DE4240238C2 - Einrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung für Einspulen- und Zweispulensysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung bestehend aus einem unbeweglichen Teil (Mikrostation) und einem beweglichen Teil (Mikroeinheit) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung, Anwendung findend bei kontaktlosen Chipkarten oder anderen Datenträgern wie elektronischen Schlüsseln und Modulen, ist bekannt aus der Patentschrift DE 34 47 560 C2. Hier wird eine zweispulige Übertrageranordnung für eine Mikrostation beschrieben, die durch 180° Phasenmodulation einer der Phasen, verknüpft mit einer Amplitudenmodulation, eine bidirektionale Datenübertragung realisiert.

Weiterhin ist aus DE 36 14 477 C2 eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung bekannt, die nur je eine Übertragerspule in der Mikrostation und in der Mikroeinheit erfordert, wobei die Ausgestaltung der Datenrückgewinnung in dieser Mikroeinheit aufwendiger ist, als die in der DE 34 47 560 C2.

Eine zusätzliche Anforderung an eine Mikroeinheit, ähnlich wie in der DE 36 14 477 C2 beschrieben, ist, daß sie auch mit erweitertem Abstand zwischen einer Mikrostation und einer Mikroeinheit betrieben werden kann, welches erfordert, daß eine groß ausgelegte Spule in dieser Mikroeinheit eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für alle drei vorgestellten Möglichkeiten der Spulenanordnung zwischen Mikroeinheit und Mikrostation Lösungen der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung anzugeben.

Dabei bestehen folgende Forderungen:
Die Mikroeinheit muß unabhängig von ihrer räumlichen Lage zur Mikrostation sowohl Energie empfangen, wie auch Daten senden können. Darüber hinaus muß der Datenempfang der Mikroeinheit auch während der Zeiten funktionieren, in denen Daten von der Mikroeinheit zur Mikrostation gesendet werden. Der Datenempfang soll unabhangig von der elektrischen Belastung der Schaltkreise auf der Mikroeinheit funktionieren und es ist wesentlich, daß Amplitudenschwankungen aufgrund der Änderung der Übertragerstrecke oder aufgrund von Temperatur oder sonstigen Einflüssen, keine Einwirkung auf die Signalübertragung haben. Die unterschiedlichen Möglichkeiten des Aufbaues und der Datenauswertung in den Mikroeinheiten müssen von der Mikrostation gewährleistet sein.

Eine besondere Problematik liegt in der einwandfreien Signalübertragung von zwei Spulen einer Mikrostation M1 zu einer Spule in einer Mikroeinheit M3. Eine kohärent erzeugte Übertragungsschwingung mit gleicher Frequenz bei unterschiedlicher Phase und unterschiedlichen Amplituden die von zwei räumlich getrennten Spulen (S1, S2) ausgeht und von einer Spule (S6) empfangen wird, kann auslöschende Überlagerungen bei Empfang in einer Spule ergeben. Damit würde die Empfangsseite keine oder geringe induzierte Spannungen erhalten, wodurch die kontinuierliche Signalübertragung während der Phasenlagenänderung nicht gewährleistet wäre. Es wird angegeben, wie diese Problematik durch Begrenzung der Phasendifferenz der räumlich getrennten Schwingungen umgangen wird. Gelöst wird die vorstehende Aufgaben erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruches 1, wobei folgende Verfahren in den Patentschriften DE 34 47 560 C2 und DE 36 14 477 C2 bekannt sind:

• a) aus der Schwingung (CLK) in der Mikrostation (M4) werden zwei synchron verlaufende Schwingungen (Q1, Q2) mit gleicher Frequenz gebildet, wobei die Schwingungen (Q1, Q2) 90° phasenverschoben verlaufen,
• b) diese phasenverschobenen Schwingungen werden in Abhängigkeit des zu übertragenden Datensignales (D1) an die Mikroeinheiten (M1, M2, M3), jede betragsmäßig um |90°|, im Phasenmodulator (P1) umgeschaltet, und jede Phasenkombination wird einem logischen Signalpegel "High" oder "Low" des Datensignals (DI) zugewiesen, wobei die Phasenrichtungsänderung sehr bestimmt derart erfolgt, daß in jedem Zeitpunkt während der Umschaltung sich die Phasen der Schwingungen (Q1, Q2) nicht gegenläufig kreuzen und auch nicht gleichphasig werden, und ferner
• c) die Schwingung (Q1) den Verstärker (T1) und die Übertragerspule (S1) steuert, während (Q2) den Verstärker (T2) und die Übertragerspule (S2) steuert, so daß an diesen Spulen zwei magnetische Energiefelder mit einer Phaseninformation erzeugt werden, die auf verschieden konstruierte Mikroeinheiten gekoppelt werden, und ferner
• d) die Datenübertragung von den Mikroeinheiten (M1, M2, M3) an die Mikrostation (M4) erfolgt durch Belastungsänderung an der/den Spule(n) der Mikroeinheiten (M1, M2, M3), wodurch gewährleistet ist, daß mindestens an einer Spule (S1, S2) der Mikrostation (M4) eine Belastungsänderung festgestellt werden kann, die nach der Summation (A1) aus dem Signal (US3) detektiert werden kann und nach dem Amplitudenmodulator (A2) einem logischen digitalen Datensignalpegel (DO) zugeordnet werden kann.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert werden:

Fig. 1 Blockschaltbild der Mikrostation und der Mikroeinheiten,

Fig. 2 Signalverläufe der Mikrostation für die Datenübertragung zur Mikroeinheit,

Fig. 3 Signalverläufe der Mikrostation für den Datenempfang von der Mikroeinheit,

Fig. 4 Datenauswertung in einer zweispuligen Mikroeinheit, welche aus zwei Übertragerspulen der Mikrostation einkoppelt,

Fig. 5 Datenauswertung in einer einspuligen Mikroeinheit, welche aus einer Übertragerspule der Mikrostation einkoppelt,

Fig. 6 Datenauswertung in einer einspuligen Mikroeinheit, welche aus zwei Übertragerspulen der Mikrostation einkoppelt,

Fig. 7 Ortskurvendarstellung für Impulsdarstellungen der Winkelfunktionen für die Phasen lagen der Datenübertragung zur Mikroeinheit.

In Fig. 1 sind, wie angegeben, die Mikrostation M4 wie auch die verschiedenen Mikroeinheiten M1, M2 und M3 dargestellt. Aus diesem Blockschaltbild ergibt sich folgendes:

Eine in der Mikrostation extern zugeführte oder intern selbst erzeugte Rechteckschwingung CLK wird auf einen Phasenmodulator P1 gegeben, welcher zwei zu CLK synchrone Schwingungen Q1 und Q2 am Ausgang von P1 erzeugt, wobei Q1 und Q2 gegeneinander phasenverschoben erzeugt werden. Damit ist gewährleistet, daß es sich bei diesen elektromagnetischen Wellen um einen kohärenten (zusammenhängenden) Wellenzug (gleicher Frequenz) handelt, welcher auch bei einer räumlichen, berührungslosen (drahtlos, kontaktlos) Übertragung erhalten bleibt. Die Phasenverschiebung von Q1 und Q2 beträgt gleich oder annähernd |90°|, wobei Q1 voreilend vor Q2 ist. Das von extern ankommende digitale Datensignal DI, welches zur Mikroeinheit übertragen werden soll, ändert die Phasenlage von Q1 und Q2 um je |90°| in Abhängigkeit seines LOW- oder HIGH-Signalpegels gemäß Beschreibung DE 34 47 560 C2.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist die Phasenlagenänderung jedes Signales von entscheidender Bedeutung. Dies wird später anhand von Fig. 2 beschrieben. Die Signale Q1, Q2 werden über die Verstärker T1, T2 auf die Spulen S1, S2 gegeben, welche berührungslos mit den Spulen S3, S4 der Mikroeinheit M1 gekoppelt sind. Alternativ zur Mikroeinheit M1 können auch die Mikroeinheiten M2 oder M3 mit der Mikrostation M4 gekoppelt werden. Mikroeinheit M2 koppelt nur mit einer Spule S5 an S1 oder S2, und Mikroeinheit M3 koppelt mit nur einer Spule S6 an S1 und S2. Wie symbolisch unter B1 dargestellt, sind die Mikroeinheiten in den aufgezeigten Lagen betriebsfähig, da immer mindestens eine Spule der Mikroeinheiten mit einer der Spulen in der Mikrostation energetisch koppelt. Die Mikroeinheit könnte also in vier unterschiedlichen räumlichen Lagen (zwei Lagen per Flächendrehung, zwei Lagen per Raumdrehung) in Relation zur Mikrostation genutzt werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn es sich bei der Mikroeinheit um Datenträger wie Chipkarten (Bankkarten, Kreditkarten) handelt.

Die Mikroeinheiten bewirken gemäß DE 34 47 560 C2 eine Datenübertragung zur Mikrostation durch definierte Amplitudenmodulation, erzeugt durch Belastungsänderung, die mindestens an einer der Signale US1, US2 der Spulen S1, S2 zu erkennen ist. US1, US2 werden in der Summation an A1 entkoppelt und zusammengeführt, so daß die Amplitudenmodulation beider Signale an US3 ansteht und im Amplituden-Demodulator A2 zu einem Digitalsignal DO demoduliert und ausgegeben wird.

Fig. 3 beschreibt den typischen Signalverlauf der Amplitudenmodulation in der Mikrostation. Das Datensignal ist in der Hüllkurve erkennbar, jedes übersendete Datenbit bewirkt einen Amplitudeneinbruch über mehrere Schwingungszyklen. Die angegebene Periodendauer 3×T der Schwingung soll nur eine Relation der Zeitverhältnisse angeben, wie sie zwischen den Signaldarstellungen in Fig. 3 und Fig. 2 gewählt sind.

Fig. 2 gibt eine Signalfolge für die Phasenmodulation in der Mikroeinheit wieder, die bewirkt, daß Daten von der Mikrostation zu einer beliebigen Mikroeinheit gesendet werden können. Die Phasenlagenänderung ist bei Modulation von entscheidender Bedeutung für das vorgestellte Prinzip: Zur Vereinfachung werden in den Erklärungen nachfolgend (′) an den Signalbezeichnungen verwendet, um unterschiedliche Zeitintervalle zu kennzeichnen:

• (′) zeitlich früheres Ereignis als (′′),
• (′′) zeitlich früheres Ereignis als (′′′).

Q1 ist |90°| phasenverschoben und voreilend gegenüber Q2. Das Datensignal DI ändert in Abhängigkeit seiner Stellung HIGH oder LOW beide Phasen von Q1 und Q2 um je |90°| im Phasenmodulator. Die Phasenrichtungsänderung jedes der Signale erfolgt derart, daß in jedem Zeitpunkt während der Umschaltung sich die Phasen der Schwingungen Q1, Q1 nicht gegenläufig kreuzen und auch nicht gleichphasig werden. Zu beachten sind die Richtungspfeile, die angeben, wie sich jede Phase bei jedem Datensignalwechsel von DI verschiebt. Für dieses spezielle Signalbeispiel verhindert der Phasenmodulator P1, daß die Phasenänderung mit umgekehrten Richtungspfeilen verläuft. Deutlicher wird dieser Vorgang in der Ortskurvendarstellung in Fig. 7.

Fig. 7 zeigt die Ortskurven der Signalphasen für die digitale Signaldarstellung der Mikrostation und der drei möglichen Mikroeinheiten auf. Die Koppelungsstrecken sind noch einmal symbolisch für die einzelnen Mikrostationen aufgezeigt.

Die Modulation in der Mikrostation folgt folgender Gesetzmäßigkeit:

Q1 und Q2 modulieren beide jede nur um ±90°,
Q1 schaltet nur im Quadranten I, während Q2 nur im gegenüberliegenden Quadranten III modulieren darf,
Q1 und Q2 kreuzen sich nie mit gleicher Phasenlage, die Phasendifferenz zwischen Q1 und Q2 ist vor und nach jeder Umschaltung immer 90°.

Solange die Modulation von Q1 und Q2 in den jeweils diagonal gegenüberliegenden Quadranten I und III oder auch II und IV erfolgt, kann die Ausgangslage in den Quadraten frei bestimmt werden. Keinesfalls, wie in Fig. 7 dargestellt, ist die Modulation von Q1 und Q2 in demselben Quadranten erlaubt, da dieses eine Phasenauswertung in der Mikroeinheit M3 unmöglich macht.

Zur Verdeutlichung der einzelnen Phasenauswertungen dienen Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6.

Die Mikroeinheit M1 (Fig. 1) mit ihren in Fig. 4 dargestellten Signalen empfängt über das Spulenpaar S3, S4 zwei Schwingungen von S1, S2. Nach den Pegelwandlern, der die analogen Signale digital anpaßt, werden die phasenverschobenen Signale UA und UB auf ein Daten Flip-Flop gegeben, wodurch eine Demodulation der Phasen auf digitalem Wege einfach möglich ist. Die Auswertung geschieht entsprechend DE 34 47 560 C2.

Die Mikroeinheit M2 (Fig. 1) mit ihren in Fig. 5 dargestellten Signalen empfängt über die Spule S5 eine Schwingung von S1 oder S2, welches abhängig ist von der Lage der Mikroeinheit. Nach dem Pegelwandler wird das digitale Signal UB im Phasendemodulator ausgewertet. Da nur ein Signal ohne Referenzsignal zur Verfügung steht, kann die Auswertung beispielsweise mit einem PLL Kreis (Phase Lock Loop) erfolgen, der als Referenz einen Mittelwert der ankommenden Frequenz und Phase von UB bildet. Jede kurzzeitige Änderung der Phase durch Daten kann damit detektiert werden. Entsprechend DE 36 14 477 C2 ist auch eine Auswertung mit einem Pulsgenerator möglich, der die Zeiten der Periode von UB bestimmt und mit einem Mittelwert vergleicht. Einzelheiten sind in DE 36 14 477 C2 enthalten. Der Phasendemodulator in Fig. 5 erkennt hiermit einen 90° Phasenwechsel und gibt dieses am Ausgang als analogen Wert aus, jedoch nur während der Zeiten, in denen die Phase wechselt. Ein nachgeschalteter Konverter erzeugt aus dem analogen Signal ein digitales Datensignal Data.

Die Mikroeinheit M3 (Fig. 1) mit ihren in Fig. 6 dargestellten Signalen empfängt über nur eine Spule 56 die beiden Schwingungen von S1 und S2. Daraus ergibt sich eine neue Schwingung an S6, deren Phase annähernd oder gleich 45° phasenverschoben zwischen den Phasen der Schwingungen von S1, S2 verläuft. Durch die Modulation von Q1 und Q2 in den jeweils gegenüberliegenden Quadranten der Ortskurve ist gewährleistet, daß die neue Schwingung an S6 jeweils eine Phasenänderung erfährt. Dabei ist die Phasenänderung jeweils ±180°. Wenn die Phasenmodulation dagegen die Phasen jeweils im gleichen Quadranten umschalten würde, so könnte die Schwingung an S6 keine Phasenänderung erfahren und eine Datenauswertung würde damit unmöglich. Die Phasendemodulation erfolgt in gleicher Weise wie im Aufbau von Mikroeinheit M2. Nach dem Pegelwandler steuert UZ den Phasendemodulator, welcher am Ausgang einen größeren analogen Wert als bei M2 zu erkennen gibt, da die Phasenänderung ±180° beträgt. Der Konverter setzt das Ausgangssignal des Demodulators "Phasenwechsel" in das digitale Signal Data um.

Die definierte richtungsorientierte Umschaltung der Phasen Q1 und Q2 in den jeweils diagonal gegenüberliegenden Quadranten der Ortskurve ist nur erforderlich für die Datenauswertung in Mikroeinheit M3, damit eine Phasenänderung an S6 erzeugt werden kann. Bei einer Umschaltung der Phasen von Q1 und Q2 in dem selben Quadranten, durchgestrichen dargestellt in Fig. 7, ist eine Datenübertragung an Mikroeinheit M3 nur möglich, wenn zusätzlich noch beide Frequenzen der Signale Q1 und Q2 gleichartig moduliert werden würden. Der PLL Demodulator bleibt unverändert, aber wertet eine Frequenzmodulation aus. Die Addition der Felder an S6 bleibt unverändert solange beide modulierenden Frequenzen eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.

Im unteren Teil von Fig. 7 sind noch einmal die Ortskurven der Phasenverläufe für die einzelnen Mikroeinheiten aufgezeigt. Dabei kennzeichnen die gestrichelten (unterbrochenen) Pfeile jeweils den Umschaltzustand.

Claims (2)

1. Einrichtung zur berührungslosen Daten- und Energieübertragung, bestehend aus einem unbeweglichen Teil, der Mikrostation (M4), und einem beweglichen Teil, der Mikroeinheit, wobei in der Mikrostation mit einem Oszillator oder einem extremen zugeführten Taktsignal eine Rechteckschwingung (CLK) erzeugt wird und eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung mit Hilfe von einem Spulenpaar (S1, S2) auf die bewegliche Mikroeinheit erfolgt, wobei die Datenübertragung von der Mikrostation (M4) zur Mikroeinheit durch Änderung der Phasenlage der Schwingungen in den Spulen S1, S2 zueinander erzeugt wird und die Mikroeinheit (M1, M2, M3) eine oder mehrere Spulen (S3-S6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere verschiedenartige Mikroeinheiten (M1, M2, M3) eine beliebige Betriebslage zur Mikrostation einnehmen können indem eine zweispulige Mikroeinheit (M1) mit zwei getrennten Empfangsspulen (S3, S4) auf die Spulen (S1, S2) der Mikrostation M4 koppelt, eine einspulige Mikroeinheit (M2) mit einer Empfangsspule (S5) auf eine der Mikrostationsspulen (S1) oder (S2) koppelt und eine einspulige Mikroeinheit (M3) mit einer großen Spule (S6) gleichzeitig auf beide Mikrostationsspulen (S1, S2) koppelt, wobei ferner eine auslöschende Überlagerung der induzierten Spannung zwischen den übertrage­ nen Schwingungen der Spulen (S1, S2) der Mikrostation M4 in der einen Spule (S6) der Mikroeinheit M3 reduziert wird, indem von den Spulen S1, S2 der Mikrostation nur eine begrenzte Phasendifferenz übertragen wird, indem die Mikrostation eine definierte richtungsorientierte Umschaltung von voreilend zu nacheilend oder nacheilend zu voreilend als Phasenlagenänderung in den Spulen S1, S2 in einem Phasenmodulator P1 derart erzeugt, daß in jedem Zeitpunkt während der Phasenlagenänderung sich die Phasen der Schwingungen Q1, Q2 in den jeweils gekoppelten Spulen der Mikroeinheit nicht derart überlagern, daß sich Auslöschungen durch die Phasenlage in den Spulen der Mikroeinheit ergeben.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die einspuligen Mikroeinheiten (M2, M3) einen Phasendemodulator in Form einer Phasenregelschleife (Phase Locked Loop, PLL) enthalten, der als Referenz einen Mittelwert der an der einen Spule (S5, S6) ankommenden Frequenz und Phase bildet und jede kurzzeitige Änderung der Phase als übertragene Daten detektiert und ferner mit einem Pulsgenerator in der Mikroeinheit (M2, M3) auch Zeiten der Perioden bestimmt werden und mit einem Mittelwert verglichen werden und alle Abweichungen der Phasenlage aufgrund von Phasenlagenände­ rung oder Frequenzänderung detektiert werden.