DE69125407T2

DE69125407T2 - Vorrichtung zur Identifizierung von induktiv gekoppelten Gegenständen

Info

Publication number: DE69125407T2
Application number: DE69125407T
Authority: DE
Inventors: George L Brantingham; Richard A Houghton; Christopher Slawinski
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: DE69125407D1; EP0440050A3; CA2034213C; EP0440050B1; EP0440050A2; US5083113A; CA2034213A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Objektidentifizierungssysteme und insbesondere auf ein System, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
Eine Objektidentifizierungsvorrichtung, wie sie oben erwähnt ist, ist aus der WO-A-8 907 772 bekannt. Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontaktlosen Identifizierung eines Etiketts, das passive Resonatoren enthält, mit Hilfe von Hochfrequenzmagnetfeldern.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es sind viele Techniken zum automatischen Identifizieren von Objekten oder Zielen verfügbar, die identifiziert werden müssen, wenn das Objekt durch eine Erfassungszone geführt oder in einer ausgewählten Position angeordnet wird, verfügbar. Zu den aktuellen Techniken gehören die Fernkennzeichenidentifikation, die Metalldetektion und die HF-Resonanz.
Beispiele für Vorrichtungen, die ein Objektidentifikationssystem verwenden, sind Spiele, die Objekte wie z. B. Bälle oder Ringe mit vorgegebenen Attributen (farbige Buchstaben, Zahlen, Bilder usw.) identifizieren, wenn ein bestimmtes Objekt (a) in einen Behälter eingeführt oder aus diesem entnommen wird oder (b) in eine ausgewählte relative Position bezüglich anderer Objekte gebracht wird. Solche Anwendungen erfordern kostengünstige und zuverlässige Einrichtungen zur Identifizierung und Unterscheidung eines Satzes von Objekten unter Verwendung von Einrichtungen, die nicht mit den Objekten verbunden sind.
Für solche Anwendungen sind bestehende Objektidentifizierungstechniken aufgrund der Komplexität, der schlechten Objektunterscheidung oder der ungünstigen Nähebeziehungen zwischen den Objekten und den Identifikationspositionen nicht zufriedenstellend.
Es besteht daher Bedarf an einer kostengünstigen und zuverlässigen Vorrichtung zur Identifizierung und Unterscheidung zwischen einem Satz von Objekten, wenn diese wahlweise in einen Behälter eingeführt werden oder in einer ausgewählten relativen Position angeordnet werden. Die Objektidentifizierungsvorrichtung kann bei bewegten Objekten vorzugsweise dynamisch operieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ein System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, wobei Objekte, die Resonanzschaltkreise mit eindeutigen Resonanzfrequenzen enthalten, identifiziert werden, indem sie mit einer Oszillatorschaltung induktiv gekoppelt werden, so daß diese mit den entsprechenden Resonanzfrequenzen schwingt.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung wenigstens ein Objekt mit einer Objektresonanzschaltung, die eine vorgegebene Objektresonanzfrequenz besitzt, die für dieses Objekt einzigartig ist. Eine Basiseinheit enthält eine Oszillatorschaltung und wenigstens eine Induktivkopplungsschaltung, die verwendet wird, um die Oszillatorschaltung induktiv mit einer Objektresonanzschaltung zu koppeln, wenn die Objektresonanzschaltung und die Induktivkopplungsschaltung in eine vorgegebene Nachbarschaftsbeziehung gebracht werden.
Eine Startschaltung erzeugt in ausgewählten Intervallen ein Startsignal für die Induktivkopplungsschaltung. Wenn sich ein Objekt ausreichend nahe an einer Induktivkopplungsschaltung befindet, wird das Startsignal induktiv in den Objektresonanzschaltkreis eingekoppelt, der mit der Objektresonanzfrequenz schwingt.
Die Oszillatorschaltung antwortet auf eine Resonanzbedingung in einer induktiv gekoppelten Objektresonanzschaltung mit der Ausgabe eines Schwingungssignals, dessen Frequenz der Objektresonanzfrequenz entspricht. Eine Frequenzerkennungsschaltung wird verwendet, um die Frequenz des Schwingungssignals zu ermitteln, die der Objektresonanzfrequenz entspricht, was die Identifizierung des Objekts ermöglicht.
Die Oszillatorschaltung umfaßt vorzugsweise einen Komparator, der eine Referenzspannung mit einer Rückkopplungsspannung vergleicht und als Antwort auf eine Resonanzbedingung in einer induktiv gekoppelten Objektresonanzschaltung ein Schwingungssignal erzeugt, dessen Frequenz der Objektresonanzfrequenz entspricht. Das Schwingungssignal wird in die Induktivkopplungsschaltung zum Aufrechterhalten der Resonanzbedingung und in die Frequenzerkennungsschaltung eingekoppelt. Die Frequenzerkennung wird durch Zählen von Zyklen des Schwingungssignals bewerkstelligt, das vom Komparator während eines Frequenzzählfensters ausgegeben wird, das ausgewählt wird, um die Objektidentifizierung und die Unterscheidung mehrerer Objektresonanzfrequenzen sicherzustellen.
Es wird vorzugsweise ein Computerprozessor verwendet, um die Startoperation einschließlich der Erzeugung von Startimpulsen und die Frequenzzähloperation zu steuern. Die Startimpulse werden in Intervallen erzeugt, die einem vom Prozessor ausgewählten Frequenzzählfenster entsprechen, wobei die Ergebnisse der aufeinanderfolgenden Frequenzzähloperationen geprüft werden, um die Objektresonanzfrequenz zu ermitteln. Das Objektidentifizierungssystem ist leicht an die Verwendung der Sprachsyntheseverarbeitung in Verbindung mit der Objektidentifizierung anzupassen.
Im folgenden Text werden zwei beispielhafte Ausführungsformen beschrieben - (a) eine dynamische Ausführungsform, in der eine einzelne induktive Kopplungsspule, die in den Rand einer Schale eingebaut ist, eine Zentralöffnung definiert, durch die Objektbälle eingeworfen werden, um eine induktive Kopplung zu erreichen, und (b) eine statische Ausführungsform, bei der mehrere induktive Kopplungsspulen in einer Säule eingebaut sind, auf die Objektringe in einer vorgegebenen Reihenfolge aufgebracht werden, um eine induktive Kopplung zu erreichen. Für die dynamische Ausführungsform enthält jedes Objekt drei zueinander orthogonale, elektrisch isolierte LC-Schleifen, so daß eine induktive Kopplung mit der Basisspule im wesentlichen unabhängig von der Objektorientierung ist. Für die statische Ausführungsform enthält das Objektidentifizierungssystem eine Basisspulenauswahlschaltung zum sequentiellen Koppeln der induktiven Kopplungsspulen mit der Oszillatorschaltung.
Die technischen Vorteile der Technik zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung sind u. a. folgende: Die Technik bietet eine kostengünstige und zuverlässige Objektidentifizierung und -unterscheidung. Es ist kein direkter Kontakt zwischen den Objekten und der Basis nötig, die die Objektidentifizierungselektronik enthält. Die Objektidentifizierung und Objektunterscheidung wird bewerkstelligt unter Verwendung einer Nachbarschaftsbeziehung zwischen den Objekten und der Basis. Durch die Verwendung der induktiven Kopplung kann eine beträchtliche Anzahl von eindeutigen Zielen durch das einfache Auswählen der LC-Resonanz für die Objektresonanzschaltung identifiziert und unterschieden werden. Die Objektidentifizierung kann dynamisch und unabhängig von der Objektorientierung bewerkstelligt werden. Eine Sprachsyntheseverarbeitung kann verwendet werden, um sowohl die Objektidentifizierungsaktivitäten und -prozeduren zu steuern und zu organisieren als auch um Objektidentifizierungsergebnisse anzusagen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere Merkmale und Vorteile wird im folgenden auf die genaue Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
Fig. 1a und 1b ein ballförmiges Objekt bzw. eine schalenförmige Basis entsprechend einer beispielhaften Sortiereranwendung der Objektidentifizierungstechnik der Erfindung zeigen;
Fig. 1c und 1d ein ringförmiges Objekt bzw. eine Basis mit einer Stapelsäule zeigen, die eine Serie von Basisspulen enthält, die jeweils eine entsprechende Objektposition auf dem Stapel definieren, entsprechend einer beispielhaften Stapleranwendung der Objektidentifizierungstechnik der Erfindung;
Fig. 2a und 2b eine funktionelle Darstellung der Sortiererbzw. der Stapleranwendung zeigen;
Fig. 3a und 3b schematisch die induktiv gekoppelte Oszillatorschaltung für die Sortierer- bzw. die Staplerbeispielausführungs formen darstellen;
Fig. 4a-4d repräsentative Signalformen sind, die der induktiv gekoppelten Oszillatorschaltung zugeordnet sind - wobei Fig. 4a eine START-Impulserzeugung zeigt, Fig. 4b eine Kein-Objekt- Bedingung zeigt, Fig. 4c eine Objekt-Vorhanden-Bedingung zeigt, die durch eine induktiv gekoppelte Schwingung angezeigt wird, und Fig. 4d eine Bedingung zeigt, in der ein Objekt nicht ausreichend induktiv gekoppelt ist, um eine Schwingung zu bewirken;
Fig. 4e repräsentative Signalformen zeigt, die dem Zeitablauf für die Basisspulenauswahlfunktion zugeordnet sind; und
Fig. 5 schematisch die Frequenzzähl- und Sprachsynthesizerlogik zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die genaue Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen des Systems zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der vorliegenden Erfindung ist wie folgt gegliedert:
1. Beispielhafte Sortierer/Stapler-Ausführungsformen
1.1. Sortiererausführungsform
1.2. Staplerausführungsform
2. Funktionsbeschreibung
2.1. Induktive Kopplung und Schwingung
2.2. Frequenzzählung
2.3. Mikrocomputersteuerung
3. Schaltungsimplementierung
3.1. Oszillatorschaltung
3.2. Basisspulenauswahlschaltung
3.3. Frequenzzähllogik
3.4. Objektschaltungsparameter
4. Operation
4.1. Induktive Kopplung und Schwingung
4.2. Frequenzzählung
5. Ergebnis
Das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung wird in bezug auf zwei beispielhafte Spielanwendungen - einem Sortierer und einem Stapler - beschrieben. Die Erfindung ist jedoch allgemein auf ein Objektidentifizierungssystem anwendbar, bei dem ein Objekt, das durch eine einzigartige Objektresonanzfrequenz gekennzeichnet ist, induktiv mittels einer Induktivkopplungsschaltung mit einer Oszillatorschaltung gekoppelt wird, die mit der Objektresonanzfrequenz schwingt, wenn sich das Objekt in ausreichender Nähe befindet. Zusätzlich zu den Spielen gehören zu den Anwendungen für die Erfindung (a) das Fördern, Leiten und Sortieren von Materialien und (b) die Annäherungsdetekt ion mit Identifizierung.
1. Beispielhafte Sortierer/Stapler-Ausführungsformen. Die Fig. 1a/1b bzw. 1c/1d zeigen die beispielhaften Sortierer- und Staplerausführungsformen des Systems zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der Erfindung.
1.1 Sortiererausführungsform. Wie in den Fig. 1a und 1b gezeigt, enthält das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung für die beispielhafte Sortiererausführungsform (a) mehrere beispielhafte ballförmige Objekte mit alternativen Implementierungen, die mit 10 und 11 bezeichnet sind, sowie (b) eine Basiseinheit 12 mit einem Behälter oder einer Schale 13 und der Basiselektronik 14. Die Objekte müssen identifiziert werden, wenn sie in die Schale 13 geworfen oder aus dieser entnommen werden, was erfordert&sub1; daß das Objektidentifizierungssystem dynamisch operiert.
Jedes Objekt enthält eine Objektresonanzschaltung, die wenigstens eine Induktionsspule LT enthält, die in einer Schleife mit einem entsprechenden Kondensator CT verbunden ist. Die LT/CT-Resonanzschaltung ist so konfiguriert, daß sie eine Resonanzfrequenz besitzt, die für dieses Objekt einzigartig ist. Die Objektimplementierung 10 enthält drei identische LT/CT- Resonanzschaltungen, die von orthogonalen elektrisch isolierten Spulen LTX, LTY und LTZ und jeweils einem entsprechenden Kondensator CTX, CTY und CTZ gebildet werden. Die Objektimplementierung 11 enthält nur eine einzige LT/CT-Schaltung.
In den Rand der Schale 13 ist eine einzelne Basisspule L1 eingebaut und mit der Basiselektronik 14 gekoppelt. Die in die Schale geworfenen oder aus derselben entnommenen Objekte passieren die Basisspule L1, wobei sie über L1 mit der Basiselektronik induktiv gekoppelt werden, während sie sich in einer vorgegebenen Nachbarschaftsbeziehung zur Basisspule befinden.
Für die Objektimplementierung 10 bewirken drei orthogonale Objektresonanzschaltungen unabhängig von der Objektorientierung die induktive Kopplung mit der Basisspule. Für die Objektimplementierung 11 ist die induktive Kopplung der einzigen Objektspule empfindlich gegenüber der Winkelposition innerhalb der Basisspule (die Kopplung ist maximal, wenn die Spulen parallel liegen, und minimal, wenn die Spulen orthogonal liegen).
1.2. Staplerausführungsform. Wie in den Fig. 1c und 1d gezeigt, enthält das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung für die beispielhafte Staplerausführungsform (a) mehrere ringförmige Objekte, die mit 20 bezeichnet sind, sowie (b) eine Basis 22 mit einer Säule 23 und der Basiselektronik 24. Die Objekte müssen identifiziert werden, wenn sie auf der Säule 23 gestapelt oder von dieser abgenommen werden, was eine statische Identifizierung der Objekte und ihrer relativen Positionen im Stapel erfordert.
Jedes ringförmige Objekt 20 enthält eine Objektresonanzschaltung, die eine induktive Spule LT enthält, die in einer Schleife mit einem entsprechenden Kondensator CT verbunden ist. Die LT/CT-Resonanzschaltung ist so konfiguriert, daß sie eine für dieses Objekt einzigartige Resonanzfrequenz aufweist.
In die Stapelsäule 23 sind mehrere Basisspulen L1-L5 eingebaut, die mit der Basiselektronik 24 gekoppelt sind. Die auf der Säule gestapelten oder von dieser abgenommenen Objekte liegen zu wenigstens einer Basisspule konzentrisch und werden über diese Basisspule induktiv mit der Basiselektronik gekoppelt (siehe Abschnitt 3). Auf diese Weise können die Objekte und ihre Positionen auf dem Stapel identifiziert werden.
2. Funktionsbeschreibung. Das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der Erfindung ist in Fig. 2a für die Sortiereranwendung und in Fig. 2b für die Stapleranwendung funktional dargestellt.
Die Objektidentifizierungsfunktion - die Detektion, induktiv gekoppelte Schwingung mit der Objektresonanzfrequenz sowie Frequenzunterscheidung umfaßt - wird in beiden Anwendungen in ähnlicher Weise bewerkstelligt, wobei der Hauptunterschied die Verwendung mehrerer Basisspulen in der Stapleranwendung ist, die eine Logik zum Multiplexen der Basisspulen erfordert. Somit enthält das Objektidentifizierungssystem für beide Anwendungen die Basiselektronik 50, die eine induktiv gekoppelte Oszillatorschaltung 60 zur Objektdetektion und zur resultierenden induktiv gekoppelten Schwingung umfaßt, sowie eine Frequenzzähllogik 70 zum Identifizieren der Schwingungsfrequenz (und somit des Objektes), wobei der Zeitablauf und die Steuerung von einem Sprachsynthesizer-Mikrocomputer 80 bewerkstelligt werden. Außerdem enthält die Basiselektronik einen Lautsprecher/Verstärker 85 und eine Batterie sowie Leistungssteuerschaltungen 90.
2.1 Induktive Koddlung und Schwingung. Die Objektdetektion und die Identifikation werden mittels induktiver Kopplung bewerkstelligt. Wenn ein Objekt in die Nähe der einzelnen Basisspule L1 im Sortierer (Fig. 2a) oder einer der mehreren Basisspulen L1-L5 im Stapler (Fig. 2b) gebracht wird oder geworfen wird, wird die zugehörige LT/CT-Resonanzschaltung über die Basisspule induktiv mit der Oszillatorschaltung 60 gekoppelt.
Die Objektdetektion wird vom Mikrocomputer 80 gesteuert, der START-Signale verwendet, die der Oszillatorschaltung 60 in vorgegebenen Intervallen zugeführt werden. Als Antwort hierauf erzeugt die Oszillatorschaltung START-Impulse, die dann, wenn sich ein Objekt ausreichend nahe an einer Basisspule befindet, über die Basisspule in die Objektresonanzschaltung eingekoppelt werden, wodurch eine Resonanz bei der zugehörigen Objektresonanzfrequenz angeregt wird.
Wenn ein Objekt für eine induktiv gekoppelte Resonanz nahe genug ist, wird diese Resonanzbedingung von der Oszillatorschaltung 60 detektiert, die mit der zugehörigen Resonanzfrequenz für dieses Objekt schwingt und ein Schwingungsausgangssignal FREQ erzeugt, dessen Frequenz der Objektresonanzfrequenz entspricht. Das Schwingungssignal FREQ wird zum Aufrechterhalten der Objektresonanzbedingung an die Basisspule angelegt und an die Frequenzzähllogik angelegt.
Beim Sortierer (Fig. 2a) erzeugt der Mikrocomputer 80 ferner einen HOCH/NIEDRIG-Befehl, der die Oszillatorschaltung entweder in einen HOCH-Energiemodus oder in einen NIEDRIG-Energiemodus versetzt, die den Pegel der in ein Objekt eingekoppelten START- Impulsenergie ermitteln, und richtet niedrige und hohe Frequenzbänder ein (die eine erhöhte Anzahl von eindeutigen Objekten erlauben). Beim Stapler sind alle Objektresonanzfrequenzen in einem einzigen Frequenzband enthalten.
Beim Stapler (Fig. 2b) wird die Basisspulenunterscheidung mittels einer Basisspulenauswahlschaltung 100 bewerkstelligt, die Basisspulentransistorschalter 102 und eine Basisspulenabtastlogik 104 enthält. Die Basisspulenabtastlogik multiplext die Basisspulen durch sequentielles Aktivieren der zugehörigen Basisspulentransistorschalter, wobei die Basisspulenabtastung mittels der Signale SHIFT und ENABLE- vom Mikrocomputer 80 gesteuert wird.
2.2. Frequenzzählung. Das Schwingungsausgangssignal FREQ von der Oszillatorschaltung wird an die Frequenzzähllogik 70 angelegt, die eine herkömmliche Frequenzzählfunktion ausführt. Die zwei beispielhaften Ausführungsformen zeigen zwei unterschiedliche Frequenzzählimplementierungen - beim Sortierer (Fig. 2a) ist die Frequenzzählung mittels der Frequenzzähllogik 70 in Kombination mit der Zähllogik im Mikrocomputer 80 implementiert (siehe Fig. 5), während beim Stapler (Fig. 2b) die Frequenzzählung vollständig mittels der separaten Frequenzzähllogik implementiert ist.
Der Mikrocomputer 80 richtet ein Frequenzzählfenster ein, während dem die Zyklen des Schwingungssignals FREQ gezählt werden. Das Ergebnis der Frequenzzähloperation ermöglicht dem Mikrocomputer, die Frequenz von FREQ zu ermitteln, d. h. die Resonanzfrequenz der Objektresonanzschaltung, wodurch das Objekt identifiziert wird. Bei der Staplerausführungsform ermittelt der Mikrocomputer ferner die spezielle Basisspule, die dem identifizierten Objekt zugeordnet ist.
2.3. Mikrocomputersteuerung. Für die beispielhaften Sortierer- und Staplerausführungsformen ist der Sprachsynthesizer-Mikrocomputer 80 der von Texas Instruments Inc. erhältliche Sprachsynthesizer TSP50C43. Für die TSP50C4X-Familie von Sprachsynthesizern ist ein Entwurfshandbuch und Programmierführer erhältlich.
Für das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der Erfindung ist der Mikrocomputer so programmiert, daß er (a) die START-Signale (sowie HOCH/NIEDRIG und SHIFT/ENABLE-) erzeugt, die die Objektdetektions- und induktiv gekoppelten Schwingungsfunktionen bewirken, und (b) die Frequenzzähl- und Objektidentifizierungsfunktionen implementiert. Die Verwendung eines Mikrocomputers zur Bewerkstelligung der Steuerung und der Verarbeitung für das Objektidentifizierungssystem ist beispielhaft und für die Erfindung unkritisch - es können auch andere Steuertechniken (wie z. B. eine kundenspezifische Chipimplementierung) verwendet werden.
Außerdem ist der Mikrocomputer so programmiert, daß er die Sortierer/Stapler-Anwendungen einschließlich der Aktivitätsorganisation und der Sprachsynthese implementiert.
3. Schaltungsimplementierung. Für die beispielhaften Sortierer- und Staplerausführungsformen beschreibt dieser Abschnitt die bevorzugten Schaltungsimplementierungen für die Oszillatorschaltung 60, die Basisspulenauswahlschaltung 100 (nur Stapler) und der Frequenzzählschaltung 70. Der Lautsprecher/Verstärker 85 und die Batterie sowie die Leistungssteuerschaltungen 90 sind Routineimplementierungen und müssen nicht beschrieben werden.
3.1. Oszillatorschaltung. Für den Sortierer zeigen die Fig. 3a und für den Stapler die Fig. 3b schematisch die induktiv gekoppelte Oszillatorschaltung 60, deren Konfiguration für beide Anwendungen im wesentlichen gleich ist.
Die Oszillatorschaltung 60 enthält eine Startschaltung 62, einen Komparator U1 zusammen mit zugehörigen Referenz- und Rückkopplungsschaltungen 63 und 64 sowie eine Treiberschaltung 66 - in der Sortiererausführungsform enthält die Oszillatorschaltung ferner eine HOCH/NIEDRIG-Schaltung 68. Wenn die Oszillatorschaltung 60 über eine Basisspule mit einer Objektresonanzschaltung induktiv gekoppelt ist, arbeitet sie als gesteuerter Oszillator.
Die Startschaltung 62 enthält einen Schalttransistor Q1 mit offenem Kollektor. Die hintere Flanke jedes START-Signals vom Mikrocomputer (80 in den Fig. 2a und 2b) wird über einen Kondensator C1 und über die Vorspannwiderstände R1/R2 in die Basis von Q1 wechselstrommäßig eingekoppelt. Die START-Leitung ist ferner über einen Pull-up-Widerstand R3 mit VCC verbunden.
Der Komparator U1 besitzt Eingangsanschlußstifte 2 (invertierend) und 3 (nichtinvertierend), die mit der Referenzschaltung 63 gekoppelt sind, die von den Widerständen R4/R5 und einem Kondensator C2 gebildet wird, die eine Referenzspannung von ungefähr +2,5 V erzeugen. Der nichtinvertierende Eingang U1-3 ist ferner über die Rückkopplungsschaltung 64, die von den Widerständen R6, R7 und R8 und einem Kondensator C3 gebildet wird, mit einer induktiv koppelnden Basisspule gekoppelt - entweder einer einzelnen Basisspule beim Sortierer (L1 in Fig. 3a) oder mit jeder der mehreren Basisspulen beim Stapler (L1-L5 in Fig. 3b). Der Komparatorausgang U1-1 ist ein Transistor mit offenem Kollektor, der das Schwingungsausgangssignal FREQ der Oszillatorschaltung 60 erzeugt.
Die Treiberschaltung 66 enthält einen Spannungsteiler R10/R11 und einen Emitterfolger-Transistor Q2. Der Transistor Q2 erzeugt eine Hochimpedanz-Einheitsverstärkungsfaktor-Verstärkung für die Ausgänge des Schalttransistors Q1 und des Komparators, die mittels einer Punkt-ODER-Verknüpfung mit der Basis von Q2 gekoppelt sind.
Beim Sortierer (Fig. 3a) sind der offene Kollektor des Schalttransistors Q1 und der offene Kollektorausgang des Komparators über den Spannungsteiler R10/R11 mit der Basis von Q2 gekoppelt. Beim Stapler (Fig. 3b) ist der offene Kollektor des Schalttransistors Q1 direkt mit der Basis von Q2 und über einen Widerstand R9 mit dem Spannungsteiler R1O/11 gekoppelt, während der offene Kollektorausgang des Komparators über den Spannungsteiler und R9 mit der Basis von Q2 gekoppelt ist. Ein Widerstand R12 im Sortierer und die Widerstände R12/R13 im Stapler bewirken die Stabilität von Q2; Stabilitätsbetrachtungen sind ferner für die Unterschiede in der Kopplung des Schalttransistors Q1 mit dem Verstärker Q2 in der Treiberschaltung maßgeblich.
Der Emitterausgang von Q2 ist über einen Basisspulenwiderstand R14 mit einer induktiv koppelnden Basisspule gekoppelt - entweder mit der einzelnen Basisspule beim Sortierer (L1 in Fig. 3a) oder mit jeder der mehreren Basisspulen beim Stapler (L1-L5 in Fig. 3b). Beim Sortierer (Fig. 3a) enthält die Oszillatorschaltung 60 ferner eine HOCH/NIEDRIG-Schaltung 68, die verwendet wird, um HOCH/NIEDRIG-Induktivkopplungs-Energiemodi auszuwählen (d. h. Objektresonanzfrequenzbänder). Die HOCH/NIEDRIG-Schaltung enthält einen Transistor Q3, dessen Emitter und Kollektor mit den jeweiligen Enden eines Basisspulenwiderstands R15 gekoppelt sind, der zwischen dem Emitterausgang von Q2 und dem Basisspulenwiderstand R14 angeschlossen ist. Eine HOCH/NIEDRIG- Leitung vom Mikrocomputer (80 in Fig. 2a) ist über einen Widerstand R16 mit der Basis von Q3 verbunden (die ferner über einen Widerstand R17 mit VCC verbunden ist).
Der Komparator U1 ist vorzugsweise so gewählt, daß er eine schnelle Anstiegsgeschwindigkeit und einen geringen Offset für ein relativ schnelles Schalten liefert. Ein beispielhafter Komparator kann der von Texas Instruments Inc. erhältliche Komparator Nr. LM2903 sein.
3.2. Basisspulenauswahlschaltung. Wie in Fig. 3b gezeigt, enthält das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung für die Stapleranwendung ferner eine Basisspulenauswahlschaltung 100 zum Multiplexen der mehreren induktiv koppelnden Basisspulen L1-L5 an der Oszillatorschaltung 60. Die Auswahlschaltung 100 enthält eine Basisspulenabtastlogik 102 und Basisspulenschalter 104.
Jede Basisspule L1-L5 ist über einen entsprechenden Transistorschalter QA-QE mit VCC gekoppelt, wobei das andere Ende jeder Basisspule mit der Oszillatorschaltung gekoppelt ist. Die Schalter QA-QE sind mit entsprechenden Ausgängen QA-QE der Basisspulenabtastlogik 102 gekoppelt, die von einem Schieberegister gebildet wird. Die Signale ENABLE- und SHIFT vom Mikrocomputer (80 in Fig. 2b) steuern die Schieberegisterabtastvorrichtung, wobei die Sequenz mittels SHIFT getaktet wird.
Ein brauchbares Schieberegister zur Verwendung als Basisspulenabtastvorrichtung ist das von Texas Instruments Inc. erhältliche Schieberegister SN74HC164.
3.3. Frequenzzähllogik. Wie in den Fig. 2a und 2b gezeigt, empfängt die Frequenzzähllogik 70 das Schwingungssignal FREQ und implementiert eine herkömmliche Frequenzzählfunktion. Für die beispielhafte Sortiererausführungsform wird die Frequenzzählfunktion von einer zusammengesetzten HCMOS-Logik und Sprachsynthesizer-Mikrocomputerlogik ausgeführt - der für die beispielhaften Ausführungsformen ausgewählte Sprachsynthesizer-Chip (siehe Abschnitt 2.3) enthält eine Zähllogik, die ermöglicht, daß die Frequenzzählfunktion teilweise auf dem Chip implementiert wird. Für die beispielhafte Staplerausführungsform wird die Frequenzzählfunktion vollständig außerhalb des Chips in HCMOS ausgeführt.
Für den Sortierer zeigt Fig. 5 schematisch die beispielhafte Frequenzzählimplementierung unter Verwendung der Frequenzzähllogik 70 in Kombination mit dem Sprachsynthesizer-Mikrocomputer 80. Die Frequenzzähllogik 70 enthält einen HCMOS-4:1-Zähler 72 und zugehörige HCMOS-Gatter, die wie ein Multiplexer arbeiten, der durch den HOCH/NIEDRIG-Befehl vom Mikrocomputer 80 gesteuert wird. Das Schwingungssignal FREQ von der Oszillatorschaltung (60 in den Fig. 2a und 2b) wird an den HCMOS-Zähler 72 und an einen Eingang eines UND-Gatters 73 angelegt; der Ausgang des HCMOS-Zählers wird an den einen Eingang eines UND-Gatters 74 angelegt. Der HOCH/NIEDRIG-Befehl wird an den anderen Eingang des UND-Gatters 73 und über einen Invertierer 75 an den anderen Eingang des UND-Gatters 74 angelegt. Die Ausgänge der UND-Gatter werden in ein ODER-Gatter 76 eingegeben.
Der Ausgang des ODER-Gatters ist der Ausgang der Frequenzzähllogik 70, der an den Eingang IRT- des Mikrocomputers 80 angelegt wird. Der Mikrocomputer 80 enthält einen mittels Software einstellbaren Vorskalierungszähler 81 sowie einen 255: 1-Zeitgeberzähler 82, der mit dem HCMOS-Zähler 72 kaskadiert ist. Für den NIEDRIG-Induktivkopplungsenergiemodus - das Hochfrequenzband - wird der Vorskalierungszähler 81 auf 4:1 eingestellt, indem ein Maximalzählwert 4 in einen Voreinstellungszwischenspeicher 83 geladen wird. Für den HOCH-Energiemodus - das Niedrigfrequenzband - wird der Vorskalierungszähler auf 1:1 (effektiv eine Umleitung) eingestellt, indem der Voreinstellungszwischenspeicher mit einem Maximalzählwert 1 geladen wird. Die zyklische Abfolge wird durch eine Voreinstellungssteuervorrichtung 84 gesteuert, die das Ende einer Zählung (4 oder 1) detektiert und das erneute Laden des Maximalzählwerts in den Vorskalierungszähler 81 bewirkt.
Beim Stapler wird die Frequenzzählfunktion vollständig durch eine separate HCMOS-Frequenzzähllogik bewerkstelligt. Eine zehnstufige Zähloperation verwendet drei kaskadierte HCMOS-4:1- Zähler (nicht gezeigt) - vier Stufen in jedem der ersten zwei Zähler und zwei der vier Stufen im dritten Zähler.
Somit zeigen die beispielhaften Ausführungsformen Frequenzzählimplementierungen, die entweder teilweise oder vollständig außerhalb des Chips in einer Spezialhardware bewerkstelligt werden. Die spezifische Implementierung der Frequenzzählfunktion ist eine Entwurfsauswahlmöglichkeit, die in erster Linie von der Auswahl eines Mikrocomputers für das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung und von der Zuweisung der Objektresonanzfrequenzen abhängt. Als Alternative zur Implementierung der Frequenzzählfunktion teilweise oder vollständig außerhalb des Chips kann dann, wenn der ausgewählte Mikrocomputer eine ausreichende Rechenleistung für die interessierenden Frequenzen besitzt, die Frequenzzählfunktion vollständig im Mikrocomputer implementiert werden, wobei die separate HCMOS-Frequenzzähllogik weggelassen wird.
Als Alternative zu einer logischen Implementierung der Frequenzunterscheidungsfunktion können analoge Filter und Detektoren verwendet werden.
3.4. Objektparameter. Die Objektidentifizierungstechnik der Erfindung hängt von der induktiven Kopplung der Resonanzschaltung eines Objekts mit der Oszillatorschaltung in der Basiselektronik ab. Der empfohlene Lösungsansatz ist eine lose Kopplung (d. h. ein Kopplungskoeffizient in der Größenordnung von 0,01-0,1), was dazu führt, daß die nutzbaren Objektresonanzfrequenzen in einem Band liegen, was deren Anzahl beschränkt. Wenn die wechselseitige Basis-Objekt-Kopplung zu stark ist, verliert die Objektresonanzfrequenz ihre Abhängigkeit von CT und LT; wenn die Kopplung zu schwach ist, wird das Objekt von der Oszillatorschaltung nicht detektiert.
Die Erreichung einer zuverlässigen Objektidentifizierung und -unterscheidung erfordert Entwurfskomprornisse zwischen der Anzahl der Objekte, der erwarteten Geschwindigkeit, mit der sich die Objekte durch die Basisspule bewegen, und den Toleranzen für die LC-Komponenten der Objekt-LT/CT-Schaltung und der Basisspule. Die Auswahl der Objektresonanzfrequenzen, d. h. der LT/CT-Komponentenwerte für jedes Objekt, erfordert die Berücksichtigung der Anzahl der Objekte und der Komponententoleranzen, um Resonanzfrequenzabstände zu erreichen, die eine Objektidentifizierung und -unterscheidung innerhalb der Entwurfsspezifikationen sicherstellen.
Die dynamische Sortiereranwendung verwendet spezielle Betrachtungen der induktiven Kopplung. Da die Objekte durch die Basisspule fallen, werden der Objektidentifizierung zeitliche Beschränkungen auferlegt. Die Frequenzzählfunktion erfordert ein minimales Frequenzzählfenster, um die unterschiedlichen Objektresonanzfrequenzen aufzulösen, während die Geschwindigkeit, mit der sich die Objekte durch die Basisspule bewegen, die Zeitspanne, während der das Objekt für eine induktive Kopplung nahe genug ist, in der Praxis beschränkt. Daher muß die Geschwindigkeit, mit der sich die Objekte durch die induktive Kopplungszone der Basisspule bewegen, bei der Ermittlung des Fensters zum Auflösen der Frequenzunterschiede im Ausgangssignal FREQ der Oszillatorschaltung berücksichtigt werden.
Die ideale Resonanzfrequenz für die LT- und CT-Werte einer Objektresonanzschleife wird aus der LC-Resonanzformel
1/(2 PI SQR(LT CT))
abgeleitet.
Für die beispielhaften Ausführungsformen spiegelt der Abstand zwischen den Objektresonanzfrequenzen eine Gesamtkomponententoleranz in der LT/CT-Schleife von ±13 % wider. Das heißt, die Objektresonanzfrequenzen sind so gewählt, daß trotz eines Irrtums von 13 % im ungünstigsten Fall bei den induktiven und kapazitiven Werten für die Komponenten in der Objektschaltung eine Auflösung sichergestellt ist.
Für die beispielhafte Sortiereranwendung sind die Objektparameter in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Diese beispielhafte Ausführungsform verwendet 16 Objekte mit eindeutigen Objektresonanzfrequenzen in zwei Frequenzbändern, die den zwei induktiven Kopplungsenergiemodi entsprechen. Im HOCH-Energiemodus - den niedrigen Objektresonanzfrequenzen - besitzen die Objekte 1 bis 5 drei orthogonale Spulen mit 1340 µH (Maß #30) und 112 Windungen (ungefähr 2 Zoll im Durchmesser). Im NIEDRIG- Energiemodus - den hohen Objektresonanzfrequenzen - besitzen die Objekte 6 bis 16 drei orthogonale Spulen mit 225 µH (Maß #30) und 48 Windungen (ungefähr 2 Zoll im Durchmesser). Die einzelne Basisspule weist eine Induktivität von 37 µH (Weite # 30) mit 12 Windungen auf (ungefähr 4 Zoll im Durchmesser). TABELLE DER SORTIEREROBJEKTE
Das Frequenzauflösungsfenster für den HOCH-Energiemodus beträgt ungefähr 10 ms, während es für den NIEDRIG-Energiemodus ungefähr 2,9 ms beträgt. Für die beispielhafte Stapleranwendung sind die Objektparameter in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Diese beispielhafte Ausführungsform verwendet 11 Objekte mit eindeutigen Objektresonanzfrequenzen in einem Frequenzband, das einem induktiven Kopplungsenergiemodus entspricht. Die Objekte 1 bis 11 besitzen jeweils eine einzelne Spule mit 104 µH (Maß #30) und 40 Windungen (ungefähr 1,3 Zoll im Durchmesser). Jede der fünf Basisspulen (L1-L5 in Fig. 2b) besitzt eine einzelne Spule mit 9 µH (Maß #30) und 11 Windungen (ungefähr 1 Zoll im Durchmesser). Tabelle der Staplerobjekte
Das Frequenzauflösungsfenster beträgt ungefähr 2 ms.
Die äußere Abdeckung der Objekte ist für die Erfindung unkritisch und kann hinsichtlich nichtmetallischer Materialien, der Abmessungen und der Identifizierungsattribute (wie z. B. Farbe, Buchstaben, Zahlen) frei konfiguriert werden.
4. Operation. Das System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der Erfindung operiert bei beiden beispielhaften Sortierer- und Staplerausführungsformen ähnlich. Die hauptsächlichen Operationen sind (a) die Objektdetektion und die induktiv gekoppelte Schwingung und (b) die Frequenzzählung, um die induzierte Schwingungsfrequenz zu ermitteln und das Objekt zu identifizieren - die Staplerausführungsform zeigt das Multiplexen zur Unterscheidung mehrerer Basisspulen.
Allgemein beaufschlagt die induktiv gekoppelte Oszillatorschaltung als Antwort auf die START-Signale vom Mikrocomputer die Basisspule mit Impulsen, um eine Objektresonanzschaltung in der Nähe zu detektieren. Wenn das Objekt nahe genug ist, wird die Objektresonanzschaltung induktiv an die Oszillatorschaltung gekoppelt, die dann mit der Resonanzfrequenz schwingt, die durch die einzigartige LT/CT-Schaltung des Objekts bestimmt wird. Diese Schwingungsfrequenz wird in die Frequenzzähllogik eingekoppelt, die die Identifizierung der Objektresonanzfrequenz und somit die Identifizierung des Objektes ermöglicht.
4.1 Induktive Kopplung und Schwingung. Die Fig. 4a-4d sind repräsentative Signalformen, die die Objektdetektionsoperationen und induktiv gekoppelten Schwingungsoperationen zeigen, die in erster Linie von der Oszillatorschaltung (60 in den Fig. 3a und 3b) ausgeführt werden. Diese Signalformen beziehen sich auf die entsprechenden Knoten der Oszillatorschaltung.
Die Signalformen der Fig. 4a zeigen die Erzeugung der START- Impulse als Antwort auf die START-Signale vom Mikrocomputer. Anfangs, wenn kein Objekt in der Nähe ist, schwingt die Oszillatorschaltung nicht und das Ausgangssignal FREQ vom Komparator liegt auf einem logischen Gleichstrom-Hochpegel (siehe Signalform 3).
Um Objekte zu detektieren und zu identifizieren, wenn sie in die Nähe einer Basisspule gebracht werden, legt der Mikrocomputer (80 in den Fig. 2a und 2b) in vorgegebenen Intervallen fallende START-Signale auf die START-Leitung (Signalform 1). Die hintere Flanke eines START-Signals wird über C1, R1 und R2 wechselstrommäßig in einen Schalttransistor Q1 eingekoppelt (Signalform 2), dessen Kollektor normalerweise durch den Spannungsteiler R10/R11 auf Hochpegel gezogen wird (ungefähr +4,3 V). Als Antwort hierauf schaltet Q1 für eine Zeitspanne von ungefähr 0,5 ms auf Niedrigpegel (Signalform 3), wodurch ein START-Impuls von dieser Dauer erzeugt wird, der an die Treiberschaltung 66 angelegt wird.
Die Signalformen der Fig. 4b werden erhalten, wenn sich kein Objekt in der Nähe einer Basisspule (L1 in Fig. 3a oder L1-L5 in Fig. 3b) befindet, wobei sich der START-Impuls durch den Verstärker Q2 in der Treiberschaltung 66 (Signalform 4) und die Basisspulenwiderstände (R14 und R15 im Sortierer) zur Basisspule (Signalform 5) ausbreitet. Dieser START-Impuls wird über die Rückkopplungsschaltung 64 zum nichtinvertierenden Eingang U1-3 des Komparators zurückgeführt (Signalform 6).
In der Rückkopplungsschaltung bestimmt R8 die Rückkopplungsamplitude, während C3 die Wechselstromeinkopplung des Rückkopplungssignals in den Komparator bewerkstelligt. Die Wechselstromeinkopplung entfernt den Rechteckwellen-Offset im Rückkopplungssignal und bewirkt eine Nenn-Basislinie von +2,5 V Gleichspannung (siehe Signalwelle 5). Der Widerstand R6 in der Komparatorreferenzschaltung verleiht der Oszillatorschaltung eine leichte Vorspannung, so daß er seinen Komparatorausgang auf Hochpegel ruhen läßt, wenn die Oszillatorschaltung nicht schwingt.
Der Komparatorausgang auf der FREQ-Leitung (der der Ausgang der Oszillatorschaltung ist) wird normalerweise vom R10/R11-Spannungsteiler nach oben gezogen. Wenn kein Objekt vorhanden ist, breitet sich der START-Impuls durch die Schaltung aus und es tritt keine Schwingung auf.
Die Signalformen der Fig. 4c werden erhalten, wenn ein Objekt in die Nähe einer Basisspule gebracht wird. Ein START-Impuls breitet sich wie oben beschrieben zur Basisspule aus und erzeugt eine Wechselstromflanke, die über die Basisspule in die Objekt-LT/CT-Schaltung induktiv eingekoppelt wird (Signalform 5). Diese Wechselstromflanke induziert in der Objektschaltung eine gedämpfte Schwingung mit der charakteristischen Objektresonanzfrequenz, die über die Basisspule und die Rückkopplungsschaltung in den Komparator zurückgekoppelt wird (Signalform 6).
Wenn das gedämpfte Schwingungsrückkopplungssignal eine ausreichende Amplitude aufweist, setzt der Komparator die gedämpfte Schwingung in eine gesteuerte Schwingung um und erzeugt ein Rechteck-Schwingungsausgangssignal FREQ mit der Objektresonanzfrequenz (Signalform 3). Der Komparator operiert im nichtinvertierenden Modus, um die für die Schwingung erforderliche regenerative Verstärkung zu bewirken. Außerdem weist die Oszillatorschaltung einen Fangeffekt dahingehend auf, daß die Rückkopplungsamplitude, die zum Einleiten der Schwingung erforderlich ist, deutlich kleiner ist als die in der gesteuerten Schwingung erreichte Amplitude.
Die Signalformen der Fig. 4d zeigen den Fall, in dem ein Objekt nicht ausreichend gekoppelt ist, um eine Schwingung zu verursachen, wie z. B. dann, wenn das Objekt in die Umgebung der Basisspule kommt oder diese verläßt. Wenn somit das von der Objektschaltung zurückgekoppelte und in den Komparator eingegebene Objektresonanzsignal (Signalform 6) so gedämpft wird, daß der Komparator nicht schaltet (Spitze-Spitze-Amplitude kleiner als 2 mV), dann verharrt der Komparatorausgang FREQ auf dem logischen Gleichspannungs-Hochpegel.
Die HOCH/NIEDRIG-Induktivkopplungsmodi in der Sortiererausführungsform (Fig. 3a) arbeiten wie folgt. Als Antwort auf die HOCH/NIEDRIG-Befehle vom Mikrocomputer steuert die HOCH/NIEDRIG-Schaltung die induktiv gekoppelte Energie, indem sie die Oszillatorschaltung für die HOCH- und NIEDRIG-Energie- Induktivkopplungsmodi konfiguriert, die den niedrigen bzw. hohen Objektresonanzfrequenzbändern zugeordnet sind. Wenn der HOCH/NIEDRIG-Befehl ein HOCH ist (logischer Niedrigpegel), wird Q3 in der HOCH/NIEDRIG-Schaltung eingeschaltet, wodurch der Basisspulenwiderstand R15 umgangen und der Basisspulenwiderstandswert auf R14 begrenzt wird - als Folge hiervon wird ein HOCH-Pegel der Energie in jedem START-Impuls induktiv in eine Objektresonanzschaltung eingekoppelt. Wenn der logische HOCH/NIEDRIG-Pegel NIEDRIG ist (logischer Hochpegel), wird Q3 ausgeschaltet und der Basisspulenwiderstandswert beträgt R11 + R12 - als Folge hiervon wird ein NIEDRIG-Pegel in jedem START-Impuls induktiv eingekoppelt. Somit ermöglicht die HOCH/NIEDRIG-Schaltung, daß in der Oszillatorschaltung eine Schwingung auf zwei Energiepegeln getrieben wird.
Die Auswahl der Basisspulen in der Staplerausführungsform (Fig. 3b) funktioniert wie folgt. Als Antwort auf die Signale SHIFT und ENABLE- vom Mikrocomputer koppelt die Basisauswahlschaltung sequentiell eine der mehreren Basisspulen L2-L5 über einen zugehörigen Basisspulentransistorschalter an die Oszillatorschaltung. Während dieser Zeitspanne operiert die Oszillatorschaltung wie eine Einzelbasisspulen-Konfiguration, wie beim Sortierer.
Die Signalformen der Fig. 4e zeigen den Zeitablauf der Basisspulenabtastoperation. Zu Beginn der Operation erzeugt der Mikrocomputer einen Abtastsequenzimpuls auf der Leitung ENABLE- und ein Taktsignal SHIFT, die in die Basisspulenabtastvorrichtung eingegeben werden (Schieberegister 102 in Fig. 3b). Die erste steigende Flanke des Takts SHIFT, die mit dem Freigabeabtastsequenzimpuls zusammenfällt, veranlaßt den Ausgang QA der Schieberegisterabtastvorrichtung, auf Niedrigpegel zu schalten, wodurch der zugehörige Basisspulenschalttransistor QA eingeschaltet wird. Die nächste steigende Flanke des Takts SHIFT veranlaßt den Ausgang QA, auf Hochpegel zu schalten, und den Ausgang QB, auf Niedrigpegel zu schalten, wodurch der Basisspulenschalttransistor QA ausgeschaltet und der Basisspulenschalttransistor QB eingeschaltet wird. Mit Fortsetzung des Abtastens, getaktet durch SHIFT, werden die Schieberegisterausgänge QA-QE der Reihe nach geschaltet, wodurch die zugehörigen Basisspulenschalttransistoren entsprechend eingeschaltet werden.
Während jedes Intervalls, in dem ein Basisspulenschalttransistor eingeschaltet ist und eine zugehörige Basisspule mit der Oszillatorschaltung gekoppelt ist, beauf schlagt der Mikrocomputer die Oszillatorschaltung mit einem START-Signal, wodurch ein START-Impuls erzeugt wird, der sich zur aktivierten Basisspule ausbreitet. In der beispielhaften Ausführungsform wird eine SHIFT-Taktperiode von ungefähr 100 ms verwendet, was eine durch den START-Impuls eingeleitete Fensterbreite von ungefähr 2 ms zuläßt.
4.2. Frequenzzählung. Die Frequenzzähloperation verwendet geeignete Zählerketten während eines vorgegebenen Frequenzzählfensters zusammen mit der Software im Mikrocomputer, um die Frequenz des Schwingungssignals FREQ zu bestimmen, wodurch das Objekt anhand seiner eindeutigen Objektresonanzfrequenz identifiziert wird. Die Einzelheiten dieser herkömmlichen Frequenzzähloperation hängen von der Implementierung ab, die für die Frequenzzählfunktion gewählt wird, wobei zwei beispielhafte Frequenzzählimplementierungen beschrieben worden sind (Abschnitt 3.3).
Der wesentlichste Entwurfsparameter, der bei der Implementierung der Frequenzzähloperation zu berücksichtigen ist, ist die Einrichtung des Frequenzzählfensters. Dieses Fenster wird so gewählt, daß die verschiedenen Objektresonanzfrequenzen aufgelöst werden können, d. h. das Fenster muß so gewählt werden, daß es die Erkennung der kleinsten erwarteten Frequenzdifferenz ermöglicht.
Wie in der Tabelle der Sortiererobjekte im Abschnitt 3.4 gezeigt, liegen bei der beispielhaften dynamischen Sortiererausführungsform die Frequenzdifferenzen des ungünstigsten Falls zwischen den Objekten 1 und 2 im NIEDRIG-Energiemodus und zwischen den Objekten 6 und 7 im HOCH-Energiemodus. Bei Verwendung eines LC-Komponenten-Toleranzfaktors von 13 % erfordert der NIEDRIG-Energiemodus ein Fenster von ungefähr 1 ms, wobei ein Fenster von 2,9 ms verwendet wird, während der HOCH-Energiemodus ein Fenster von ungefähr 6,4 ms erfordert, wobei ein Fenster von 10 ms verwendet wird.
Wie in der Tabelle der Staplerobjekte im Abschnitt 3.4 gezeigt, liegen bei der beispielhaften statischen Staplerausführungsform die Frequenzdifferenzen des ungünstigsten Falls zwischen den Objekten 1 und 2. Bei Verwendung eines LC-Komponenten-Toleranzfaktors von 13 % ist ein Fenster von ungefähr 0,5 ms erforderlich, wobei ein Fenster von 2 ms verwendet wird.
Eine Frequenzzähloperation wird begonnen, wenn der Mikrocomputer die Oszillatorschaltung mit einem Objektdetektions-START- Signal beaufschlagt, wodurch eine Schwingung eingeleitet wird, wenn sich ein Objekt in der Nähe einer Basisspule befindet. Das resultierende Schwingungssignal FREQ wird an die Frequenzzählschaltung angelegt, um eine Frequenzzähloperation einzuleiten.
Am Ende eines Frequenzzählfensters liest der Mikrocomputer aus dem entsprechenden Zähler einen Binärwert, der der Anzahl der Zyklen des Oszillatorsignals FREQ entspricht - beim Sortierer den Mikrocomputer-Zeitgeberzähler (82 in Fig. 5) und beim Stapler die Inhalte des HCMOS-Zählers in der Frequenzzähllogik (70 in Fig. 3b). Der Mikrocomputer setzt ferner als Vorbereitung auf die nächste Frequenzzähloperation die Zähler zurück, mit der Ausnahme, daß beim Sortierer der HCMOS-Zähler der ersten Stufe nicht zurückgesetzt werden muß, da die Frequenzzähloperation unempfindlich ist gegenüber dessen Anfangszählwert zu Beginn eines Frequenzzählfensters. Der Mikrocomputer implementiert diese Rücksetzoperation beim Sortierer intern und beim Stapler mittels eines START-Signals.
Für die beispielhaften Ausführungsformen ist die bevorzugte Technik für die Objektidentifizierung die, daß für jedes Objektidentifizierungsereignis eine Serie von Frequenzzähloperationen verwendet wird, indem typischerweise ein START-Signal erzeugt wird, sobald ein Frequenzzählfenster endet. Bei der dynamischen Sortiererausführungsform ist ein fallendes Objekt typischerweise für ein Intervall von ungefähr 10 Frequenzzählfenstern nahe genug an der Basisspule, um eine Schwingung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Wie mit den Signalformen der Fig. 4e gezeigt, werden bei der statischen Staplerausführungsform typischerweise für die zweite Hälfte jedes SHIFT-Taktzyklus von 100 ms alle 2 ms START-Signale erzeugt (ungefähr 50 pro Basisspulenauswahlintervall). Die aktuelle Frequenzzahl wird typischerweise ermittelt, indem die höchste von mehreren Frequenzzahlen gewählt wird. Die Abgrenzung des Frequenzzählfensters unter Verwendung von START-Signalen oder Impulsen kann entsprechend den jeweiligen Erfordernissen erfolgen - der einzige Entwurfszwang ist, daß im Fenster eine für die Frequenzunterscheidung und Objektidentifizierung ausreichende Anzahl von FREQ-Zyklen enthalten sein muß.
5.0 Ergebnis. Die Technik zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung gemäß der Erfindung ermöglicht die Identifizierung von Objekten, die durch eindeutige Objektresonanzfrequenzen charakterisiert sind, unter Verwendung einer Oszillatorschaltung, die mit der Objektresonanzfrequenz schwingt, wenn sich ein Objekt ausreichend nahe an einer Basisspule befindet, um mit der Oszillatorschaltung induktiv gekoppelt zu werden. Die Technik kann an eine Mikrocomputersteuerung angepaßt werden, wobei der Mikrocomputer verwendet wird, um die Objektdetektionsereignisse mit START-Signalen einzuleiten, Frequenzzählfenster einzurichten und die Schwingungssignalfrequenz (d. h. die Objektresonanzfrequenz) zu ermitteln. Die Technik kann an eine dynamische oder an eine statische Operation angepaßt werden.
Die Technik ist allgemein anwendbar auf Objektidentifizierungsanwendungen, einschließlich Spielen, des Förderwesens und der Annäherungsdetektion. Zum Beispiel gehören zu den elektronischen Spielanwendungen für die Technik neben den beispielhaften Sortierer- und Stapleranwendungen: (a) elektronische Brettspiele - bewegliche Spielfiguren als Objekte und Brettpositionen als Basisspulen; (b) Aktivitätszentrum-Spielzeuge - bewegliche Spielfiguren als Objekte und Stellen des Hintergrunds als Basisspulen; (c) Stempelaktivitäten - Gummistempel als Objekte und Basisspulen unter leerem Papier; (d) Kunststoff-Sammeltassen - Figurentassen mit Objektschaltungen und Basisspulen in entsprechenden Basiselementen, die mit für die Figur passender, synthetisierter Sprache antworten.
Die vorliegende Erfindung ist zwar mit Bezug auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden, jedoch können verschiedene Änderungen und Abwandlungen für den Fachmann naheliegend sein, wobei die vorliegende Erfindung solche Änderungen und Abwandlungen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims

1. System zur Identifizierung von Objekten mittels induktiver Kopplung, enthaltend:

wenigstens ein Objekt (10, 11 - Fig. 1a; 20 - Fig. 1c) mit einer Objektresonanzschaltung (LT, CT - Fig. 1a, 1c; LTX, LTY, LTZ, CTX, CTY, CTZ - Fig. 1a), das eine dem wenigstens einen Objekt eigene vorbestimmte Objektresonanzfrequenz hat,

eine Basiseinheit (12 - Fig. 1b; 22 - Fig. 1d) mit wenigstens einer induktiven Kopplungsschaltung (L1 - Fig. 1b; L1 - L5 - Fig. 1d) und einer Oszillatorschaltung (60),

wobei die Objektresonanzschaltung des wenigstens einen Objekts bei der vorbestimmten, dem wenigstens einen Objekt eigenen Resonanzfrequenz abhängig von der Aktivierung des wenigstens einen Objekts bei dessen Plazierung in einer vorbestimmten Nähebeziehung bezüglich der wenigstens einen induktiven Kopplungsschaltung in Resonanz ist, und

eine Frequenzerfassungsschaltung zum Feststellen der dem wenigstens einen Objekt eigenen vorbestimmten Objektresonanzfrequenz zur Identifizierung dieses wenigstens einen ten Nähebeziehung bezüglich der wenigstens einen induktiven Kopplungsschaltung bei Aktivierung befunden hat.

6. Objektidentifizierungsschaltung nach Anspruch 5, bei welchem die Basiseinheit (22 - Fig. 1d) mehrere induktive Kopplungsschaltungen (L1 - L5) enthält,

wobei wenigstens eine der mehreren induktiven Kopplungsschaltungen ausgewählt wird, um das Startsignal aus der Startschaltung zur Aktivierung des wenigstens einen induktiven Kopplungselements zu empfangen.

7. Objektidentifizierungsschaltung nach Anspruch 6 in Abhängigkeit von Anspruch 4, bei welchem die mehreren Objekte in zwei Objektgruppen eingeteilt sind, wobei die Objektresonanzschaltungen der Objekte in einer Objektgruppe jeweils mit ihren vorbestimmten Objektresonanzfrequenzen in Resonanz kommen, wenn ein Objekt in der einen Objektgruppe in die vorbestimmte Nähebeziehung bezüglich der einen der mehreren induktiven Kopplungsschaltungen entsprechend dem Objekt gebracht wird, wenn die induktive Kopplungsschaltung im "Hochenergiemodus" aktiviert ist, und wobei die Objektresonanzschaltungen der in der anderen Objektgruppe enthaltenen Objekte jeweils bei ihren vorbestimmten Objektresonanzfrequenzen in Resonanz kommen, wenn ein Objekt in dieser anderen Objektgruppe in die vorbestimmte Nähebeziehung bezüglich der einen der mehreren induktiven Kopplungsschaltungen entsprechend dem Objekt gebracht wird, wenn die induktive Kopplungs schaltung im "Niedrigenergiemodus" aktiviert ist.

8. Objektidentifizierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Basiseinheit ferner einen Körper (13 - Fig. 1b) mit einer Öffnung enthält, und

die induktive Kopplungsschaltung eine induktive Kopplungsspule (L1) enthält, die eine hindurchgehende Mittelöffnung begrenzt und in Deckung mit der in dem Körper vor- Startschaltung zum Aktivieren der wenigstens einen induktiven Kopplungsspule zu empfangen,

wobei die mehreren Objekte ringförmige Objekte sind und jedes der ringförmigen Objekte von dem länglichen Pfosten in einer umfassenden Beziehung in bezug auf diesen Pfosten so aufgenommen werden kann&sub1; daß es sich in der vorbestimmten Nähebeziehung bezüglich wenigstens einer der mehreren induktiven Kopplungsspulen bei Aktivierung befindet.

13. Objektidentifizierungssystem nach Anspruch 12, bei welchem die Basiseinheit ferner eine Basisspulen-Wählschaltung (100 - Fig. 2b) zum sequentiellen Auswählen jeweiliger Kopplungsspulen aus den mehreren induktiven Kopplungsspulen für den Empfang des Startsignals zum Aktivieren der aus den mehreren induktiven Kopplungsspulen ausgewählten Kopplungsspule in einer vorbestimmten Folge enthält.

14. Objektidentifizierungssystem nach Anspruch 13, bei welchem die Basisspulen-Wählschaltung einen Multiplexer enthält, der wirkungsmäßig mit den mehreren induktiven Kopplungsspulen verbunden ist, um zyklisch jeweilige Kopplungsspulen aus den mehreren induktiven Kopplungsspulen für den Empfang des Startsignals in der vorbestimmten Folge auszuwählen.