DE4001162C2 - Induktives Identifikationssystem zum berührungslosen Erkennen und/oder Markieren von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Identifikationssystem zum berührungs­ losen Erkennen und/oder Markieren von Objekten.

Ein induktives Identifikationssystem ermöglicht es, markierte Objekte ein­ deutig zu erkennen. Die Markierung der Objekte erfolgt über eine in einem Code- oder Datenträger gespeicherte Nummer, die induktiv lesbar ist.

Die DE 33 07 579 A1 betrifft eine Einrichtung zur kontaktlosen Abfrage eines Datenträgers, der durch einen hochfrequenten Sender angeregt wird und des­ sen Daten von einem Hochfrequenzempfänger aufgenommen werden. Der Datenträger besitzt einen Empfangskreis und setzt die empfangene Frequenz durch ein Schaltelement, welches eine Diode oder ein integrierter Schaltkreis sein kann, in eine höhere Frequenz um, die wiederum durch den Sendekreis des Datenträgers abgestrahlt und auf den Empfänger übertragen wird.

Die EP 0 245 605 A2 beinhaltet ein induktives Identifikationssystem mit einem Codeträger, in dem die für die Identifikation verwendete Nummer oder Infor­ mation gespeichert ist, mit einem Lese- oder Schreib-/Lesekopf, der mittels induktiver Kopplung die Datenübertragung mit dem Code- oder Datenträger in beide Richtungen durchführt und mit einer Auswerteeinheit, die die Informa­ tionen aufbereitet, die Datenübertragung steuert und vorzugsweise mit einem übergeordneten Rechner kommuniziert.

Abhängig vom Codeträger sind zwei Systemvarianten möglich, nämlich entwe­ der nur Lesen oder Schreiben und Lesen. Das zweite Prinzip ermöglicht zusätz­ lich eine materialflußbegleitende Datenübertragung, bei der die Objekte die ihnen zugeordneten Daten direkt in einem Datenträger mitsichführen können.

Der Codeträger besteht aus einem Chip mit einem Speicher zur Speicherung der Nummer und einem L-C-Schwingkreis, dessen Spule mit dem Chip über Anschlüsse verbunden ist. Der Codeträger kann dabei sehr klein und in vielen unterschiedlichen Formen verfügbar sein. Dabei kann der Codeträger direkt in das zu identifizierende Objekt integriert oder auf demselben geeignet angeord­ net sein. Der Schwingkreis des Lesekopfes stellt einen Serienresonanzkreis mit Sende- und eine Empfangsspule dar und hat die Aufgabe, den Codeträger mit Energie zu versorgen, die Signale vom Codeträger zu empfangen und auf­ zubereiten. Die erzeugten Signale bestehen immer mindestens aus einer halben Sinusschwingung. Als Sendesignale werden dabei sowohl positive als auch negative Sendesignale des Lesekopfes benötigt. Der elektronische Schalter muß deshalb genau eine halbe Periodendauer der Resonanzfrequenz eingeschaltet bleiben, um eine optimale Funktion sicherzustellen. Die positiven Sendeimpulse zur Energieübertragung werden direkt über die Endstufe in die Sendespule aufgegeben. Zusätzlich wird ein Kondensator aufgeladen, durch den in der nächsten Sendeperiode der negative Impuls in der Sendespule erzeugt wird.

Die Einhaltung der Zeit der halben Periodendauer der Resonanzfrequenz ist kritisch. Nachteilig ist, daß der negative Impuls eine wesentlich kleinere Ampli­ tude aufweist, was bedeutet, daß die Energieübertragung zum Codeträger nicht synchron und gleichmäßig erfolgt. Daraus wiederum resultiert ein relativ geringer Leseabstand zwischen dem Lese- oder Schreib-/Lesekopf und dem Codeträger, da derselbe bei größeren Entfernungen nicht genügend mit Energie versorgt werden kann. Durch die unterschiedlichen positiven und negativen Sendeimpulse sind die Impulsformen stark bauteileabhängig. Generell sind die vom Codeträger gesandten Energieimpulse nicht genügend energiereich, wie auch eine beliebige Abfolge der Polaritäten der Sendeimpulse nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Identifikationssystem der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß zwischen dem Lese- oder Schreib-/Lesekopf und dem Codeträger ein erhöhter Lese- oder Schreib-/Lese­ abstand möglich ist, wobei die Energieübertragung der beiden Sendeimpulse des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes, positiv wie negativ, synchron, gleichmäßig und erhöht und die Abhängigkeit der Impulsformen von den Bauteilen weitgehend aufgehoben sein soll.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß dieselbe einen erhöhten Lese- oder Schreib-/Leseabstand zwischen dem Lese- oder Schreib-/Lese­ kopf und dem Codeträger gegenüber dem bekannten Identifikationssystem ermöglicht und damit auch ein vergrößerter sicherer Arbeitsbereich bezüglich des Abstandes des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes vom Codeträger gegeben ist. Die Erhöhung des Lese- oder Schreib-/Leseabstandes des Lese- oder Schreib-/Lese­ kopfes vom Codeträger resultiert aus dem erfinderischen Vorteil, daß nunmehr der Betrag beider Impulsamplituden gleich ist und damit eine erhöhte Energieversorgung des Codeträgers gewährleistet ist. Die Verwendung von elektronischen Leistungsschaltern besitzt den Vorteil, daß hohe Ströme zur Ansteuerung der Sendespulen verwendet werden können, weshalb eine höhere Energieübertragung in den Codeträger erfolgt, wodurch dessen gesendetes Signal energiereicher ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Sende­ impulse der Sendespulen des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes weitgehend bau­ teileunabhängig sind. Aufgrund der zur Verfügung gestellten höheren Energie ist eine Datenübertragung zwischen dem Lese- oder Schreib-/Lesekopf und dem Codeträger gewährleistet, die sicherer und störungsfreier ist.

Die Erfindung besitzt des weiteren den Vorteil, daß aufgrund der Verwendung elektronischer Leistungsschalter hohe Spulenströme zur Anwendung gelangen können, so daß eine Kaskadierung der Versorgungsspannung für das Sende­ spulensystem von 15 V auf 60 V wie beim Stand der Technik entfallen kann.

Das erfindungsgemäße induktive Identifikationssystem ermöglicht in der au­ tomatisierten Fertigung mit Werkzeugmaschinen eine äußerst flexible Werk­ zeughandhabung, deren Bestückung wesentlich sicherer wird, da ein größerer Lese- oder Schreib-/Leseabstand zwischen dem Lese- oder Schreib-/Lesekopf und dem Codeträger möglich ist, wodurch der sichere Abstand vergrößert ist.

Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Lese- oder Schreib-/Lesekopf mit zwei Sendespulen und einem Codeträger,

Fig. 2 ein Prinzip-Schaltbild mit einer Sendespule im Mittelpfad einer Brücken­ schaltung und 4 elektronischen Schaltern in den Brückenzweigen,

Fig. 3 ein weiteres Prinzip-Schaltbild eines elektronischen Schalters mit nur einer Sendespule und zwei elektronischen Schaltern und

Fig. 4 eine Schaltung gemäß dem Prinzip-Schaltbild der Fig. 3.

Gemäß der Fig. 1 weist ein Lesekopf eines erfindungsgemäßen induktiven Identifikationssystems im wesentlichen ein Sendespulensystem 1 auf, welches zwei Sendespulen 2, 3 umfaßt, die gegensinnig, vorzugsweise bifilar, gewickelt sind. Die Sendespulen 2, 3 sind über je eine Zuleitung 4, 5 und über eine gemeinsame Rückleitung 10 mit einer Endstufe 12 verbunden.

In den Zuleitungen 4, 5 zu den Sendespulen 2, 3 befindet sich je ein Leistungsschalter 6, 7, die zur Erzeugung der Sendeimpulse alternierend kurz­ zeitig geschlossen werden und dadurch die jeweiligen Sendeimpulse +P1 und -P2 innerhalb der Sendespulen 2, 3 erzeugen. Mit der Bezugsziffer +P1 ist der positive Sendeimpuls über den Leistungsschalter 6 und mit der Bezugsziffer -P2 der negative Sendeimpuls über den Leistungsschalter 7 gekennzeichnet, die durch zwei entgegengesetzt gerichtete Pfeile oberhalb oder unterhalb der Nullinie dargestellt sind. Die Leistungen der Sendeimpulse +P1 und -P2 sind betragsmäßig gleich. Die Schließzeit der Leistungsschalter ist sehr kurz und beträgt vorzugsweise zwischen 1 bis 4 Mikrosekunden, insbesondere 2 µsec.

Als Leistungsschalter dienen vorzugsweise je ein Metalloxidschicht-Feldeffekt­ transistor 8 und 9, die den Vorteil besitzen, daß sie mittels eines definierten Steuersignals angesteuert werden können. Diese mit MOSFET′s aufgebauten Leistungsschalter 6 und 7 weisen eine sehr niedrige Impedanz auf. Der Lese- oder Schreib-/Lesekopf weist eine Empfängerspule 14 auf, an die sich ein Filter 15 anschließt, dessen gefiltertes Sinussignal auf einen Komparator 16 gege­ ben wird, der bei jedem Nulldurchgang an seinem Eingang den Ausgangs­ zustand ändert und das gefilterte Sinussignal in ein Rechtecksignal umwandelt. Ein auf den Komparator 16 folgender Frequenzteiler 17, der z. B. ein Nulldurchgangszähler ist, zählt z. B. 16 Perioden dieses Rechtecksignales und gibt dann an seinem Ausgang einen Impuls ab.

Der Nulldurchgangszähler 17 steuert einen weiteren Frequenzteiler 18, der z. B. ein Phasenzähler ist, an, der nach jeweils 16 positiven Nulldurchgängen seinen Ausgangspegel ändert und damit das DATA-Signal erzeugt, welches einerseits über ein zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit vorgesehenes Filter 19 und andererseits über eine Polaritätsleitung 11 auf die Endstufe 12 des Sendespulensystems 1 gelegt ist. Nach dem Filter 19 steht das DATA-Signal an einem DATA-Ausgang 23 an, der zu einer (nichtdargestellten) Auswerteeinheit geführt ist.

Eine positive Flanke des DATA-Signals am Ausgang des Phasenzählers 18, das über die Polaritätsleitung 11 auf die Endstufe 12 gelegt ist, bedingt die Erzeu­ gung eines positiven Sendeimpulses und leitet damit die erste Bithälfte, das ist der Impuls +P1, ein, während die Übertragung der zweiten Bithälfte, das ist der Impuls -P2, durch eine negative Flanke des DATA-Signals gesteuert wird.

Die Periodendauer der High- (+P1) und Low- (-P2) Pegel des DATA-Signals sind dadurch umgekehrt proportional zu der vom Codeträger 25 erzeugten Frequenz. Eine kurze Periodendauer +P1 und eine lange Periodendauer -P2 bedeutet eine "1" und umgekehrt eine lange Periodendauer +P1 und eine kurze Perioden­ dauer -P2 eine "Null" im Datenstrom des Codeträgers 25. Die Frequenz des DATA-Signals beträgt beispielsweise etwa 8, 5 kHz, so daß die Übertragung der 64 Bit aus dem Codeträger 25 etwa 8 ms in Anspruch nimmt.

Zur Übermittlung eines RESET-Befehls aus der Auswerteeinheit über einen RESET-Eingang 22 und einen Filter 20 des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes an einen Codeträger 25 kann die Auswerteeinheit über einen "High"-Pegel auf einer RESET-Leitung 27 über einen negierenden Eingang eines UND-Gliedes 21 einen negativen Sendeimpuls unterdrücken. Dazu ist das Ausgangssignal des Frequenzteilers 17 gleichzeitig über eine Leitung 27′ an den zweiten Eingang des UND-Gliedes 21 gelegt, dessen Ausgang der Endstufe 12 zugeführt wird.

Um einen hohen Leseabstand zu erreichen, muß das Sendespulensystem 1 möglichst viel Energie in den Codeträger 25 einkoppeln. Hierzu kann in einer Kaskadenschaltung 13, die vorzugsweise eine Kapazitätskaskade ist und die vom DATA-Signal aus dem Frequenzteiler 18 über eine Leitung 26 getaktet wird, eine erhöhte Spannung, beispielsweise von 60 Volt, erzeugt werden, die das Sendespulensystem 1 bzw. die Endstufe 12 des Sendespulensystems 1 versorgt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung zweier Sendespulen 2, 3 inner­ halb des Sendespulensystems 1 in Zusammenhang mit den elektronischen Leistungsschaltern 6, 7 kann die Kaskadierung 13 der Versorgungsspannung für das Sendespulensystem 1 bzw. für die Endstufe 12 entfallen, was in der Zeichnung durch eine gestrichelte Leitung 24 angedeutet ist, die unter Umgeh­ ung der Kaskadenschaltung 13 die Versorgungsspannung aus dem Frequenzteiler 18 direkt dem Sendespulensystem 1 bzw. der Endstufe 12 des Sendespulensystems 1 zuführt.

Die Fig. 2 zeigt ein Prinzip-Schaltbild mit nur einer Sendespule 28 im Mittel­ pfad 29 einer Brückenschaltung mit den Brückeneinspeisungen 30, 30′ und den Verzweigungsleitungen 31, 31′ der Brücke. In den Brückeneinspeisungen 30, 30′ liegen je ein elektronischer Schalter 32, 33′, in den Verzweigungsleitungen 31, 31′ der Brücke je ein elektronischer Schalter 32′, 33. Zur Erzeugung von in der Polarität entgegengesetzt gerichteten, aber betragsmäßig gleich großen Sendeimpulsen innerhalb der Sendespule 28 werden abwechselnd die Schalter 32, 32′ bzw. 33, 33′ geschlossen. Diese Schaltung erzeugt vorteilhafterweise ab­ solut symmetrische Impulse, benötigt allerdings vier elektronische Schalter.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Prinzip-Schaltbild eines elektronischen Schalters mit nur einer Sendespule und zwei elektronischen Schaltern in der Form einer Halbbrücke, wobei die Sendespule 28 im Mittelpfad 34 der Halbbrücke liegt. Die gemeinsam an ein Ende der Sendespule 28 gelegten Zuleitungen 35, 35′ weisen je einen elektronischen Schalter 36, 36′ auf. An das andere Ende der Sendespule 28 an den Mittelpfad 34 ist Null-Potential bzw. Masse gelegt. An die Zuleitungen 35, 35′ sind im Betrag gleiche, aber in der Polarität unterschiedli­ che Spannungsquellen angeschlossen, wobei die elektronischen Schalter 36, 36′ abwechselnd angesteuert werden, so daß die Sendespule 28 zur abwech­ selnden Erzeugung von identischen positiven und negativen Sendeimpulsen abwechselnd jeweils gegensinnig von Strom durchflossen wird. Diese Schaltung benötigt in vorteilhafter Weise nur zwei elektronische Schalter und erzeugt betragsmäßig absolut identische Impulse.

Die Fig. 4 zeigt eine technische Ausgestaltung nach dem Prinzip der Fig. 3. Eine Sendespule 37 ist über je einen Widerstand 42, 42′ an eine Spannungsver­ sorgung 39 von beispielsweise -30 V Gleichspannung gelegt; die Sendespule 37 besitzt einen Mittenabgriff 40, der ebenfalls an die Spannungsversorgung 39 angeschlossen ist. An die Enden der Sendespule 37 sind je ein elektronischer Schalter angeschlossen und zwar vorzugsweise der Drain-Anschluß zweier Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren 43, 43′, deren Source auf die Masselei­ tung 41 gelegt ist; gleichzeitig sind parallel zur Drain-Source-Strecke der Feld­ effekttransistoren 43, 43′ je eine Zener-Diode 44, 44′ gelegt, und zwar mit der Kathode an die Sendespule 37 und der Anode an Masse. Auf das jeweilige Gate der Feldeffekttransistoren 43, 43′ werden über Leitungen 50, 50′, in denen sich je ein IC 45, 45′ befindet, die vorzugsweise Inverter sind, abwechselnd je ein nur eine eine kurze Zeitspanne dauernder Ansteuerimpuls gelegt, die über Leitungen 48, 48′ und Kondensatoren 49, 49′ auf die IC′s 45, 45′ eingekoppelt werden. Über eine Leitung 47 und zwei parallele Widerstände 46, 46′ ist eine positive Gleichspannung, vorzugsweise von +15 V, auf die Leitungen 48, 48′ und die Eingänge der IC′s 45, 45′ gelegt.

Die Ansteuerimpulse auf dem Gate der Feldeffekttransistoren 43, 43′ schließen für eine kurze Zeitspanne die jeweilige Drain-Source-Strecke kurz, so daß die beiden Hälften der Sendespule 37 zwischen dem Mittenabgriff 40 jeweils in ent­ gegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden, der immer in Richtung der negativen Spannungsleitung 39 fließt und polaritätsmäßig entge­ gengesetzte Sendeimpulse +P1 und -P2 gleichen Energiegehaltes erzeugt, so daß die Stromflußrichtungen zweier aufeinander folgender Sendeimpulse +P1, -P2 innerhalb der Sendespule 37 entgegengesetzt gerichtet sind.

Bezugszeichenliste

1 Sendespulensystem
2, 3 Sendespulen
4, 5 Zuleitungen
6, 7 elektronische Schalter
8, 9 Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren
10 Rückleitung
11 Polaritätsleitung
12 Endstufe
13 Kaskadenschaltung
14 Empfängerspule
15 Filter
16 Komparator
17, 18 Frequenzteiler
19, 20 Filter
21 UND-Glied
22 RESET-Eingang
23 DATA-Ausgang
24, 26, 27, 27′ Leitungen
25 Codeträger
28 Sendespule
29 Mittelpfad
30, 30′ Brückeneinspeisungen
31, 31′ Verzweigungsleitungen
32, 32′, 33, 33′ elektronische Schalter
34 Mittelzweig oder Null-Leitung
35, 35′ positive bzw. negative Spannungsleitungen (Zuleitung)
36, 36′ elektronische Schalter
37 Sendespule mit Mittenanzapfung
38 Mittelzweig
39, 41 Zuleitungen (Spannungsversorgung, Masse)
40 Mittenabgriff
42, 42′, 46, 46′ Widerstände
43, 43′ Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren (Schalter)
44, 44′ Zener-Dioden
45, 45′ Operationsverstärker
47, 48, 48′, 50, 50′ Leitungen
49, 49′ Kondensatoren
+P1, -P2 positiver Impuls und negativer Impuls
DATA Datenausgang bzw. Schnittstelle des Lesekopfes
RESET RESET-Eingang bzw. Schnittstelle des Lesekopfes

Claims (8)

1. Induktives Identifikationssystem, das einen Lese- oder Schreib-/Lesekopf und wenigstens einen Codeträger mit jeweils einem Sende- und Empfangsspulen­ system mit einer Sendespule und eine Auswerteeinheit aufweist, zum berührungslosen Erkennen und/oder Markieren von Objekten, die einen derartigen Codeträger aufweisen, der als passives Bauelement mittels eines in­ duktiven Sendimpulses der Sendespule des Sendespulensystems des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes aus dem elektrisch inaktiven Zustand unter Energie­ speicherung in den aktiven Zustand versetzbar und als Sender ein ebenfalls induktives Signal auszusenden imstande ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2, 3; 28; 37) des Sendespulensystems (1) des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes mittels elektronischer Schalter (6, 7; 32, 32′, 33, 33′, 36, 36′; 43, 43′) für aufeinanderfolgende kurze, aber gleiche Zeitspannen abwechselnd ansteuerbar ist und die Stromflußrichtungen innerhalb der Sendespule (2, 3; 28; 37) abwechselnd entgegengesetzt gerichtet sind, um zwei betragsmäßig gleichgroße, aber in der Polarität entgegensetzt gerichtete Sendeimpulsen (+P1, -P2) zu erzeugen.

2. Identifikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendespulensystem (1) des Lese- oder Schreib-/Lesekopfes zwei Sen­ despulen (2, 3) umfaßt, die gegensinnig gewickelt sind und daß in den Zuleitun­ gen (4, 5) zu jeder Sendespule (2, 3) ein elektronischer Schalter (6, 7) angeordnet ist, die abwechselnd schließbar sind zur Erzeugung der in der Polarität jeweils entgegengesetzten Sendeimpulse (+P1, -P2).

3. Identifikationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespulen (2, 3) bifilar gegensinnig gewickelt sind.

4. Identifikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (28) im Mittelpfad (29) einer Brückenschaltung angeordnet ist und in den Brückeneinspeisungen (30, 30′) sowie in den Verzweigungs­ leitungen (31, 31′) der Brücke je ein elektronischer Schalter (32, 32′, 33, 33′) an­ geordnet ist, die abwechselnd paarweise derart ansteuerbar sind, daß die Stromflußrichtungen zweier aufeinander folgender Sendeimpulse (+P1, -P2) innerhalb der Sendespule (28) entgegengesetzt gerichtet sind.

5. Identifikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (28, 37) im Mittelpfad (34, 38) einer Halbbrückenschaltung angeordnet ist, der auf Null-Potential oder Masse (41) gelegt ist und in den Zuleitungen (35, 35′; 39, 50, 50′) der Halbbrücke je ein elektronischer Schalter (36, 36′; 43, 43′) angeordnet ist, wobei die Zuleitungen (35, 35′, 39, 50, 50′) an be­ tragsgleiche, aber in der Polarität unterschiedliche Spannungsquellen ange­ schlossen sind und die elektronischen Schalter (36, 36′, 43, 43′) abwechselnd ansteuerbar sind, so daß die Stromflußrichtungen zweier aufeinander folgender Sendeimpulse (+P1, -P2) innerhalb der Sendespule (28, 37) entgegengesetzt gerichtet sind.

6. Identifikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter Leistungsschalter (6, 7, 32, 32′, 33, 33′, 36, 36′; 43, 43′) mit sehr geringer Impedanz sind.

7. Identifikationssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (6, 7, 32; 32′, 33, 33′, 36, 36′; 43, 43′) als Schaltelement je einen Metalloxidschicht-Feldeffekttransistor aufweisen bzw. Metalloxidschicht- Feldeffekttransistoren sind.

8. Identifikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschaltzeit der Sendeimpulse (+P1, -P2) auf die Sendespulen (2, 3, 28, 37) vorzugsweise zwischen 2 bis 3 Mikrosekunden beträgt.