou roli faktor, že dochází k dostatečně dobrému přenosu energie. Když je přenos energie bezvadný, je možno rovněž provádět zpětný přenos dat (čtení/zapisování) s velkou energií.

Dále je velmi výhodné, když nemusí být použita amplitudová modulace, která se jinak obvykle používá, protože i malé změny vzdáleností mezi řídicí jednotkou a datovou pamětí ve formě nosiče informací, například šekovou kartou nebo jinými prostředky, k nimž dochází v důsiedku vibraci, vždy nutně opět vedou k nezamýšleným amplitudovým modulacím.

···

--- v * « V * « • * 9 9 99 999

9 » 9 9 9 99 ·99 ··· 9999 9 · ·· ··· 99 99 99 99

Přenos energie a dat, k němuž u známých provedení dochází prostřednictvím anténních cívek ve vysokofrekvenčním rozsahu, je relativně náchylný k poruchám, protože tento přenos informací může být rušen jinými vysílači, vyššími harmonickými atd. Zákonná nařízení ve formě předpisů pro úroveň šumu a pro vzdálenosti dále vedou ke značným omezením v provedení zařízení.

Protože u zařízení k bezdrátovému přenosu informaci a energie se zpravidla jedná o odpovídací systém, je nutno na datovou paměť pohlížet jako na zařízení, které mění své místo. Na rozdíl od toho je nutno pohlížet na datové čtecí zařízení a k němu náležející oscilační obvod pro přenos energie jako na stacionární zařízení. Datová paměť je proto napájena potřebnou energií indukčně. Přenos dat do datové paměti se provádí kapacitně, což se provádí frekvenční modulací přenosu energie. Současně se impulsový signál použije jako synchronní signál pro čtení dat.

Vynález definuje způsob se současným obousměrným provozem v té formě, že energie i data jsou vysílány, respektive přenášeny, současně. Přitom se vysílá energie a na druhé straně se usměrňuje. Vysílání dat se provádí prostřednictvím posouvání frekvence. V okamžiku, v němž se připojí kapacita, bude nutně frekvence pomalejší.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje blokové schéma datové paměti s datovým čtecím zařízením a s výrobou energie, obr. 2 logickou jednotku s datovým čtecím zařízením a oscilačním obvodem, *

··· « V · V «V « • · ·· · · · » • · · · « ··· ·«« • » · « · · ·· ·* ·· «· obr. 3 datovou paměť, obr. 4 totéž co obr. 2 s posunovačem fáze, obr. 5 průběh napětí uvnitř datového čtecího zařízení, obr. 6 průběh napětí uvnitř datového čtecího zařízení, obr. 7 průběh napětí uvnitř datového čtecího zařízení, obr. 8 průběh napětí na indukčním vazebním elementu, obr. 9 průběh napětí na druhé straně indukčního vazebního elementu, obr. 10 průběh napětí jako na obr. 9, avšak s fázovým posunutím o 90°, obr. 11 taktovací frekvenci, obr, 12 taktovací frekvenci v čtecí stanici, obr. 13 příjem dat z datové paměti v datovém čtecím zařízení.

Příklady provedení vynálezu

Jak vyplývá z blokového schématu na obr. 1, sestává zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie z datové paměti 1, z oscilačního obvodu 3_, z datového čtecího zařízení 4 a z logické jednotky 10. Logická jednotka 10 přitom řídí jak oscilační obvod 3, který vyrábí energii pro datovou paměť 1 a je s výhodou vytvořen jako samočinně se řídicí sériový oscilační obvod, aby při co největší oscilační energii byl zaručen optimální přenos dat, tak současně i datové Čtecí zařízení 4. Toto řízení se provádí prostřednictvím spojení 8., 9. Energie se přenáší z oscilačního obvodu 1 do datové paměti 1 přes indukční vazební elementy 2, 5.. Datové Čtecí zařízení 4 je naproti tomu opatřeno příslušnými kondenzátorovými deskami 6, 1 1. které odpovídají příslušným kondenzátorovým deskám 7, 12 datové paměti 1 takovým způsobem, že data mohou být jednak přečtena a jednak zapisována. Logická jednotka JJJ s osciiačnim obvodem 3 a s datovým čtecím zařízením 4, jakož i s odpovídajícím indukčním vazebním

--- v v « * V V V * · 9 · 99 « · 9 9

9·« 9· 9 9 999 999

999 9999 9 · ·»« v* <9 <« 99 elementem 5. a s kondenzátorovými deskami 6, 11, může být považována rovněž za vysílací stanici, která je stacionární. Naproti tomu datová paměť 1 mění svoje místo nebo polohu a bude na základě konstrukčně pevně stanovených vzdáleností komunikovat s touto vysílací stanici tehdy, když je její vzdálenost od vysílací stanice menší než tyto pevně stanovené vzdálenosti.

Pro umožnění přenosu energie musí být přítomen oscilační obvod, který je odpovídajícím způsobem napájen vysokoohmově. Paralelní oscilační obvody podle dosavadního stavu techniky pracují jako blokovací obvody, které mají tu nevýhodu, že se přenáší nedostatečné množství energie. Proto se použije sériový oscilační obvod 3_, který pracuje tak, že na protilehlé straně, to znamená na straně datové paměti L je přítomen rovněž oscilační obvod, který kmitá na stejné rezonanční frekvenci. V tomto případě se indukuje odpovídající proud, který se rozkmitá na tak dlouho, dokud nejsou ztráty tak velké,' že již nemohou vzrůstat, Jsou-li energetické bilance vyrovnané, to znamená, že přiváděná energie a ztráty jsou konstantní, odebírá se na straně vysílací stanice potřebná energie. Když se tento oscilační obvod rozladí nebo zatíží, to znamená jinou frekvencí, totiž například kmitá zatížením nižší frekvencí, existuje opačný efekt, což znamená, že přenos energie sice klesne, avšak nepřestane. Tento známý způsob činnosti vede k tomu, že při indukční vazbě se odpovídající kapacita na krátkou dobu zkratuje, a proto v tomto okamžiku nemůže být přenášena žádná energie. Tento nedostatek odstraňuje řešení podle vynálezu tím, že logická jednotka 10 řídí prostřednictvím spojení 44 tranzistor FET 41 (tranzistor řízený polem). Tranzistor FET 41 připojuje prostřednictvím spojení 42 přídavnou kapacitu kondenzátoru 40 k již existující kapacitě osutiačníhu obvodu 3_, totiž ke kondenzáiorům 29. 3 i. Oscilační obvod 1 je v podstatě tvořen indukčním vazebním elementem 5. a v ·

0 00

000 v · « * V 0

00 «000 00 00 000 000 0 0 0 0 0 0 00 00 00 00 kondenzátory 29, 3 1. K indukčnímu vazebnímu elementu 5_, k němuž je rovněž připojena kapacita kondenzátoru 31. se spojením 39 připojí kombinace RC, to jest kombinace z odporu 37 a z kondenzátoru 38.. Tato kombinace RC je spojením 34 spojena s komparátorem 32. Další vstup komparátoru 32 je připojen ke kostře 33.. Výstup komparátoru 32. je spojen spojením 35 s budicím obvodem 30 a současně spojením 36 s analogovým spínačem 48 uvnitř datového čtecího zařízení 4. Když se nyní napětí rozkmitá na maximální hodnotu, dojde fázovým posunutím kombinace RC, sestávající z odporu 37 a kondenzátoru 38. ke spuštění komparátoru 32. Výstup komparátoru 32 mění svůj stav, což má za následek, že tento napěťový skok se přenese přes budicí obvod 30 na kondenzátor 29. Přesně ve vrcholu křivky dojde ke vstupu signálu. Průběh křivky v měřicím bodu 63 je znázorněn na obr. 8, kde je, stejně jako u následujících popsaných křivek, znázorněna stále závislost napětí na čase. Znázorněný průběh křivky je sinusový a křivka má ve vrcholu skok, vzniklý spuštěním logické jednotky 10, jehož průběh je znázorněn na obr. 11 a přenáší se v měřicím bodu 66. Ke křivce na obr. 8 má křivka v měřicím bodu 64 podle obr. 9 zrcadlově opačný tvar, přičemž u tohoto průběhu neexistují ve vrcholech žádné skoky. Kombinací RC, sestávající z odporu 37 a kondenzátoru 38, se dosáhne fázového posunu, který je znázorněn na obr. 10. V tomto případe jde o měřicí bod 65.,

Vysílání dat je realizováno posouváním frekvence, to znamená, že v okamžiku, v němž se kondenzátor 40 připojí přes tranzistor FET 41, se zpomalí frekvence oscilačního obvodu 3..

Energie přenesená indukčním vazebním elementem 5. je přijmuta indukčním vazebním elementem 2 datové paměti 1. Paralelně s indukčním vazebním čleiííčií lčííí 2. je uspořádán konucnzaior i3. Energie přijmutá přes indukční vazební element 2 se v usměrňovači 14

ΙΟ φ φ · φφφ» * « Φ Φ9 I Φ φ φ * · · Φ Φ · · · ····!

• · · * Φ Φ Φ » * ** ·ΦΦ ΦΦ ·· ·· «» usměrní a použije pro napájení součástí obsažených v datové paměti 1. Datová paměť 1 sestává v podstatě z ovladače 16. do něhož je vysílán určitý frekvenční vzor z frekvenčního modulátoru 15 prostřednictvím spojení 19. Indukčním vazebním elementem 2 je ovládán prahový klopný obvod 18, který je jednak spojeními 20, 17. 22 spojen s frekvenčním modulátorem 15 a jednak spojením 21 rovněž s ovladačem 16. Dále je v datové paměti 1 upraven logický obvod XOR 23. Tento logický obvod XOR 23 je ovládán ovladačem 16 prostřednictvím spojení 24. Výstup logického obvodu XOR 23 je prostřednictvím spojení 25 spojen s kondenzátorovou deskou 7. Současně je prostřednictvím spojení 26 ovládán logický člen 24. který provádí invertování signálu. Výstup logického členu 24 je prostřednictvím spojení 27 spojen s kondenzátorovou deskou 12.

Signál vzniklý v oscilačním obvodu Ije prostřednictvím spojení 36 a analogového spínače 48 jeho kontakty 45, 47, 49, 50 řízen tak, že prostřednictvím spojení 54, 55 se informace přenášejí do kondenzátorových desek 6, 11. Tyto informace se potom přenášejí na protilehlé kondenzátorové desky 7, 12 datové paměti L Když se změní datový bit, dosáhne se prostřednictvím logického obvodu XOR 23. fázového posunutí prakticky o 180°, Touto negací signálu se vytvoří napěťové pole mezi kondenzátorovými deskami 6, 7. Tím se současně přenese jeden jehlový impuls, který se změří uvnitř datového čtecího zařízení 4 v měřicím bodu 68. jak jc znázorněno na obr. 13. To má za následek, že proud se spustí vždy na strmých bocích impulsu a tímto signálem se současně sepnou kontakty 45, 47, 49, 50 analogového spínače 48. To má za následek, že například u datové paměti 1 se spojením 57 vede informace dále do komparátoru 58. Analogovým spínačem 48 je prostřednictvím spojení 56 ovládán druhý vstup kumpaiáiuru 35. Výsiup komparátoru 58. je spojen se vstupem pásmové propusti 59 pro potlačování šumů přenášených s informacemi (daty).

* φ · · · · · *·· φ· « ·· ··

Výstup pásmové propusti 59 je spojen s prahovým klopným obvodem 60, jehož výstup je prostřednictvím spojení 61 spojen s logickou jednotkou 10. Logická jednotka 10 je rovněž prostřednictvím spojení 52 spojena s logickým členem 51. který je spojením 53 spojen s kontaktem 50 analogového spínače 48. Logickým členem 51 je negován signál přicházející z oscilačního obvodu 3. spojením 36. spojením 46..

Signál vystupující z komparátoru 58 je znázorněn na obr. 5. Měřicím bodem je měřicí bod 69.. Na výstupu pásmové propustí 59 se měří signál v měřicím bodu 70. Tento signál je znázorněn na obr. 6. Zde je zcela zřetelně vidět rozdíl od obr, 5, a to skutečnost, že veškeré šumy jsou z informace odfiltrovány, a že na bocích impulsů, to znamená při změně informace, vznikají na výstupu 70 pásmové propusti 59 jehlovité výstupky. Tyto jehlovité výstupky se v prahovém klopném obvodu 60 v měřicím bodě 71 přeměňují na odpovídající informaci, která je znázorněna na obr. 7.

Podle intenzity vazby se u takových systémů posunuje základní takt, takže může být zapotřebí zapojit mezi oscilační obvod 3 a datové čtecí zařízení 4 posunovač 62 fáze. Tímto posunovačem 62 fáze se automaticky způsobí to, že logická jednotka 10 dbá na optimální fázovou polohu, a tudíž ovládání analogového spínače 48. to znamená, když Čtení dat není bezchybné, je posunovač 62 fáze zapojen tak dlouho, dokud se fázovým posunem přenos dat automaticky opět nevyrovná.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení k bezdotykovému přenosu informací a energie s bezdrátově pracující datovou pamětí (1) bez vlastního napájení proudem a s řídicí jednotkou ve formě datového čtecího zařízení (4), napájenou proudem, přičemž datová paměť (1) je napájena potřebnou energií přes indukční vazební elementy (2, 5) a jsou upraveny kapacitní vazební elementy (6, 7, 11, 12), přičemž přenos dat je prováděn při současném nepřerušeném přenosu energie, vyznačující se tím, že přenos dat se provádí současně frekvenční modulací signálu, charakterizujícího střídavé napětí vytvořené v generátoru, přes indukční vazební elementy (2, 5) do datové paměti (1) a současně se z tohoto přeneseného signálu, charakterizujícího střídavé napětí, vytvoří impulsový signál k přenosu dat přes kapacitní vazební elementy (6, 7, 11, 12) do datového čtecího zařízení (4).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že přenos dat je obousměrným současným přenosem dat.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje samočinně nastavitelný sériový oscilační obvod (3) k přenosu energie.
4. 4. Zařízení podle nároků i a 2, vyznačující se tím, že přenos dat je proveden páry kondenzátorových desek (6, 7, 11, 12) dvou kondenzátorů náležejících datovému čtecímu zařízení (4) a datové paměti (1).
5. 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že z impulsového signálu se frekvenční modulací získá bitová struktura určená k přenesení do datové paměti (1) a současně je ovládán výstup • · » » · » · · * • · · · ·· · o *·· ··« • · · » * · · * »

   13 ·· ··· ·· ·· ·· ·· datové bitové struktury z paměťové jednotky a použije se pro vytvoření signálu pro přenos dat.
6. 6. Zařízení podle jednoho nebo několika z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že datové čtecí zařízení (4) je vytvořeno z logických obvodů ve spojení s E²-Prom.
7. 7. Zařízení podle jednoho nebo několika z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že mezi sériovým oscilačním obvodem (3) a datovým čtecím zařízením (4) je zapojen posunovač (62) fáze.
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že posunovač (62) fáze je ovládán logickou jednotkou (10).