DE19500805C2

DE19500805C2 - Datenübertragung zwischen einem Schreib-Lese-Gerät und einer batterielosen Chipkarte

Info

Publication number: DE19500805C2
Application number: DE1995100805
Authority: DE
Inventors: Paul Gauselmann
Original assignee: ASP Gauselmann GmbH
Current assignee: ASP Gauselmann GmbH
Priority date: 1995-01-13
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2015-01-14
Also published as: ES2111486B1; ES2111486A1; DE19500805A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Schreib- Lese-Gerät und einer batterielosen Chipkarte gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

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 ent halten, auf dem z. B. personenbezogene Daten gespeichert und von diesem abge rufen werden können. Derartige Chipkarten finden Einsatz vornehmlich im Bereich der Identifikation, 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. Der artige Chipkarten weisen einen prinzipiell einfachen Aufbau auf, wobei zunehmend batterielose Chipkarten genutzt werden, bei denen die Spannungsversorgungsfunk tion auf ein zu dem Chipkartensystem gehöriges Schreib-Lese-Gerät verlagert wird. Die Energieversorgung 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 Versorgungsspannung der Halbleiterschaltung entnommen, wobei gleich zeitig das Hochfrequenzfeld zur Übertragung von Logikpegeln und Kommandobe fehlen derart ein- und ausgeschaltet wird, daß die Dauer der Sendepausen konstant ist, jedoch die Sendedauer in Abhängigkeit der zu übertragenden Logikpegel und Kommandobefehle jeweils unterschiedlich lang ist. Die Sendedauer bestimmt sich dabei aus der Anzahl der gesendeten Perioden des Hochfrequenzfeldes, wobei zur Rückgewinnung der mit dem Hochfrequenzfeld 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 A1 vorgeschlagenen Funktionsweise zur drahtlosen Übertragung von Daten ist, daß durch das ständige Ein- und Ausschalten des Hoch frequenzfeldes nicht nur die Datenübertragung in voneinander unterscheidbare In formationseinheiten gegliedert wird, sondern daß das Ausschalten des Hochfre quenzfeldes gleichzeitig ein Zusammenbrechen der Spannungsversorgung für den Betrieb der Chipkarte bedeutet. Dieses Problem wird in der DE 41 07 311 A1 da durch umgangen, daß zur Überbrückung des Spannungsausfalles ein Speicherkon densator auf der Chipkarte vorgesehen wird, der während des Spannungsausfalles für die weitere Spannungsversorgung 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 Kon densator gegebenenfalls entsprechend groß auszuführen. Ebenfalls bedeutet dies einen erhöhten Schaltungsaufwand.

Ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren zeigt die DE 39 28 571 A1, bei der eine Datenübertragung von der Lese/Schreibeinheit zu einem Speichermodul mittels eines Frequenzcodes beschrieben ist, wobei der Frequenzcode vier Komponenten in Form eines Datenpaketes aufweist: Eine Präambel, einen ersten Terminator, Daten und einen zweiten Terminator. Die Präambel des Frequenzcodesignals besteht aus einer bestimmten Anzahl von Wellen einer ersten Frequenz, der erste Terminator weist eine bestimmte Anzahl von Wellen einer zweiten Frequenz im Anschluß an die genannte Präambel auf, danach werden Daten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wellen der ersten Frequenz in Übereinstimmung mit den Datenbits 1 oder 0 und dem Befehl nach dem ersten Terminator übertragen, wobei die Anzahl der Wellen der Daten kleiner ist als die Anzahl der Wellen der Präambel. Der zweite Terminator weist dieselbe Anzahl von Wellen derselben Frequenz auf wie der erste Terminator und beendet das Datenpaket. Die derart paketmäßig übertragene Dateneinheit weist den Nachteil auf, daß neben den reinen Nutzdaten ein sehr großer Anteil von Syn chronisierungsdaten bzw. Kennungsdaten für die Kennzeichnung des Datenpaketes übertragen werden müssen. Hierdurch ist die Datenrate gering, darüberhinaus wer den zur Erkennung der Frequenzen der Terminatoren und der Präambel spezielle Auswerteschaltungen benötigt, um Präambel und Terminator sicher von den Daten unterscheiden zu können.

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

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Datenübertra gung zwischen einem Schreib-Lese-Gerät und einer Chipkarte zu entwickeln, das die Schwankungen der Takterzeugung auf der Chipkarte ausgleichen kann und eine sichere Datenübertragung gewährleistet.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

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 Über tragen der Daten zugeordnet wird. Auf der Empfängerseite wird diese modulierte Versorgungswechselspannung in zeitlichen gleichen Abständen zyklisch und in fest legbar 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 unterbrochen, sondern nur zwischen zwei verschiedenen Frequenzen umgeschaltet, so daß sich zusätzliche Einrichtungen auf der Chipkarte zur Energie zwischenspeicherung erübrigen. Die Übertragung 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 Zeitintervalles daraufhin untersucht, wel che Frequenz vorliegt, so daß für jedes Zeitintervall eindeutig feststellbar ist, welche der der Frequenz zugeordnete Codierung einer Dateneinheit gerade übertragen wor den ist. Insbesondere ist eine Übertragung von Daten möglich, die nach einer erfolg ten Synchronisierung in den festen Zeitintervallen eine große Länge und damit eine entsprechend große Datenmenge ermöglicht. Gegenüber den Paket-Übertra gungstechniken aus dem Stand der Technik läßt sich hiermit eine deutliche Verbes serung der Datenübertragungsrate erreichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenzerfassung durch reines Auszählen der Schwingungen der übertragenen Versorgungswechselspannung in nerhalb eines Zeitintervalls vorgenommen, wobei ein Vergleich der erfaßten Schwin gungszahl mit der zugeordneten Codierung eine Decodierung der übertragenen Da teneinheit 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 Be stimmen der internen Taktfrequenz der Auswerteeinrichtung auf der Chipkarte sowie einem nachfolgend erfolgendem Berechnen der momentanen Verarbeitungsge schwindigkeit und einem Normieren von Datenrahmen für das Übertragen der Daten besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine derartige Synchronisation zyklisch und wiederholt für bestimmte Abfolgen von Dateneinheiten wiederholt. Die Bestimmung der internen Taktfrequenz der Auswertungseinrichtung erfolgt in analoger Weise zur Frequenzbestimmung bei der Datenübertragung durch Auszählen von Schwingungen der in ihrer Frequenz bekannten Versorgungswechselspannung wäh rend eines festlegbaren Zeitintervalls. Aus dieser Taktfrequenz der Auswertungsein richtung 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 Versorgungs wechselspannung zwischen mindestens zwei sich deutlich unterscheidenden Werten umgeschaltet, wobei die Frequenzwerte vorzugsweise einen gleichen gemeinsamen Teiler, also ein Vielfaches voneinander bilden. In besonders bevorzugter Weise er folgt die Umschaltung der Frequenz der Versorgungswechselspannung für einen Zeitraum, der deutlich länger als die Länge der Zeitintervalle für die Frequenzbe stimmung ist. Hierdurch können Abweichungen und Fehler in der Datenübertragung eliminiert werden.

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

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Daten übertragung sowie der erfindungsgemäßen Chipkarte 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 Antennenein richtungen 3 und 4 sowie der Eingangsschaltung 5 und dem Chip 2 als Datenverar beitungseinrichtung dargestellt. Die erste Antenneneinrichtung 3 dient hierbei sowohl zum Übertragen der Versorgungswechselspannung als auch zum Empfangen der der Versorgungswechselspannung aufmodulierten Daten, die zweite Antenneneinrich tung 4 dient lediglich zum Auslesen von Inhalten der nicht dargestellten Speicher der Chipkarte mittels eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation.

In der Fig. 2 ist die grundsätzliche Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfah rens zur Datenübertragung mittels Modulation der Versorgungswechselspannung dargestellt. Die Versorgungswechselspannung wird hierbei zwischen einer hohen Frequenz 10 und einer niedrigen Frequenz 11 dergestalt umgeschaltet, daß die Um schaltung für eine Zeitdauer 7 einem Signal entsprechend einer logischen 0 ent spricht und eine Umschaltung entsprechend einer hier längeren Zeit 8 einem Signal entsprechend einer logischen 1. Durch Hintereinanderreihung von derartigen Um schaltungen 7, 8 kann unter Zwischenschaltung einer Umschaltlücke 6 die Versor gungsspannung 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 entsprechend 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 Datenverarbeitungseinrichtung 2 der Chipkarte 1 aufgrund der kurzen Zeit intervalle zur Frequenzbestimmung exakt die Umschaltzeitpunkte und damit auch die Dauer der Umschaltung ermitteln kann. Es ist somit für jedes Zeitintervall im µ-Se kunden-Bereich eindeutig möglich, die Frequenz zu ermitteln.

Aufgrund der Toleranzen der in der Fig. 1 nicht dargestellten Takterzeugerschal tung, hier vorzugsweise eines RC-Oszillators, ist es erforderlich, eine Synchronisa tion zwischen dem nicht dargestellten Schreib-Lese-Gerät und Chipkarte 1 durch zuführen, die eine Ermittlung der Geschwindigkeit der Datenverarbeitungseinrichtung 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, innerhalb dessen die Datenverarbeitungseinrichtung 2 der Chipkarte 1 ihre eigene Taktfrequenz auszählen und mit einem Sollwert vergleichen kann. Aufgrund der so festgestellten Abweichun gen kann ein Korrekturwert für die Geschwindigkeit der Datenverarbeitungseinrich tung 2 auf der Chipkarte 1 ermittelt werden.

Bezugszeichenliste

1

Chipkarte

2

Datenverarbeitungseinrichtung

3

erste Antenneneinrichtung

4

zweite Antenneneinrichtung

5

Eingangsschaltung

6

Umschaltlücke

7

logisch O

8

Signal entsprechend logisch

1

10

hohe Frequenz der Versorgungswechselspannung

11

niedrige Frequenz

Claims

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 nach vorherigem Synchronisieren zwischen der Chipkarte und dem Schreib-Lese-Gerät Daten durch Modulation der Versorgungswechsel spannung mittels 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 gleich beabstandet und in festlegbar gleichlangen Zeitintervallen Umschaltdauer und Frequenz der übertragenen Versorgungs wechselspannung erfaßt und zur Decodierung benutzt werden.

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

3. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß unterschiedliche Umschaltdauern der Ver sorgungswechselspannung einer binären Codierung der Daten zugeordnet werden.

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

- Bestimmen der internen Taktfrequenz einer Auswerteinrichtung auf der Chipkarte,
- Berechnen der momentanen Bearbeitungsgeschwindigkeit der Auswertungseinrichtung,
- Normieren von Datenrahmen für das Übertragen der Daten.

5. Verfahren zur Datenübertragung nach einem der Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Taktfrequenz der Auswertungseinrichtung durch Auszählen von Schwingungen der in ihrer Frequenz bekannten Versorgungswechselspannung 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 Versorgungs wechselspannung innerhalb des Zeitintervalls berechnet wird.

7. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Versorgungswechselspannung zwischen mindestens zwei sich deutlich unterscheidenden Werten, vorzugsweise von Frequenz werten mit gemeinsamen Teiler, umgeschaltet wird.

8. Verfahren zur Datenübertragung nach Anspruch 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Frequenz der Versorgungs wechselspannung 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 Betriebszustand umschaltbar ist, in dem ausschließlich ein Lesen nicht beschreibbarer Chipkarten möglich ist.