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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung.
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Ein
Verfahren zur kontaktlosen Kommunikation zwischen einem Transponder
und dessen Lesegerät
ist aus der
DE 697
00 590 T2 bekannt. Basierend auf Rückschlüssen aus dem Abstand zwischen dem
Transponder und dem Transponder-Lesegerät wird dem Lesegerät in Echtzeit
die Information zur Verfügung
gestellt, ob sich der Transponder ausreichend nahe am Lesegerät befindet,
um das Lesen und Beschreiben des Transponders durchführen zu können. Der
Schwerpunkt des Verfahrens liegt auf der Schnelligkeit, mit der
dieses Signal gebildet wird, und nicht auf dessen Auflösung oder
Linearität.
In qualitativer Hinsicht handelt es sich um ein rein zweistufiges
Ja-/Nein-Signal. Das in der
DE 697 00 590 T2 beschriebene Signalverfahren
ist störanfällig, da es
auf direkter Träger-Modulation im Bereich
der ISM-Bänder
beruht. Diese Bänder
sind zwar weltweit für
die kommerzielle Nutzung feigegeben, weisen aber in der Praxis Störquellen
auf.
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Eine
Erfassung des Abstands zwischen einem Transponder und dem zugehörigen Lesegeräte (Reader)
finden daher Anwendung, wenn aufgrund eines zu bestimmenden Abstandes
Rückschlüsse gezogen
werden können,
ob, oder ob nicht ein Transponder räumlich nahe genug am Lesegerät positioniert
ist, um den vollen Funktionalitätsumfang
zu gewährleisten.
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Mit
der Erfindung vorgeschlagen wird ein Verfahren mit den in Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen. Das Verfahren ermöglicht eine hochauflösende Information über den
Abstand zwischen Transponder und Lesegerät mit guter Kennlinienlinearität über einen
weiten Messbereich.
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Für Abstandsmessungen
ist es in der Technik häufig
wichtig, systembedingt störsichere,
fehlererkennbare und möglichst
darüber
hinaus redundante Messwertsignale zu erhalten. Dies wird bei einer bevorzugten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Einbringung und Auswertung eines Hilfsträgers erreicht, der um einen
Frequenzbetrag Δf um
die eigentliche Hauptträgerfrequenz
von vorzugsweise 13,56 MHz herum nach oben und unten verschoben
ist. Durch diese Ausgestaltung, bei der die Signalantwort über eine Hilfsträgerfrequenz
von der passiven Sensoreinheit an die aktive Sensoreinheit übertragen
wird, und die Informationen der passiven Sensoreinheit, die neben
der Feldstärke
der Signalantwort auch Messgrößen-Informationen
beinhalten können,
auf zwei gegenüber
der eigentlichen Hauptträgerfrequenz
nach oben und unten verschobene Seitenbänder verlagert wird, steigt
die systemeigene Störsicherheit
signifikant. Das eigentliche Nutzsignal kann aufgrund des Abstandes
zur Hauptträgerfrequenz
vom Trägersignal
selbst und trägernahem
Rauschen, welches die Messergebnisse beeinträchtigen kann, über entsprechende
Filter der Auswertelektronik sehr viel einfacher getrennt werden.
Auch ergibt sich durch die Verteilung der Informationen der Signalantwort
eine echte Redundanz des Messsystems. Wird z.B. eines der Bänder durch eine
Störtrequenz
beeinträchtigt,
kann dies durch Vergleich mit dem Signal des anderen Bandes nach Art
einer Plausibilitätsprüfung leicht
entdeckt werden. Sollte bei der Fehlerprüfung, z.B. durch das CRC-Verfahren
(Cyclic Redundancy Check) in einem Band ein Kommunikationsfehler
erkannt werden, bietet die systembedingte Redundanz darüber hinaus die
Möglichkeit,
entweder das andere, gegenüberliegende
Frequenzband auszuwerten oder, sollte auch dieses beeinträchtigt sein,
aus den Fragmenten beider Bänder
einen korrekten Messwert zu rekonstruieren, der dann wiederum die
CRC-Fehlerprüfung
besteht.
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Die
Information über
den Abstand zwischen Transponder und Reader bestimmt die Auswertelektronik
anhand der Feldstärke
der Signalantwort, mit zunehmendem Abstand der Sensoreinheiten verringert
sich die Feldstärke
der Signalantwort im Bereich der aktiven Sensoreinheit, was für eine zuverlässige Abstandsmessung
genutzt werden kann. Als vorteilhaft hat es sich in diesem Zusammenhang
erwiesen, als Auswertelektronik zur Bestimmung der Feldstärke einen
integrierten Auswertebaustein, einen so genannten IC Integrated
Circuit) zu verwenden, der über
einen so genannten RSSI-Ausgang (Received Signal Strength Indicator)
zur Ausgabe der Abstandsinformation verfügt.
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Von
Vorteil ist es, zusätzlich
zu der Primärinformation
des Abstandes zwischen Sensoreinheit und Transponder auf der Transponderseite
weitere Meßgrößen zu messen,
wie etwa die Temperatur, den Druck oder die Beschleunigung in der
Umgebung des Transponders. Zu diesem Zweck kann in den Transponder
mindestens ein Sensor integriert werden. Ein Mikroprozessor überführt die
von dem Sensor erfassten Meßwerte
in eine Signalantwort, die ebenfalls drahtlos zu der aktiven Sensoreinheit (dem
Reader) gelangt, um dort ausgewertet und ggf. angezeigt zu werden.
Dieser zusätzliche
Effekt wird durch die Auswertung des Hilfsträgers erreicht, der um einen
Frequenzbetrag um die eigentliche Hauptträgerfrequenz herum nach oben
und unten verschoben ist. Werden die Informationen der passiven Sensoreinheit
(des Transponders), die neben der Feldstärke der Signalantwort auch
die zusätzlichen
Meßgrößen-Informationen
wie z.B. Temperatur oder Druck beinhalten, auf zwei gegenüber der
eigentlichen Hauptträgertrequenz
nach oben und unten verschobene Seitenbänder verlagert, so steigt die
systemeigene Störsicherheit
signifikant. Das eigentliche Nutzsignal kann aufgrund des Abstandes
zur Hauptträgerfrequenz
vom Trägersignal
selbst sehr viel einfacher getrennt werden, wodurch Beeinträchtigungen der
Meßergebnisse
gering gehalten werden.
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Wiederum
ergibt sich durch die Verteilung der Informationen der Signalantwort
eine echte Redundanz des Meßsystems.
Wird zum Beispiel eines der Bänder
durch eine Störfrequenz
beeinträchtigt, so
kann dies durch Vergleich mit dem Signal des anderen Bandes nach
Art einer Plausibilitätsprüfung leicht
entdeckt werden. Wird bei der Fehlerprüfung ein Kommunikationsfehler
in einem Band erkannt, bietet die systembedingte Redundanz die Möglichkeit,
entweder das andere Frequenzband auszuwerten oder, sollte auch dieses
beeinträchtigt
sein, aus den Fragmenten beider Bänder einen plausiblen Meßwert zu
rekonstruieren.
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Zu
dem Vorteil der verringerten Störanfälligkeit
kommt der Vorteil der zusätzlichen
Meßwertinformation
hinzu, sei dies nun eine Temperatur-, eine Druckinformation oder
eine andere physikalische oder chemische Größe. Denn sowohl die Abstandserkennung,
wie auch der Druck, die Temperatur oder andere Umgebungsparameter
können
von Bedeutung im Rahmen elektronischer Regelungsprozesse sein.
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Einzelheiten
und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme
der beigefügten Zeichnungen
erläutert.
Darin zeigen
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1 eine
schaltplanmäßige Übersicht
einer Abstands-Messvorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Anfrage einer
aktiven Sensoreinheit und der Antwort eines Transponders und
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3 das
entsprechende Frequenzspektrum mit Hauptträger und zwei Seitenbändern.
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Zur
Messung eines Abstandes A ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die
eine passive, d.h. ohne eigene Stromversorgung auskommende Sensoreinheit 20 und
ferner eine aktive Sensoreinheit 21 aufweist. Die passive
Sensoreinheit 20 ist ein Transponder (engt.: „tag").
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Zur
Erzeugung eines elektrischen Feldes E wird die Einheit 21 über Strom-
bzw. Spannungsversorgungssysteme mit elektrischer Energie versorgt.
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1 zeigt
in einer Schaltplandarstellung im linken Teil die aktive Sensoreinheit 21,
die über
eine Spannungsquelle 35 an eine Stromversorgung angeschlossen
ist. Die aktive Sensoreinheit 21 ist mit einer Sende- und
Empfangseinheit versehen. Dazu bildet eine ringförmige oder spulenförmige Antenne 27 gemeinsam
mit einem ohmschen Widerstand des Leitermaterials und einem Kondensator 34 einen Schwingkreis.
Die aktive Sensoreinheit 21 erzeugt ein magnetisches Wechselfeld,
das bis in den Bereich des im rechten Teil von 1 dargestellten,
die passive Sensoreinheit bildenden Transponders 20 reicht.
Dieser ist mit einer ringförmigen
oder spulenförmigen
Antenne 26 versehen, die in Richtung der aktiven Sensoreinheit 21 ausgerichtet
ist. Die Antenne 26 ist über einen parallel geschalteten
Kondensator 33 mit dem so genannten Front-End FE des Transponders
verbunden. Der Transponder wird aus dem magnetischen Wechselfeld
E, das von der aktiven Sensoreinheit 21 generiert wird, über die
Antenne 26 mit Energie versorgt. Insoweit handelt es sich bei
der passiven Sensoreinheit 20 um eine Empfangseinheit.
Mit der aus dem magnetischen Wechselfeld E gewonnenen Energie wird über das Front-End
FE ein integrierter Mikroprozessor 23 mit einer Spannung
UB versorgt. Darüber hinaus stellt das Front-End
FE einen Massekontakt 40 für den Mikroprozessor 23 bereit
und gibt dessen Takt 41 vor.
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Zwischen
dem Front-End FE und dem Mikroprozessor 23 erfolgt ein
Austausch von Daten 42. Der Mikroprozessor 23 ist
mit einem Sensor 31 zur Sensierung der Temperatur T, und
einem weiteren Sensor 30 zur Messung des Drucks P in seiner
Umgebung versehen. Über
die Messung von Temperatur und Druck hinaus können auch andere Sensoren zur Erfassung
anderer physikalischer oder chemischer Größen integriert werden.
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Die
Sensordaten werden in digital codierter Form als Signalantwort SA über
die Antenne 26 moduliert, z.B. per Lastmodulation, an die
aktive Sensoreinheit 21 übertragen. In diesem Fall werden
Informationen von dem Transponder 20 an die aktive Sensoreinheit 21 „gesendet". Dies ist allerdings
kein Sendevorgang im physikalischen Sinne, da im Sinne der Lastmodulation
die passive Sensoreinrichtung 20 lediglich modulierend
ihren Zustand ändert,
aber physikalisch nichts aussendet. Die passive Sensoreinheit 20 stellt
im informationstechnischen Sinne daher eine Informationsquelle,
und die aktive Sensoreinrichtung 21 eine Informationssenke
dar.
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Auch
der umgekehrte Fall ist denkbar, dann werden Informationen, z.B.
zu Kalibrationszwecken, von der aktiven Sensoreinrichtung 21 an
die passive Sensoreinrichtung 20 übertragen.
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Die
Information über
die Differenz zwischen passiver und aktiver Sensoreinheit bestimmt
eine Auswerteelektronik an Hand der Feldstärke der Signalantwort. Mit
zunehmendem Abstand A der Sensoreinheiten verringert sich die Feldstärke der
Signalantwort im Bereich der aktiven Sensoreinheit 21, was
für eine
zuverlässige
Abstandsmeßung
genutzt werden kann. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, als Auswerteelektronik
zur Bestimmung der Feldstärke einen
IC (Integrated Circuit) zu verwenden, der über einen RSSI-Ausgang (Received
Signal Strength Indicator) zur Ausgabe der stufenlosen Abstandsinformation
verfügt.
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Mit
zunehmenden Abstand A der Antennen 26, 27 der
beiden Sensoreinheiten 20, 21 reduziert sich die
Feldstärke
des an der Antenne 26 abgegriffenen Anfragesignals und
die Feldstärke
der an der Antenne 27 eintreffenden Signalantwort SA. Zur Bestimmung der Feldstärke der
Signalantwort SA verfügt die aktive Sensoreinheit 21 über ein
Transponder-Lesemodul 32 mit
einer entsprechenden Auswertelektronik. Das mittels der Empfangseinheit
der Sensoreinheit 21 abgegriffene Signal SA wird
in einem Bandpassfilter BP gefiltert und in einem Verstärker 28 verstärkt. Die
Generierung der Abstandsinformation A erfolgt in einem Auswertemodul.
Dieses verfügt über einen
weiteren IC, in dem das abgegriffene, gefilterte und vorverstärkte Signal
mit der Hauptträgerfrequenz,
vorzugsweise 13,35 MHz, einem Mischer zugeführt wird, dessen Ausgangsignal
ein modulierter Hilfsträger
ist. Die Signalstärke
des so übertragenen
Hilfsträgers
ist das Maß für den Abstand
A zwischen den Antennen 26, 27. Dieses Signal
ist gültig und
kann während
der Zeit t2 ausgewertet werden (2).
Nur während
dieser Zeit t2 trägt das Ausgangssignal des Mischers
also die Information über den
Abstand zwischen den Antennen 26, 27. Daraus resultiert
die Forderung, dass dieses Signal während dieser Zeit nur eine
abstandsmodulierte Amplitude aufweist, und nicht noch weitere, modulierte
Informationen beinhaltet. Aus diesem Grund wird die Information
vom Transponder 20 zur aktiven Sensoreinheit 21 frequenz-(FM,
FSK) oder phasenmoduliert (PM, PSK) übertragen. Demgegenüber würde bei Datenübertragung
vom Transponder 20 zu der aktiven Sensoreinheit 21 mittels
Amplitudenmodulation (AM, ASK) diese digital codierte Information
der abstandsproportionalen Feldstärkeinformation überlagert,
was die Qualität
der Messung beeinträchtigen würde.
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Vorzugsweise
wird die Stärke
des Hilfsträgersignals,
welches die Information über
den Abstand der Antennen 26, 27 darstellt, in
einem dem Mischer nachgeschalteten weiteren IC verstärkt und gefiltert,
der über
den logarithmischen RSSI-Ausgang (Received Signal Strenth Indicator)
verfügt.
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Die
Trägerfrequenz
ist ausreichend hoch gewählt,
damit das Zeitfenster für
die Signalanfrage t1 und das Zeitfenster
für die
Signalantwort t2 so kurz gehalten werden
kann, dass mindestens dreißig
Signalanfragen und zugehörige
Signalantworten pro Sekunde übertragen
werden können.
Auf diese Weise sind auch dynamische Abstandswerte, wie sie zwischen
relativ zueinander sich bewegenden Objekten auftreten, richtig erfassbar.
Die Gesamtzeit tg muss also mindestens kleiner
sein als 33,33 Millisekunden.
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Alternativ
kann die abstandsproportionale Feldstärkeinformation auch innerhalb
des Transponders 20 aus dem dort abgegriffenen Anfragesignal gebildet
werden. Hierzu muss der Transponder 20 über eine geeignete Auswerteschaltung
verfügen, die
die Größe der in
der Antenne 26 induzierten Spannung messen kann, noch bevor
diese von ggf. vorhandenen Begrenzerdioden innerhalb des Front-Ends
FE nichtlinear begrenzt wird. In diesem Fall wird die Information über die
Größe der gemessenen
Antennenspannung dem Mikroprozessor innerhalb der passiven Sensoreinheit 20 übermittelt, der
diese in geeigneter Weise codiert und mit den anderen Messdaten,
wie z.B. Temperatur, Druck, oder anderen physikalischen und chemischen
Messgrößen, an
die aktive Sensoreinheit 21 überträgt, z.B. im Wege der Lastmodulation.
Auch in diesem Fall wird das Verfahren schnell abgearbeitet, damit
mindestens dreißig
Abstandswerte pro Sekunde übertragen werden
können.
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3 zeigt
das Frequenzspektrum der Signalübertragung.
Zu erkennen ist, dass die Übertragung
des Antwortsignals SA nicht über die
Hauptträgerfrequenz
fT, die vorzugsweise 13,56 MHz oder 125
kHz bzw. 133 kHz beträgt,
erfolgt, sondern aufgrund der Modulation der Haupträgerfrequenz
mit dem seinerseits mit den zu übertragenden
Daten modulierten Hilfsträger
fH jeweils um +fH und –fH gegenüber
der Haupträgerfrequenz
verschoben.
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Durch
die Verteilung der Signalantwort SA bzw.
deren Feldstärke
sowie der darin enthaltenen Messwert-Informationen auf zwei um jeweils
fH gegenüber
der Hauptträgertrequenz
fT verschobene Seitenbänder, kann trägerfrequenznahes
Rauschen durch die Auswertelektronik des Transponder-Lesemoduls 32 besser
unterdrückt
werden bzw. entsteht ein derartiges Rauschen erst gar nicht. Auch
liegt die zu übertragende
Information nicht in einem der ISM-Bänder, die weltweit für die kommerzielle
Nutzung freigegeben sind, so dass in der Praxis weniger Störungen auftreten.
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Indem
die in der abstandsproportionalen Feldstärke enthaltene Meßwert-Information
sowohl im oberen als auch im unteren Frequenzband vorhanden ist,
ergibt sich eine systembedingt redundante Übertragung, die von der Auswertelektronik
zur Fehlererkennung und zur Fehlerkorrektur genutzt werden kann.
Sollte z.B. in einem der beiden Bänder eine Störfrequenz
die Übertragung
zwischen den beiden Sensoreinheiten 20, 21 beeinträchtigen,
so kann die Auswertelektronik des Transponder-Lesemoduls dies erkennen
und darauf hin entweder das entsprechende anderen Frequenzband zur
Auswertung heranziehen, oder, falls dieses auch gestört sein
sollte, aus den Fragmenten der in beiden Frequenzbändern übertragenen Daten die Feldstärkeinformationen korrekt rekonstruieren,
z.B. durch Anwendung des sogenannten ISR-Receiverprinzips (Independent
Sideband Receiver). Zur Prüfung
der Datenübertragung kann
dazu einerseits im Sinne einer Plausibilitätsprüfung eine Vergleich zwischen
den Signalen beider Frequenzbänder,
oder aber ein sequentielles, zyklisches Fehler-Erkennungsverfahren
durchgeführt werden,
z.B. ein CRC-Check (Cyclic Redundancy Check).
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Darüber hinaus
läßt sich
die passive Sensoreinheit 20 auch mit einem Oberflächenwellentransponder
realisieren. Dieser antwortet bei Anregung durch einen hochfrequenten
Impuls des Lesegerätes je
nach Temperatur-, Druck- und Abstandsmesswerten mit Änderungen
in Signallaufzeit, -frequenz und/oder -phasenlage. Diese Änderungen
lassen sich dann vom Lesegerät
auswerten.
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- 20
- passive
Sensoreinheit, Transponder
- 21
- aktive
Sensoreinheit
- 23
- Mikroprozessor
- 24
- Ausgang,
Demodulator
- 25
- Ausgang
RSSI-Ausgang
- 26
- Antenne
- 27
- Antenne
- 28
- Verstärker
- 30
- Sensor,
Drucksensor
- 31
- Sensor,
Temperatursensor
- 32
- Transponder-Lesemodul
- 33
- Kondensator
- 34
- Kondensator
- 35
- Spannungsquelle
- 40
- Masse
- 41
- Takt
- 42
- Daten
- A
- Abstand
- P
- Druck
- T
- Temperatur
- SA
- Signalantwort
- BP
- Bandpassfilterung
- E
- elektromagnetisches
Wechselfeld
- UB
- Betriebsspannung
- Ri
- Widerstand
- FE
- Front-End
- f
- Frequenz,
Sendefrequenz
- fT
- Hauptträgerfrequenz
- fH
- Hilfträgerfrequenz
- t1
- Zeit
- t2
- Zeit
- tg
- Gesamtzeit