DE19500805A1 - Datenübertragung zwischen einem Schreib-Lese-Gerät und einer batterielosen Chipkarte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Schreib-Lese-Gerät und einer batterielosen Chip­ karte gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine be­ schreibbare Chipkarte für die kontaktfreie Datenübertragung von einem Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte gemäß Oberbegriff des Anspruches 11.

Kontakt- und batterielose Chipkarten finden in den letzten Jahren zunehmend eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, wobei hierunter Datenträger zu verstehen sind, die eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem nichtflüchtigen Speicher enthalten, auf dem z. B. personenbezogene Daten ge­ speichert und von diesem abgerufen werden können. Derartige Chipkarten finden Einsatz vornehmlich im Bereich der Identifi­ kation, beispielsweise für Kartentelefone od. dgl., darüber hinaus aber auch als Karten mit Wertfunktion, beispielsweise in Telefon- oder Kreditkarten, auf denen Verbrauchswerte direkt von einem Guthaben abgebucht werden können. Derartige Chipkarten weisen einen prinzipiell einfachen Aufbau auf, wobei zunehmend batterielose Chipkarten genutzt werden, bei denen die Spannungsversorgungsfunktion auf ein zu dem Chipkartensystem gehöriges Schreib-Lese-Gerät verlagert wird. Die Energiever­ sorgung erfolgt bevorzugt durch transformatorische Kopplung über ein Wechselfeld, das von dem Schreib-Lese-Gerät erzeugt wird. Neben der Übertragung der Energie auf die Chipkarte kann die Datenübertragung ebenfalls mit Hilfe einer Beeinflussung des Wechselfeldes erfolgen, wozu hier üblicherweise verschiedene Modulationsverfahren des Wechselfeldes genutzt werden.

Ein geeignetes Verfahren zur Modulation des Wechselfeldes zeigt die DE 41 07 311 A1. Hierbei wird einem Hochfrequenzfeld, in das der Datenträger gebracht wird, zum einen die Versorgungs­ spannung der Halbleiterschaltung entnommen, wobei gleichzeitig das Hochfrequenzfeld zur Übertragung von Logikpegeln und Kommandobefehlen derart ein- und ausgeschaltet wird, daß die Dauer der Sendepausen konstant ist, jedoch die Sendedauer in Abhängigkeit der zu übertragenden Logikpegel und Kommando­ befehle jeweils unterschiedlich lang ist. Die Sendedauer be­ stimmt sich dabei aus der Anzahl der gesendeten Perioden des Hochfrequenzfeldes, wobei zur Rückgewinnung der mit dem Hoch­ frequenzfeld gesendeten Daten die Anzahl der zwischen zwei Sendepausen empfangenen Perioden des Hochfrequenzfeldes fest­ gestellt, gespeichert und ausgewertet wird. Zur Bestimmung der Periodenzahl wird dabei ausschließlich während der Sendezeit ein Taktsignal erzeugt. Problematisch an der in der DE 41 07 311 AI vorgeschlagenen Funktionsweise zur drahtlosen Übertragung von Daten ist, daß durch das ständige Ein- und Ausschalten des Hochfrequenzfeldes nicht nur die Datenübertragung in von­ einander unterscheidbare Informationseinheiten gegliedert wird, sondern daß das Ausschalten des Hochfrequenzfeldes gleichzeitig ein Zusammenbrechen der Spannungsversorgung für den Betrieb der Chipkarte bedeutet. Dieses Problem wird in der DE 41 07 311 A1 dadurch umgangen, daß zur Überbrückung des Spannungsausfalles ein Speicherkondensator auf der Chipkarte vorgesehen wird, der während des Spannungsausfalles für die weitere Spannungsver­ sorgung der Chipkarte sorgen muß. Da insbesondere bei längeren Unterbrechungen der Spannungsversorgung dafür gesorgt sein muß, daß der Betrieb der Chipkarte weiterhin aufrechterhalten bleiben kann, ist der Kondensator gegebenenfalls entsprechend groß auszuführen. Ebenfalls bedeutet dies einen erhöhten Schaltungsaufwand.

Zur Erzeugung eines internen Taktsignales auf der Chipkarte sind die Chipkarten mit Takterzeugerschaltungen ausgestattet, die auf Basis eines Quarzes oder eines Resonators eine relativ stabile Taktfrequenz liefern. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen werden Chipkarten zunehmend mit einfachen Takterzeuger­ schaltungen, vorzugsweise in Form von RC-Oszillatoren, ausge­ stattet, die auf Grund ihrer Funktionsweise jedoch mit Toleranzen von bis zu 50 Prozent behaftet sind. Diese aus wirtschaftlichen Gründen vorgenommene Ausstattung einer Chip­ karte mit einem einfachen RC-Oszillator hat aber gleichzeitig zur Folge, daß auch die Arbeitsgeschwindigkeit der auf der Chipkarte vorgesehenen Datenverarbeitungseinrichtung, die von dem Takterzeuger angesteuert wird, ebenfalls mit entsprechenden Toleranzen schwankt. Zur Gewährleistung einer korrekten Funktionsweise bei der Datenübertragung ist die Verarbeitungs­ geschwindigkeit der Datenverarbeitungseinrichtung auf der Chip­ karte in Abhängigkeit von der Toleranz des RC-Oszillators auf die Geschwindigkeit der Sendeeinrichtung im Schreib-Lese-Gerät abzustimmen. Hierdurch kann die Abweichung der Verarbeitungs­ geschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Toleranz des RC- Oszillators bei der Datenübertragung berücksichtigt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Schreib-Lese-Gerät und einer Chipkarte zu entwickeln, was die Schwankungen der Takterzeugung auf der Chipkarte ausgleichen kann und eine sichere Datenübertragung gewährleistet, wobei die zu ent­ wickelnde Chipkarte mit einem minimalen schaltungstechnischen Aufwand die Ausführung der Datenübertragung gewährleisten soll.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 11.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Datenübertragung ist es, daß die vom Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte übertragene Versorgungswechselspannung mittels Umschaltung zwischen unterschiedlichen Frequenzen moduliert wird, wobei jeder der Frequenzen ein logischer Zustand einer Codierung beim Übertragen der Daten zugeordnet wird. Auf der Empfängerseite wird diese modulierte Versorgungswechselspannung in zeitlichen gleichen Abständen zyklisch und in festlegbar gleich langen Zeitintervallen erfaßt, wobei Veränderungen der übertragenen Versorgungswechselspannung zur Decodierung der mittels Modulation aufgeprägten Daten genutzt werden. Hierdurch wird insbesondere die Spannungsversorgung der Chipkarte nicht unter­ brochen, sondern nur zwischen zwei verschiedenen Frequenzen umgeschaltet, so daß sich zusätzliche Einrichtungen auf der Chipkarte zur Energiezwischenspeicherung erübrigen. Die Über­ tragung der Daten erfolgt in zyklisch gleich beabstandeten Zeitintervallen, wobei die Länge der Zeitintervalle festlegbar, aber immer gleich lang zu wählen ist. Das auf der Chipkarte empfangene Signal des Schreib-Lese-Gerätes wird innerhalb dieses Zeitinervalles daraufhin untersucht, welche Frequenz vorliegt, so daß für jedes Zeitintervall eindeutig feststellbar ist, welche der der Frequenz zugeordnete Codierung einer Dateneinheit gerade übertragen worden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenzerfassung durch reines Auszählen der Schwingungen der übertragenen Ver­ sorgungswechselspannung innerhalb eines Zeitintervalls vorge­ nommen, wobei ein Vergleich der erfaßten Schwingungszahl mit der zugeordneten Codierung eine Decodierung der übertragenen Dateneinheit erlaubt. Besonders bevorzugt wird die Codierung dadurch vorgenommen, daß unterschiedliche Umschaltdauern der Versorgungswechselspannung direkt einen entsprechenden Code bilden.

Zum Übertragen von Dateneinheiten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren muß vor Beginn der eigentlichen Datenübertragung eine Synchronisierung zwischen der Chipkarte und dem Schreib-Lese- Gerät erfolgen, die laufend und zyklisch durch Bestimmen der internen Taktfrequenz der Auswerteeinrichtung auf der Chipkarte sowie einem nachfolgend erfolgendem Berechnen der momentanen Verarbeitungsgeschwindigkeit und einem Normieren von Daten­ rahmen für das Übertragen der Daten besteht. In einer bevor­ zugten Ausführungsform wird eine derartige Synchronisation zyklisch und wiederholt für bestimmte Abfolgen von Datenein­ heiten wiederholt. Die Bestimmung der internen Taktfrequenz der Auswertungseinrichtung erfolgt in analoger Weise zur Frequenz­ bestimmung bei der Datenübertragung durch Auszählen von Schwingungen der in ihrer Frequenz bekannten Versorgungs­ wechselspannung während eines festlegbaren Zeitintervalls. Aus dieser Taktfrequenz der Auswertungseinrichtung kann deren momentane Verarbeitungsgeschwindigkeit bei bekannter Länge des Zeitintervalls direkt berechnet werden, so daß sich ein Normierungsfaktor für die dem Zeitintervall entsprechende Breite eines Datenrahmens ermitteln läßt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz der Versorgungswechselspannung zwischen mindestens zwei sich deutlich unterscheidenden Werten umgeschaltet, wobei die Frequenzwerte vorzugsweise einen gleichen gemeinsamen Teiler, also ein Vielfaches voneinander bilden. In besonders bevor­ zugter Weise erfolgt die Umschaltung der Frequenz der Ver­ sorgungswechselspannung für einen Zeitraum, der deutlich länger als die Länge der Zeitintervalle für die Frequenzbestimmung ist. Hierdurch können Abweichungen und Fehler in der Daten­ übertragung eliminiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für die Datenübertragung von einer Chipkarte zu einem Schreib-Lese- Gerät einer nichtbeschreibbaren Chipkarte als Modelations­ verfahren die Pulsweitenmodulation genutzt. Hierzu sollte die Chipkarte in einem Betriebszustand umschaltbar sein, in dem ausschließlich ein Lesen dieser nichtbeschreibbaren Chipkarte möglich ist.

Eine beschreibbare Chipkarte für die kontaktfreie Datenüber­ tragung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 von einem Schreib- Lese-Gerät auf die Chipkarte weist zum einen Antennenein­ richtungen zum drahtlosen Senden und/oder Empfangen zwischen dem Schreib-Lese-Gerät und der Chipkarte mittels transfor­ matorischer Kopplung auf. Gleichzeitig ist mindestens eine Aus­ wertungseinrichtung, diese vorzugsweise in Form eines Halb­ leiterchips als zentrale Datenverarbeitungseinrichtung, auf der Chipkarte vorzusehen. Auf der Chipkarte sind weiterhin Ein­ gangsschaltungen zur Gewinnung von Versorgungsspannungen aus übertragenen Spulenströmen aufgrund der transformatorischen Kopplung vorzusehen und darüber hinaus Takterzeugerschaltungen, wobei diese vorzugsweise in Form von RC-Oszillatoren ausgeführt sind. Die erfindungsgemäße Chipkarte weist dabei zwei Antennen­ einrichtungen zur Übertragung von Daten und/oder von Energie auf, die jeweils mit Eingangsschaltungen und der Auswertungs­ einrichtung verbunden sind, wobei die eine Antenneneinrichtung für die erfindungsgemäße Daten- und Energieübertragung nach Anspruch 1 vom Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte nutzbar ist und die andere Antenneneinrichtung ausschließlich zur Daten­ übertragung von der Chipkarte auf das Schreib-Lese-Gerät vorge­ sehen ist. Hierdurch ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Chipkarte auch in Geräten ausschließlich zum Lesen der Karten­ informationen möglich.

Die Ermittlung der Frequenz der Versorgungs-Wechselspannung kann bevorzugt auf der erfindungsgemäßen Chipkarte entweder durch die zentrale Datenverarbeitungseinrichtung selbst vorgenommen werden, es ist auch denkbar, daß ein separater Zählerbaustein auf der Chipkarte diese Frequenz erfaßt.

Zur Gewährleistung der Kompatibilität mit älteren, nur zum Lesen vorgesehenen Chipkartenformaten ist die erfindungsgemäße Chipkarte derart umschaltbar ausgebildet, daß nach Erkennen eines Umschaltcodes die Datenübertragung von der Chipkarte auf das Schreib-Lese-Gerät mittels der zweiten Antenneneinrichtung erfolgt und die erste Antenneneinrichtung nur zur Energie­ übertragung dient.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zur Datenübertragung sowie der erfindungsgemäßen Chip­ karte zeigt die Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 Es zeigen ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Chipkarte,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Modulation mit bei dem Datenaustausch.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Chipkarte 1 mit den beiden Antenneneinrichtungen 3 und 4 sowie der Eingangs­ schaltung 5 und dem Chip 2 als Datenverarbeitungseinrichtung dargestellt. Die erste Antenneneinrichtung 3 dient hierbei sowohl zum Übertragen der Versorgungswechselspannung als auch zum Empfangen der der Versorgungswechselspannung aufmodulierten Daten, die zweite Antenneneinrichtung 4 dient lediglich zum Aus lesen von Inhalten der nicht dargestellten Speicher der Chipkarte mittels eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation.

In der Fig. 2 ist die grundsätzliche Funktionsweise des er­ findungsgemäßen Verfahrens zur Datenübertragung mittels Modu­ lation der Versorgungswechselspannung dargestellt. Die Ver­ sorgungswechselspannung wird hierbei zwischen einer hohen Frequenz 10 und einer niedrigen Frequenz 11 dergestalt um­ geschaltet, daß die Umschaltung für eine Zeitdauer 7 einem Signal entsprechend einer logischen 0 entspricht und eine Um­ schaltung entsprechend einer hier längeren Zeit 8 einem Signal entsprechend einer logischen 1. Durch Hintereinanderreihung von derartigen Umschaltungen 7, 8 kann unter Zwischenschaltung einer Umschaltlücke 6 die Versorgungsspannung gleichzeitig in codierter Form die Daten von dem Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte 1 übertragen. Während dieser Umschaltungen wird ständig eine Versorgungswechselspannung auf die Chipkarte 1 übertragen, so daß ein Betrieb der Chipkarte 1 auch ohne entsprechende Energie-Zwischenspeicherung möglich ist. Auf Seiten der Chipkarte 1 wird nun in einem Zeitraster, das deutlich kleiner ist als die Dauer der Umschaltung 7,8 ent­ sprechend der Signale logisch 0 oder logisch 1, die jeweils anliegende Frequenz der Versorgungs-Wechselspannung erfaßt. Dies erfolgt, in dem in einem festen Zeitintervall, vorzugsweise im Bereich von µ-Sekunden, die übertragene Frequenz der Versorgungswechselspannung durch Auszählen der Schwingungen der Versorgungswechselspannung bestimmt wird. Die Umschaltung der Versorgungswechselspannung erfolgt hingegen im Bereich von Millisekunden, so daß die Datenverarbeitungs­ einrichtung 2 der Chipkarte 1 aufgrund der kurzen Zeitinter­ valle zur Frequenzbestimmung exakt die Umschaltzeitpunkte und damit auch die Dauer der Umschaltung ermitteln kann. Es ist somit für jedes Zeitintervall im µ-Sekunden-Bereich eindeutig möglich, die Frequenz zu ermitteln.

Aufgrund der Toleranzen der in der Fig. 1 nicht dargestellten Takterzeugerschaltung, hier vorzugsweise eines RC-Oszillators, ist es erforderlich, eine Synchronisation zwischen dem nicht dargestellten Schreib-Lese-Gerät und Chipkarte 1 durchzuführen, die eine Ermittlung der Geschwindigkeit der Datenverarbeitungs­ einrichtung 2 erlaubt. Dies erfolgt in prinzipiell gleicher Art zur Ermittlung der Frequenz innerhalb eines Zeitintervalles, wobei die für diese Synchronisation festgelegte Frequenz der Versorgungswechselspannung als Zeitnormal genutzt wird, inner­ halb dessen die Datenverarbeitungseinrichtung 2 der Chipkarte 1 ihre eigene Taktfrequenz aus zählen und mit einem Sollwert vergleichen kann. Aufgrund der so festgestellten Abweichungen kann ein Korrekturwert für die Geschwindigkeit der Datenverarbeitungseinrichtung 2 auf der Chipkarte 1 ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

 1 - Chipkarte
 2 - Datenverarbeitungseinrichtung
 3 - erste Antenneneinrichtung
 4 - zweite Antenneneinrichtung
 5 - Eingangsschaltung
 6 - Umschaltlücke
 7 - logisch 0
 8 - Signal entsprechend logisch 1
10 - hohe Frequenz der Versorgungswechselspannung
11 - niedrige Frequenz

Claims (15)

1. Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Schreib- Lese-Gerät und einer batterielosen Chipkarte, wobei zum Betrieb der Chipkarte eine Versorgungswechselspannung vom Schreib-Lese-Gerät mittels transformatorischer Kopplung auf die Chipkarte übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Daten durch Modulation der Versorgungswechselspannung mit­ tels Umschaltung zwischen unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden, wobei vorher bestimmten Umschaltdauern logische Zustände einer Codierung beim Übertragen der Daten zugeordnet wurden, und auf der Chipkarte zyklisch gleichbeabstandet und in festlegbar gleichlangen Zeitintervallen Umschaltdauer und Frequenz der übertrage­ nen Versorgungswechselspannung erfaßt und zur Decodierung genutzt werden.

2. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in jedem Zeitintervall über­ tragene Dateneinheit durch Auszählen von Schwingungen der übertragenen Versorgungswechselsspannung während des Zeit­ intervalls und Vergleich mit der zugeordneten Codierung decodierbar ist.

3. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Umschalt­ dauern der Versorgungswechselspannung einer binären Codierung der Daten zugeordnet werden.

4. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Übertragen von Dateneinheiten eine Synchronisation zwischen Chipkarte und Schreib-Lese- Gerät laufend und zyklisch mittels der Schritte erfolgt,

• - Bestimmen der internen Taktfrequenz einer Auswertungseinrichtung auf der Chipkarte,
• - Berechnen der momentanen Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswertungseinrichtung,
• - Normieren von Datenrahmen für das Übertragen der Da­ ten.

5. Verfahren zur Datenübertragung nach einem der Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Takt­ frequenz der Auswertungseinrichtung durch Auszählen von Schwingungen der in ihrer Frequenz bekannten Versorgungs­ wechselspannung während eines festlegbaren Zeitintervalls ermittelt wird.

6. Verfahren zur Datenübertragung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die momentane Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswertungseinrichtung anhand gezählter Takte der Versorgungswechselspannung innerhalb des Zeitintervalls berechnet wird.

7. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Versorgungswechsel­ spannung zwischen mindestens zwei sich deutlich unter­ scheidenden Werten, vorzugsweise von Frequenzwerten mit gemeinsamen Teiler, umgeschaltet wird.

8. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Frequenz der Versorgungswechselspannung bei der Übertragung einer Dateneinheit für eine Vielzahl von Zeitintervallen zur Erfassung der Frequenz erfolgt.

9. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationsverfahren zum Lesen von Daten auf der Chipkarte eine Pulsweitenmodulation genutzt wird.

10. Verfahren zur Datenübertragung nach einem der Ansprüche 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Chipkarte in einen Be­ triebszustand umschaltbar ist, in dem ausschließlich ein Lesen nicht beschreibbarer Chipkarten möglich ist.

11. Beschreibbare Chipkarte für die kontaktfreie Datenübertra­ gung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 von einem Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte, wobei die bat­ terielose Chipkarte aufweist

• - Antenneneinrichtungen zum drahtlosen Senden und/oder Empfangen zwischen dem Schreib-Lese-Gerät und der Chipkarte mittels transformatorischer Kopplung,
• - mindestens eine Auswertungseinrichtung, vorzugsweise in Form eines Halbleiterchips als zentraler Datenver­ arbeitungseinrichtung,
• - Eingangsschaltungen zur Gewinnung von Versorgungs­ spannungen aus Spulenströmen,
• - Takterzeugerschaltungen, vorzugsweise in Form von RC- Oszillatoren

dadurch gekennzeichnet, daß die Chipkarte zwei Antenneneinrichtungen zur Übertragung von Daten und/oder von Energie aufweist, die jeweils mit Eingangsschaltungen und der Auswertungseinrichtung ver­ bunden sind, wobei die eine Antenneneinrichtung für die Energie- und Datenübertragung vom Schreib-Lese-Gerät auf die Chipkarte und die andere Antenneneinrichtung aus­ schließlich zur Datenübertragung von der Chipkarte auf das Schreib-Lese-Gerät nutzbar ist.

12. Beschreibbare Chipkarte nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zentrale Datenverarbeitungseinrichtung auf der Chipkarte die Frequenz der Versorgungswechsel­ spannung direkt erfaßt.

13. Beschreibbare Chipkarte nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein separater Zählerbaustein auf der Chip­ karte die Frequenz der Versorgungswechselspannung erfaßt.

14. Beschreibbare Chipkarte nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antenneneinrichtung zur ausschließlichen Datenübertragung so angeordnet ist, daß ein Lesen nichtbe­ schreibbarer Chipkarten durchführbar ist.