EP0288791B1 - Wireless transmission method for power and data transmission, and mechanically and electronically coded lock - Google Patents
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- EP0288791B1 EP0288791B1 EP88105511A EP88105511A EP0288791B1 EP 0288791 B1 EP0288791 B1 EP 0288791B1 EP 88105511 A EP88105511 A EP 88105511A EP 88105511 A EP88105511 A EP 88105511A EP 0288791 B1 EP0288791 B1 EP 0288791B1
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- G07C2009/00777—Electronically operated locks; Circuits therefor; Nonmechanical keys therefor, e.g. passive or active electrical keys or other data carriers without mechanical keys operated by active electrical keys with data transmission performed by wireless means by induction
Definitions
- the invention relates to a method for contactless energy and data transmission according to the preamble of the main claim, and a mechanically and electronically coded lock according to the preamble of claim 4.
- a device for the inductive identification of information in access controls, in particular in an inductive electronic lock and key part, is known from DE-C-31 49 789.
- an oscillator of the lock part vibrates at high frequency, these vibrations being picked up by the key part and transmitted back to the lock part in a modulated manner with a frequency or pulse pattern serving as a key identifier be processed there with a lock-side electronics.
- the key part has an energy storage device which receives the energy received via an HF resonant circuit. In such a device, the data and energy transmission take place simultaneously with the same RF signal.
- a mechanically and electronically coded key with a lock to be actuated thereby is known.
- Such a key has a conventional mechanical coding and an electronic coding present in its casing, while the corresponding lock contains a mechanical locking device and an electronic storage and control system provided with a decoding or reading device and energy supply.
- the lock is provided with a detector which can interact with a counter detector present on the key and transmitting a non-mechanical coding in a contact-free exchange of energy and data.
- the detector is housed on the front side of the lock cylinder and the counter detector in the front side of the key lock facing the lock cylinder.
- a module with a microprocessor, a data memory and a short-term energy store is accommodated in the key box, the key coding being programmed in the module.
- the detectors can consist of RF transmitters or RF receivers.
- Another device for contactless coupling of the control and power currents between lock electronics and key electronics in an electronic / mechanical locking device is known from DE-A 35 01 482.
- the communication between the key and the lock takes place via a bidirectional, serial inductive interface, whereby both the key and the lock electronics can be equipped with a microcontroller and an erasable PROM.
- a mechanical / electronic lock no adaptation to the actual energy consumption of the key electronics and the transmission link is provided, so that the main electronics have a significantly higher energy consumption, which excludes battery or accumulator operation.
- the transmission of the data is susceptible to faults, which in the event of a fault means that the lock cannot be unlocked.
- a mechanically and electronically coded lock is known, with a lock cylinder, with main electronics and with a key, which has both a mechanical and an electronic coding, which is arranged in the key electronics of the partial electronics is programmed.
- the invention has for its object to provide a method and a combined mechanically / electronically coded lock for contactless energy and data transmission, which ensure energy transmission and transmission security with regard to the coded data even with different transmission ratios and enable low energy consumption.
- the method according to the invention and the device according to the invention enable high transmission security even in the event of transmission losses or disruptive influences in the transmission link.
- the transmitted energy automatically adapts to the power consumption of the sub-electronics including the losses in the transmission path.
- This automatic adaptation of the transmitted power to the changing influences on the transmission line in practical operation allows adaptation to different doors and fittings made of different materials that have a more or less dampening effect on high-frequency energy, as well as to different geometrical characteristics of doors and fittings as well as an inaccurate alignment of the receiver and transmitter parts to dampen the HF transmission act and can thus interrupt the wireless energy supply of the key.
- energy pulses of a defined period of time Ter are transmitted repeatedly until a reset acknowledgment signal of the sub-electronics is present, wherein after the presence of a reset acknowledgment signal, energy pulses (energy bursts) with a length te determined by the actual energy consumption are transmitted, based on the number or total length of the energy pulses of length Ter is determined. This enables the required supply voltage in the partial electronics to be reached as quickly as possible with small amounts of energy, ensuring that not too much energy is transmitted.
- the transmission security is increased in that the data are binary coded, so that there is a large signal-to-noise ratio.
- the lock cylinder In the mechanically / electronically coded lock, the lock cylinder is enclosed by a plug-in, integral, non-metallic lock interface module of a certain length, which receives a key detection switch, an electronically controllable locking mechanism and the lock-side coupling element.
- Such an interface module can be used in conjunction with an unmodified conventional lock, the interface module being seated only on the part of the lock cylinder protruding from the lock case.
- a non-metallic material e.g. Zirconium oxide
- the key detection switch allows the device to be switched off when not in use, which enables a further increase in the number of lock actuations per battery set when operated on batteries.
- the electronic coding of the key is provided in a serial EEPROM via an n-fold connector, which after programming and encapsulation is no longer accessible without being destroyed.
- the encapsulation of the key electronics with the plug makes unauthorized key programming impossible.
- the use of a serial code memory allows the number of pins on the programming connector to be kept small.
- the lock-side coupling element can be isolated from metallic objects, e.g. of door panels, be arranged above the lock cylinder in the interface module.
- the arrangement of the coupling element in non-metallic material of the lock interface module enables the transmission losses to be minimized, the influence of metal behind the lock interface being slight.
- the main electronics 1 show a block diagram of the electronics required for the method for contactless energy and data transmission.
- the main electronics 1 are suitably supplied with energy via a power supply unit 3, which can be transmitted from the main electronics 1 to a sub-electronics 2 via contactless coupling elements 4, 5.
- Data can also be transmitted in both directions via the same contactless coupling elements 4, 5.
- Fig. 2 shows a block diagram of the main electronics with a microcontroller 8 including software.
- the microcontroller 8 controls a switch S1 via a data direction signal, which switches the data transmitted by the primary coupling element 4 from the partial electronics 2 to a demodulator 9 or, in the other switching position, the data output by the microcontroller 8 via a modulator 7 with a power level transmits the primary coupling element 4.
- the power supply unit 3 must apply the energy for the main electronics 1, the sub-electronics 2 and the losses in the transmission link.
- a high-frequency coupling element is used as the primary coupling element 4.
- An RF oscillator 6 supplies the carrier oscillation for the energy and the data to the modulator 7 with the power stage.
- the microcontroller 8 of the main electronics 1 switches the switch S1 to the demodulator 9.
- the data energy coupled in by the sub-electronics 2 via the primary coupling element 4 is converted into a binary signal in the demodulator 9 and then evaluated by the microcontroller 8.
- FIG. 3 shows the block diagram of the partial electronics 2.
- the energy fed in periodically by the main electronics 1 via the secondary coupling element 5 is rectified in the energy recovery unit 11 and smoothed and stored in a capacitor.
- the energy supply of the partial electronics 2 takes place from this capacitor.
- the data / energy control signal recovery unit 12 is constructed similarly to the energy store of the energy recovery unit 11, except that the time constant of the smoothing is considerably shorter in order to quickly detect changes in the energy / data signal.
- the generated control signal notifies a sequence controller 18 of the end of the energy phase.
- the sequence controller 18 then starts a data direction changeover cycle or a useful data cycle.
- a switch S3 controlled by the sequence controller 18 enables the realization of the time windows belonging to the phases, in which a switch is made to a memory logic 17, while the data direction is determined with the switch S2 likewise controlled by the sequence controller 18.
- the memory logic 17 has the task of transporting data from or to a data memory 16 at the appropriate times while evaluating the read / write signal from the sequence controller 18.
- the clock for the sequence control 18 and the carrier oscillation for the data information running to the main electronics 1 via a modulator 13 are derived from a quartz-controlled or oscillated by the main electronics 1 HF oscillator 13 of the sub-electronics 2.
- the modulator 13 links the data binary signal from the memory logic 17 to the RF carrier.
- Fig. 4 shows the transmission protocol of the energy and data transmission.
- the sequence controller 18 starts a switchover or data phase after the energy has been switched off. Common to both is the decay phase t a . If the main electronics sends t u energy in the following switchover phase, the data direction for all subsequent data phases is switched in the subelectronics (key) and the cycle is ended. If the main electronics does not transmit any energy in the switchover phase, a user data phase td is started after the switchover phase t u . In this phase, data is transferred from or to the partial electronics.
- the signal In the case of the transmission of data from the sub-electronics to the main electronics, the signal has a lower amplitude in order to keep the energy consumption of the sub-electronics low.
- Each cycle ends with an energy refresh phase in which the main electronics again transmit energy to compensate for the energy consumed.
- the course of the supply voltage of the partial electronics can be seen in the lower diagram in FIG. 4.
- the supply voltage V cc decreases continuously until the end of the data transmission in the fifth section, in order then to rise again during the energy pulse in the energy refresh phase.
- Fig. 5 shows the start-up phase after switching on the main electronics. This begins with the transmission of energy pulses with a fixed time period T er . A time window T r is provided between the energy pulses, in which the main electronics scans the coupling point after a reset acknowledgment of the partial electronics. If the partial electronics does not send a reset acknowledgment, energy pulses of length T er are transmitted until the partial electronics sends a reset acknowledgment. A reset acknowledgment is issued by the sub-electronics when the supply voltage has reached the value sufficient for normal operation. The required energy pulse time t e is then calculated by the microcontroller 8.
- the supply voltage in the subelectronics rises continuously, whereby it drops slightly in the interim time windows T r .
- the reset acknowledgment signal is used to switch to energy pulses of the length calculated by the microcontroller, which are virtually infinitely variable depending on the energy consumption of the sub-electronics and the efficiency of the adapted contactless coupling. The efficiency depends, for example, on the quality of the resonant circuit, the eddy current losses in the metal and / or the transmission distance.
- the proposed circuit achieves a large signal-to-noise ratio for the transmitted signals, since the binary-coded data are represented either by an existing energy signal (HIGH) or a missing energy signal (LOW).
- the signal-to-noise ratio and functional reliability are further increased by adapting the energy pulse length to changing transmission conditions at the beginning of a closing process.
- the transmission conditions can change in practice, for example due to misalignment between the coupling elements, due to a different sized air gap between the coupling elements and due to contamination between the coupling elements, as well as due to different materials and geometries in the lock, door and fittings.
- the circuit enables information to be transmitted bidirectionally without the circuit complexity being significantly increased.
- the quartz clock-controlled microcontroller 8 enables synchronization and control of the transmission through the energy phase that takes place after each transmission. This means that there are practically no synchronization problems. Finally, only one coupling element is required for the energy and data transmission.
- the figures 6 to 8 show an exemplary embodiment of a combined mechanically-electronically coded lock with a lock cylinder 10 which is connected to the main electronics 1 and with a mechanically coded key 23, in the key box 24 of which the Part electronics 2 is housed.
- the lock cylinder 10 is surrounded by a non-metallic lock interface module 20 which is pushed onto the lock cylinder over part of its length.
- the lock interface module 20 is seated only on the part of the lock cylinder 20 protruding from the lock case and thereby enables installation in an unmodified, conventional lock.
- the lock interface module is in one piece and has a key detection switch 21 arranged in its upper part, an electrically controllable locking mechanism 22 arranged laterally on the lock interface module 20, and the lock-side primary coupling element 4 in the vicinity of the end face of the lock which closes with the lock cylinder 10 Interface module 20.
- the lock-side coupling element 4 consists of a coil which has a ferrite core running parallel to the key insertion direction, the coupling element being provided above the lock cylinder. The ferrite cores of the coils are used for field focusing.
- the lock-side coupling element 4 is isolated on the one hand from a possible metallic cover and, on the other hand, is brought as close as possible to the secondary key-side coupling element 5 located in the key ring 24.
- the mechanical key recognition switch allows the device to be switched off when not in use, which enables a further increase in the number of locks per battery when operated on batteries.
- the positive engagement of the lock cylinder 10 by the lock interface module 20 makes complicated adjustment of the lock interface module unnecessary.
- the lock interface module 20 is fixed with a single screw.
- the mechanically coded key 23 has the sequence control 18, the memory logic 17 and a serial EEPROM 25 in its casing 24. This contains the data memory 16 and can be programmed with the electronic coding via an n-fold connector 26. The use of a serial EEPROM 25 enables the number of pins of the programming connector 26 to be kept small.
- the secondary coupling element 5 also consists of a coil which surrounds a ferrite core which, when the key 23 is inserted, runs coaxially to the ferrite core of the primary coupling element 4, a narrow air gap remaining between the coupling elements 4, 5 when the key 23 is inserted.
- the sub-electronics 2 contained in the key lock 24 are encapsulated together with the other components so that the cover 24 can no longer be opened without being destroyed. This makes unauthorized key programming impossible.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, sowie ein mechanisch und elektronisch kodiertes Schloß nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.The invention relates to a method for contactless energy and data transmission according to the preamble of the main claim, and a mechanically and electronically coded lock according to the preamble of
Eine Vorrichtung zur induktiven Identifizierung einer Information bei Zugangskontrollen, insbesondere bei einem induktiv elektronischen Schloß- und Schlüsselteil, ist aus der DE-C-31 49 789 bekannt. Bei Annäherung des Schlüsselteils an den Schloßteil schwingt ein Oszillator des Schloßteils hochfrequent, wobei diese Schwingungen vom Schlüsselteil aufgenommen werden und mit einem als Schlüsselkennung dienenden Frequenz- oder Impulsmuster moduliert auf den Schloßteil zurückübertragen werden und dort mit einer schloßseitigen Elektronik weiterverarbeitet werden. Der Schlüsselteil weist eine Energiespeichereinrichtung auf, die die über einen HF-Schwingkreis empfangene Energie aufnimmt. Bei einer solchen Vorrichtung erfolgt die Daten- und Energieübertragung gleichzeitig mit dem gleichen HF-Signal.A device for the inductive identification of information in access controls, in particular in an inductive electronic lock and key part, is known from DE-C-31 49 789. When the key part approaches the lock part, an oscillator of the lock part vibrates at high frequency, these vibrations being picked up by the key part and transmitted back to the lock part in a modulated manner with a frequency or pulse pattern serving as a key identifier be processed there with a lock-side electronics. The key part has an energy storage device which receives the energy received via an HF resonant circuit. In such a device, the data and energy transmission take place simultaneously with the same RF signal.
Aus der DE-OS 35 00 353 ist ein mechanisch, sowie elektronisch kodierter Schlüssel mit einem dadurch zu betätigenden Schloß bekannt. Ein solcher Schlüssel weist eine herkömmliche mechanische Kodierung sowie eine in seiner Reide vorhandene elektronische Kodierung auf, während das entsprechende Schloß eine mechanische Sperrvorrichtung sowie ein mit einer Dekodier- bzw. Ableseeinrichtung und Energieversorgung versehenes elektronisches Speicher- und Steuersystem enthält. Das Schloß ist mit einem Detektor versehen, der mit einem am Schlüssel vorhandenen, eine nicht-mechanische Kodierung übertragenden Gegendetektor in berührungsfreiem Energie- und Datenaustausch zusammenwirken kann. Der Detektor ist an der Stirnseite des Schloßzylinders und der Gegendetektor in der dem Schloßzylinder zugewandten Stirnseite der Schlüsselreide untergebracht. In der Schlüsselreide ist ein Modul mit einem Microprozessor, einem Datenspeicher und einem Kurzzeitenergiespeicher untergebracht, wobei in dem Modul die Schlüsselkodierung programmiert ist. Die Detektoren können aus HF-Sendern bzw. HF-Empfängern bestehen. Bei Annäherung des am Schlüssel vorhandenen Gegendetektors an den Detektor des Schloßzylinders kommt es im Schwingkreis des Schlüssels zu einer entsprechenden Anregung und damit Energiezufuhr, die für die Datenübertragung bzw. dem Datenvergleich zwischen Schloß und Schlüsselelektronik erforderlich ist. Bei dieser mechanisch und nicht-mechanisch kodierten Schlüssel/Schloßkombination ist keine Anpassung der Energieübertragung an den Energieverbrauch der Schlüsselelektronik und der Übertragungsstrecke vorgesehen.From DE-OS 35 00 353 a mechanically and electronically coded key with a lock to be actuated thereby is known. Such a key has a conventional mechanical coding and an electronic coding present in its casing, while the corresponding lock contains a mechanical locking device and an electronic storage and control system provided with a decoding or reading device and energy supply. The lock is provided with a detector which can interact with a counter detector present on the key and transmitting a non-mechanical coding in a contact-free exchange of energy and data. The detector is housed on the front side of the lock cylinder and the counter detector in the front side of the key lock facing the lock cylinder. A module with a microprocessor, a data memory and a short-term energy store is accommodated in the key box, the key coding being programmed in the module. The detectors can consist of RF transmitters or RF receivers. When the counter detector present on the key approaches the detector of the lock cylinder, there is a corresponding excitation in the oscillating circuit of the key and thus the supply of energy required for the data transmission or the data comparison between the lock and the key electronics is. With this mechanically and non-mechanically coded key / lock combination, no adaptation of the energy transmission to the energy consumption of the key electronics and the transmission path is provided.
Eine weitere Einrichtung zur kontaktlosen Kopplung der Steuerungs- und Leistungsströme zwischen einer Schloßelektronik und einer Schlüsselelektronik bei einer elektronisch/mechanischen Schließeinrichtung ist aus der DE-A 35 01 482 bekannt. Die Kommunikation zwischen Schlüssel und Schloß erfolgt über eine bidirektionale, serielle induktive Schnittstelle, wobei sowohl die Schlüssel- als auch die Schloßelektronik mit einem Microcontroller und einem löschbaren PROM ausgestattet sein können. Bei einem solchen mechanisch/elektronischen Schloß ist keine Adaption an den tatsächlichen Energieverbrauch der Schlüsselelektronik und der Übertragungsstrecke vorgesehen, so daß die Hauptelektronik einen wesentlich höheren Energieverbrauch aufweist, der einen Batterie- bzw. Akkumulatorbetrieb ausschließt. Desweiteren ist die Übertragung der Daten störanfällig, was im Störungsfall zur Folge hat, daß sich das Schloß nicht aufschließen läßt.Another device for contactless coupling of the control and power currents between lock electronics and key electronics in an electronic / mechanical locking device is known from DE-A 35 01 482. The communication between the key and the lock takes place via a bidirectional, serial inductive interface, whereby both the key and the lock electronics can be equipped with a microcontroller and an erasable PROM. With such a mechanical / electronic lock, no adaptation to the actual energy consumption of the key electronics and the transmission link is provided, so that the main electronics have a significantly higher energy consumption, which excludes battery or accumulator operation. Furthermore, the transmission of the data is susceptible to faults, which in the event of a fault means that the lock cannot be unlocked.
Aus der GB-A-2 158 870 ist ein mechanisch und elektronisch kodiertes Schloß bekannt, mit einem Schloßzylinder, mit einer Hauptelektronik und mit einem Schlüssel, der sowohl eine mechanische als auch eine elektronische Kodierung aufweist, die in einer in der Schlüsselreide der angeordneten Teilelektronik programmiert ist. Es erfolgt eine Daten- und Energieübertragung berührungslos über Koppelelemente, die einerseits an der dem Schlüssel zugewandten Stirnfläche des Schloßzylinders und andererseits an dem Schlüssel derart angeordnet sind, daß die koppelnden Elemente sich bei eingeführtem Schlüssel gegenüberstehen.From GB-A-2 158 870 a mechanically and electronically coded lock is known, with a lock cylinder, with main electronics and with a key, which has both a mechanical and an electronic coding, which is arranged in the key electronics of the partial electronics is programmed. There is a contactless data and energy transmission via coupling elements, which on the one hand are connected to the Key-facing end face of the lock cylinder and on the other hand are arranged on the key such that the coupling elements face each other when the key is inserted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein kombiniert mechanisch/elektronisch kodiertes Schloß zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung, zu schaffen, die die Energieübertragung und die Übertragungssicherheit bezüglich der kodierten Daten auch bei unterschiedlichen Übertragungsverhältnissen gewährleisten und einen geringen Energieverbrauch ermöglichen.The invention has for its object to provide a method and a combined mechanically / electronically coded lock for contactless energy and data transmission, which ensure energy transmission and transmission security with regard to the coded data even with different transmission ratios and enable low energy consumption.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung, insbesondere für ein kombiniert mechanisch/elektronisch kodiertes Schloß, zwischen einer stromversorgten Hauptelektronik und einer nicht-stromversorgten Teilelektronik mit einer Energiespeicherschaltung über jeweils mit der Haupt- bzw. Teilelektronik verbundene Koppelelemente erfindungsgemäß vorgesehen,
- daß abwechselnd Energie oder Daten über die Koppelelemente übertragen werden und
- daß die übertragene Energie über eine Variation der Energieimpuls-Länge automatisch an den von variierenden Übertragungsverlusten abhängigen Energieverbrauch der Teilelektronik angepaßt wird,
- indem nach dem Einschalten der Hauptelektronik wiederholt Energieimpulse festgelegter Zeitdauer
- that energy or data are alternately transmitted via the coupling elements and
- that the transmitted energy is automatically adapted to the energy consumption of the partial electronics, which is dependent on varying transmission losses, by varying the length of the energy pulse,
- by repeatedly repeating energy pulses of a specified duration after switching on the main electronics
Weiterhin sind zur Lösung dieser Aufgabe bei einem mechanisch und elektronisch kodierten Schloß, mit einem Schloßzylinder, mit einer Hauptelektronik, und mit einem Schlüssel, der sowohl eine mechanische als auch eine elektronische Kodierung aufweist, die in einer in der Schlüsselreide angeordneten nichtstromversorgten Teilelektronik programmiert ist, wobei Daten- und Energieübertragungen berührungslos über Koppelelemente erfolgen, die einerseits an der dem Schlüssel zugewandten Stirnfläche des Schloßzylinders und andererseits an dem Schlüssel derart angeordnet sind, daß die koppelnden Elemente sich bei eingeführtem Schlüssel gegenüberstehen, erfindungsgemäß vorgesehen:
- Mittel zur abwechselnden Energie- oder Datenübertragung über die Koppelelemente
- Mittel zur automatischen Anpassung der übertragenen Energie an den von variierenden Übertragungsverlusten abhängigen Energieverbrauch der Teilelektronik über eine Variation der Energieimpuls-Länge
- wobei die Kauptelektronik nach dem Einschalten zunächst wiederholt Energieimpulse festgelegter Zeitdauer Ter sendet, bis die Teilelektronik ein Reset-Quittungssignal abgibt, und anschließend an die Übertragungsverluste angepaßte Energieimpulse mit einer Länge te in Abhängigkeit vom Energieverbrauch erhält.
- Means for alternating energy or data transmission via the coupling elements
- Means for automatically adapting the transmitted energy to the energy consumption of the partial electronics, which is dependent on varying transmission losses, by varying the length of the energy pulse
- wherein the main electronics after switching on first repeatedly sends energy pulses of a defined period of time Ter until the sub-electronics emits a reset acknowledgment signal, and then receives energy pulses adapted to the transmission losses with a length te as a function of energy consumption.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen eine hohe Übertragungssicherheit auch bei Übertragungsverlusten oder störenden Einflüssen in der Übertragungsstrecke. Die übertragene Energie paßt sich automatisch an die Leistungsaufnahme der Teilelektronik einschließlich der Verluste in der Übertragungsstrecke an. Diese automatische Adaption der übertragenen Leistung an die sich ändernden Einflüsse auf die Übertragungsstrecke im praktischen Betrieb erlaubt eine Anpassung an verschiedene Türen und Beschläge aus verschiedenen Materialien, die mehr oder weniger dämpfend auf die Hochfrequenzenergie wirken, sowie an verschiedene geometrische Ausprägungen von Türen und Beschlägen, die ebenfalls genau wie eine ungenaue Ausrichtung von Empfänger- und Sendeteil dämpfend auf die HF-Übertragung wirken und damit die drahtlose Energieversorgung des Schlüssels unterbrechen können. Ohne Anpassung würde dann der Betrieb nicht möglich sein oder - in einem Vorstadium der Betriebsunterbrechung - würden die Datencodes verfälscht werden mit der Folge, daß die Schloßbetätigung nicht möglich wäre. Als Nebenvorteil ergibt sich ein geringer Stromverbrauch bei hoher Übertragungssicherheit, der einen Batterie- oder Akkumulatorbetrieb zuläßt.The method according to the invention and the device according to the invention enable high transmission security even in the event of transmission losses or disruptive influences in the transmission link. The transmitted energy automatically adapts to the power consumption of the sub-electronics including the losses in the transmission path. This automatic adaptation of the transmitted power to the changing influences on the transmission line in practical operation allows adaptation to different doors and fittings made of different materials that have a more or less dampening effect on high-frequency energy, as well as to different geometrical characteristics of doors and fittings as well as an inaccurate alignment of the receiver and transmitter parts to dampen the HF transmission act and can thus interrupt the wireless energy supply of the key. Operation would then not be possible without adaptation or - in a preliminary stage of the business interruption - the data codes would be falsified, with the result that the lock actuation would not be possible. As a side advantage there is low power consumption with high transmission security, which allows battery or accumulator operation.
Nach dem Einschalten der Hauptelektronik werden wiederholt Energieimpulse festgelegter Zeitdauer Ter übertragen werden, bis ein Reset-Quittungssignal der Teilelektronik vorliegt, wobei nach dem Vorliegen eines Reset-Quittungssignals Energieimpulse (Energiebursts) mit durch den tatsächlichen Energieverbrauch bestimmter Länge te übertragen werden, der anhand der Anzahl bzw. Gesamtlänge der Energieimpulse der Länge Ter festgestellt wird. Dadurch wird ermöglicht, mit kleinen Energiemengen möglichst schnell auf die erforderliche Versorgungsspannung in der Teilelektronik zu kommen, wobei gewährleistet ist, daß nicht zu viel Energie übertragen wird.After the main electronics have been switched on, energy pulses of a defined period of time Ter are transmitted repeatedly until a reset acknowledgment signal of the sub-electronics is present, wherein after the presence of a reset acknowledgment signal, energy pulses (energy bursts) with a length te determined by the actual energy consumption are transmitted, based on the number or total length of the energy pulses of length Ter is determined. This enables the required supply voltage in the partial electronics to be reached as quickly as possible with small amounts of energy, ensuring that not too much energy is transmitted.
Desweiteren wird die Übertragungssicherheit dadurch erhöht, daß die Daten binär kodiert werden, so daß sich ein großer Störabstand ergibt.Furthermore, the transmission security is increased in that the data are binary coded, so that there is a large signal-to-noise ratio.
Bei dem mechanisch/elektronisch kodierten Schloß ist der Schloßzylinder von einem aufsteckbaren, integralen, nicht-metallischen Schloß-Schnittstellenmodul auf einer bestimmten Länge umschlossen, der einen Schlüsselerkennungsschalter, einen elektronisch ansteuerbaren Sperrmechanismus und das schloßseitige Koppelelement aufnimmt.In the mechanically / electronically coded lock, the lock cylinder is enclosed by a plug-in, integral, non-metallic lock interface module of a certain length, which receives a key detection switch, an electronically controllable locking mechanism and the lock-side coupling element.
Ein solcher Schnittstellenmodul kann in Verbindung mit einem unmodifizierten konventionellen Schloß verwendet werden, wobei der Schnittstellenmodul nur auf dem aus dem Schloßkasten herausragenden Teil des Schloßzylinders aufsitzt. Die Verwendung eines nicht-metallischen Materials, z.B. Zirkonoxid, ermöglicht die Übertragungsverluste zu verringern und trägt somit dazu bei, einen Batteriebetrieb des mechanisch/elektronisch kodierten Schlosses zu ermöglichen. Der Schlüsselerkennungsschalter läßt ein Abschalten der Einrichtung bei Nichtbenutzung zu, was bei Batteriebetrieb eine weitere Erhöhung der Schloßbetätigungszahl je Batteriesatz ermöglicht.Such an interface module can be used in conjunction with an unmodified conventional lock, the interface module being seated only on the part of the lock cylinder protruding from the lock case. The use of a non-metallic material, e.g. Zirconium oxide, enables the transmission losses to be reduced and thus contributes to the battery operation of the mechanically / electronically coded lock. The key detection switch allows the device to be switched off when not in use, which enables a further increase in the number of lock actuations per battery set when operated on batteries.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Kodierung des Schlüssels in einen seriellen EEPROM über einen n-fach Stecker vorgesehen, der nach Programmierung und Verkapselung nicht mehr zerstörungsfrei zugänglich ist. Die Verkapselung der Schlüsselelektronik mit dem Stecker macht eine unbefugte Schlüsselprogrammierung unmöglich. Die Verwendung eines seriellen Codespeichers erlaubt die Stiftzahl des Programmiersteckers kleinzuhalten.In a preferred embodiment, the electronic coding of the key is provided in a serial EEPROM via an n-fold connector, which after programming and encapsulation is no longer accessible without being destroyed. The encapsulation of the key electronics with the plug makes unauthorized key programming impossible. The use of a serial code memory allows the number of pins on the programming connector to be kept small.
Das schloßseitige Koppelelement kann isoliert von metallischen Gegenständen, wie z.B. von Türblenden, oberhalb des Schloßzylinders im Schnittstellenmodul angeordnet sein. Die Anordnung des Koppelelementes in nicht-metallischem Material des Schloßschnittstellenmoduls ermöglicht eine Minimierung der Übertragungsverluste, wobei der Einfluß von Metall hinter der Schloßschnittstelle gering ist.The lock-side coupling element can be isolated from metallic objects, e.g. of door panels, be arranged above the lock cylinder in the interface module. The arrangement of the coupling element in non-metallic material of the lock interface module enables the transmission losses to be minimized, the influence of metal behind the lock interface being slight.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.In the following an embodiment of the invention will be explained with reference to the drawings.
Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Elektronik,
- Fig. 2
- ein Blockschaltbild der Hauptelektronik,
- Fig. 3
- ein Blockschaltbild der Schlüsselelektronik,
- Fig. 4
- ein Zeitdiagramm mit der Ablaufsteuerung der Energie- und Datenübertragung,
- Fig. 5
- ein Zeitdiagramm gemäß Fig. 4 in der Anlaufphase,
- Fig. 6
- eine Frontansicht eines mechanisch/elektronisch kodierten Schlosses,
- Fig. 7
- ein Schlüssel des mechanisch/elektronisch kodierten Schlosses und
- Fig. 8
- eine Seitenansicht des vorderen Teils des Schloßzylinders mit eingestecktem Schlüssel.
- Fig. 1
- 2 shows a block diagram of the electronics used for the method according to the invention,
- Fig. 2
- a block diagram of the main electronics,
- Fig. 3
- a block diagram of the key electronics,
- Fig. 4
- a time diagram with the sequence control of the energy and data transmission,
- Fig. 5
- 4 in the start-up phase,
- Fig. 6
- a front view of a mechanically / electronically coded lock,
- Fig. 7
- a key of the mechanically / electronically coded lock and
- Fig. 8
- a side view of the front part of the lock cylinder with the key inserted.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der für das Verfahren zur berührlosen Energie- und Datenübertragung benötigten Elektronik dargestellt. Die Hauptelektronik 1 wird in geeigneter Weise über eine Stromversorgungseinheit 3 mit Energie versorgt, die von der Hauptelektronik 1 über berührungslose Koppelelemente 4,5 an eine Teilelektronik 2 übertragen werden kann. Über die gleichen berührungslosen Koppelelemente 4,5 können außerdem Daten in beide Richtungen übertragen werden.1 shows a block diagram of the electronics required for the method for contactless energy and data transmission. The
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Hauptelektronik mit einem Microcontroller 8 einschließlich Software. Der Microcontroller 8 steuert über ein Datenrichtungssignal einen Schalter S1 an, der die von dem primären Koppelelement 4 von der Teilelektronik 2 übertragenen Daten auf einen Demodulator 9 schaltet bzw. in der anderen Schaltstellung die von dem Microcontroller 8 abgegebenen Daten über einen Modulator 7 mit Leistungsstufe auf das primäre Koppelelement 4 überträgt. Die Stromversorgungseinheit 3 muß die Energie für die Hauptelektronik 1, die Teilelektronik 2 und die Verluste in der Übertragungsstrecke aufbringen. Als primäres Koppelelement 4 wird ein Hochfrequenzkoppelelement verwendet. Ein Hf-Oszillator 6 liefert die Trägerschwingung für die Energie und die Daten an den Modulator 7 mit Leistungsstufe.Fig. 2 shows a block diagram of the main electronics with a
In der Empfangsphase schaltet der Microcontroller 8 der Hauptelektronik 1 den Schalter S1 auf den Demodulator 9. Die von der Teilelektronik 2 über das primäre Koppelelement 4 eingekoppelte Datenenergie wird im Demodulator 9 in ein Binärsignal umgeformt und dann vom Microcontroller 8 ausgewertet.In the reception phase, the
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Teilelektronik 2. Die von der Hauptelektronik 1 periodisch über das sekundäre Koppelelement 5 eingespeiste Energie wird in der Energierückgewinnungseinheit 11 gleichgerichtet und in einem Kondensator geglättet und gespeichert. Aus diesem Kondensator erfolgt die Energieversorgung der Teilelektronik 2.3 shows the block diagram of the
Die Daten-/Energie-Steuersignalgewinnungseinheit 12 ist ähnlich dem Energiespeicher der Energierückgewinnungseinheit 11 aufgebaut, nur daß die Zeitkonstante der Glättung wesentlich kürzer ist, um Änderungen des Energie-/Daten-Signal schnell zu erfassen. Das erzeugte Steuersignal teilt einer Ablaufsteuerung 18 das Ende der Energiephase mit.The data / energy control
Die Ablaufsteuerung 18 startet daraufhin einen Datenrichtungsumschaltzyklus oder einen Nutzdatenzyklus. Ein von der Ablaufsteuerung 18 angesteuerter Schalter S3 ermöglicht dabei die Realisierung der zu den Phasen gehörenden Zeitfenster, in denen zu einer Speicherlogik 17 durchgeschaltet wird, während mit dem ebenfalls von der Ablaufsteuerung 18 angesteuerten Schalter S2 die Datenrichtung bestimmt wird.The
Die Speicherlogik 17 hat die Aufgabe, unter Auswertung des Lese-/Schreibsignals von der Ablaufsteuerung 18 Daten zu den entsprechenden Zeitpunkten von einem oder zu einem Datenspeicher 16 zu transportieren.The
Aus einem quarzgesteuerten oder von der Hauptelektronik 1 synchronisierten HF-Oszillator 13 der Teilelektronik 2 wird über eine Taktgewinnungseinheit 15 der Takt für die Ablaufsteuerung 18 und die Trägerschwingung für die an die Hauptelektronik 1 über einen Modulator 13 laufenden Dateninformationen abgeleitet. Der Modulator 13 verknüpft beim Senden an die Hauptelektronik 1 das Datenbinärsignal aus der Speicherlogik 17 mit dem HF-Träger.The clock for the
Fig. 4 zeigt das Übertragungsprotokoll der Energie- und Datenübertragung. Die Ablaufsteuerung 18 startet nach Abschalten der Energie eine Umschalt- oder Datenphase. Beiden gemeinsam ist die Abklingphase ta. Sendet die Hauptelektronik in der folgenden Umschaltphase tu Energie, dann wird in der Teilelektronik (Schlüssel) die Datenrichtung für alle folgenden Datenphasen umgeschaltet und der Zyklus beendet. Sendet die Hauptelektronik in der Umschaltphase keine Energie, dann wird nach der Umschaltphase tu eine Nutzdatenphase td gestartet. In dieser Phase werden Daten von oder zur Teilelektronik übertragen.Fig. 4 shows the transmission protocol of the energy and data transmission. The
Im Falle der Übertragung von Daten von der Teilelektronik zur Hauptelektronik hat das Signal eine geringere Amplitude, um den Energieverbrauch der Teilelektronik gering zu halten.In the case of the transmission of data from the sub-electronics to the main electronics, the signal has a lower amplitude in order to keep the energy consumption of the sub-electronics low.
Jeder Zyklus endet mit einer Energie-Auffrischphase, in der von der Hauptelektronik erneut Energie zum Ausgleich der verbrauchten Energie übertragen wird. Im unteren Diagramm der Fig. 4 ist dabei der Verlauf der Versorgungsspannung der Teilelektronik zu entnehmen. Nach Beendigung der Energiephase nimmt nämlich die Versorgungsspannung Vcc bis zum Abschluß der Datenübertragung im fünften Abschnitt kontinuierlich ab, um dann in der Energie-Auffrischphase erneut während des Energieimpulses anzusteigen.Each cycle ends with an energy refresh phase in which the main electronics again transmit energy to compensate for the energy consumed. The course of the supply voltage of the partial electronics can be seen in the lower diagram in FIG. 4. After the end of the energy phase, namely, the supply voltage V cc decreases continuously until the end of the data transmission in the fifth section, in order then to rise again during the energy pulse in the energy refresh phase.
Die Länge des Energieimpulses te sollte so eingestellt sein, daß in erster Näherung gilt:
wobei Ig der Effektivstrom am primären Koppelelement 4, tges die Gesamtzeit der Daten- und Energie-Phase, Iverl der Verluststrom in der Übertragungsstrecke, ITE der Stromverbrauch des Schaltungsteiles der Teilelektronik, der über den gesamten Zeitraum aktiv ist, und IDTE der Stromverbrauch des Schaltungsteiles der Teilelektronik, der nur während der Datenphase aktiv ist (td = Dauer Datenphase).The length of the energy pulse t e should be set so that the following approximation applies:
where I g the effective current at the
Fig. 5 zeigt die Anlaufphase nach dem Einschalten der Hauptelektronik. Diese beginnt mit dem Übertragen von Energieimpulsen mit einer festgelegten Zeitdauer Ter. Zwischen den Energieimpulsen ist jeweils ein Zeitfenster Tr vorgesehen, in dem die Hauptelektronik die Koppelstelle nach einer Reset-Quittung der Teilelektronik abtastet. Sendet die Teilelektronik keinen Reset-Quittung, erfolgt eine weitere Übertragung von Energieimpulsen der Länge Ter, bis die Teilelektronik eine Reset-Quittung sendet. Eine Reset-Quittung wird von der Teilelektronik abgegeben, wenn die Versorgungsspannung den für einen Normalbetrieb ausreichenden Wert erreicht hat. Anschließend wird vom Mikro-Controller 8 die erforderliche Energieimpuls-Zeit te berechnet.Fig. 5 shows the start-up phase after switching on the main electronics. This begins with the transmission of energy pulses with a fixed time period T er . A time window T r is provided between the energy pulses, in which the main electronics scans the coupling point after a reset acknowledgment of the partial electronics. If the partial electronics does not send a reset acknowledgment, energy pulses of length T er are transmitted until the partial electronics sends a reset acknowledgment. A reset acknowledgment is issued by the sub-electronics when the supply voltage has reached the value sufficient for normal operation. The required energy pulse time t e is then calculated by the
Während der Abgabe der Energieimpulse konstanter Länge (Ter) steigt die Versorgungsspannung in der Teilelektronik ständig an, wobei sie in den zwischenzeitlichen Zeitfenstern Tr geringfügig abfällt. Wenn das erforderliche Spannungsniveau in der Teilelektronik erreicht ist, wird über das Reset-Quittungssignal auf Energieimpulse der vom Microcontroller berechneten Länge umgeschaltet, die sich quasi stufenlos an den Energieverbrauch der Teilelektronik und den Wirkungsgrad der berührungslosen Kopplung angepaßt. Der Wirkungsgrad ist dabei beispielsweise abhängig von der Schwingkreisgüte, den Wirbelstromverlusten im Metall und/oder dem Übertragungsabstand. Die vorgeschlagene Schaltung erzielt einen großen Störabstand bei den übertragenden Signalen, da die binärkodierten Daten entweder durch ein vorhandenes Energiesignal (HIGH) oder ein fehlendes Energiesignal (LOW) dargestellt werden. Der Störabstand und die Funktionssicherheit werden weiterhin dadurch erhöht, daß eine Anpassung der Energieimpulslänge an veränderte Übertragungsbedingungen zu Beginn eines Schließvorgangs erfolgt. Die Übertragungsbedingungen können sich z.B. infolge von Fluchtungsfehlern zwischen den Koppelelementen, infolge eines unterschiedlich großen Luftspaltes zwischen den Koppelelementen und infolge von Verschmutzungen zwischen den Koppelelementen, sowie auf Grund verschiedener Materialien und Geometrien in Schloß, Tür und Beschlägen in der Praxis in weiten Grenzen ändern.During the delivery of the energy pulses of constant length (T er ), the supply voltage in the subelectronics rises continuously, whereby it drops slightly in the interim time windows T r . When the required voltage level in the sub-electronics has been reached, the reset acknowledgment signal is used to switch to energy pulses of the length calculated by the microcontroller, which are virtually infinitely variable depending on the energy consumption of the sub-electronics and the efficiency of the adapted contactless coupling. The efficiency depends, for example, on the quality of the resonant circuit, the eddy current losses in the metal and / or the transmission distance. The proposed circuit achieves a large signal-to-noise ratio for the transmitted signals, since the binary-coded data are represented either by an existing energy signal (HIGH) or a missing energy signal (LOW). The signal-to-noise ratio and functional reliability are further increased by adapting the energy pulse length to changing transmission conditions at the beginning of a closing process. The transmission conditions can change in practice, for example due to misalignment between the coupling elements, due to a different sized air gap between the coupling elements and due to contamination between the coupling elements, as well as due to different materials and geometries in the lock, door and fittings.
Die Schaltung ermöglicht, Informationen bidirektional zu übertragen, ohne daß dabei der Schaltungsaufwand wesentlich erhöht ist. Der quarztaktgesteuerte Microcontroller 8 ermöglicht eine Synchronisierung und Steuerung der Übertragung durch die nach jeder Übertragung stattfindende Energiephase. Dadurch entstehen praktisch keine Synchronisierungsprobleme. Schließlich wird für die Energie- und Datenübertragung jeweils nur ein Koppelelement benötigt.The circuit enables information to be transmitted bidirectionally without the circuit complexity being significantly increased. The quartz clock-controlled
Die Fign. 6 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines kombiniert mechanisch-elektronisch kodierten Schlosses mit einem Schloßzylinder 10, der mit der Hauptelektronik 1 verbunden ist und mit einem mechanisch kodierten Schlüssel 23, in dessen Schlüsselreide 24 die Teilelektronik 2 untergebracht ist. Der Schloßzylinder 10 ist von einem nicht-metallischen Schloß-Schnittstellenmodul 20 umgeben, der auf den Schloßzylinder auf einen Teil seiner Länge aufgeschoben ist. Der Schloß-Schnittstellenmodul 20 sitzt nur auf dem aus dem Schloßkasten herausragenden Teil des Schloßzylinders 20 auf und ermöglicht dadurch den Einbau in ein unmodifiziertes, konventionelles Schloß. Der Schloß-Schnittstellenmodul ist einstückig und weist einen in seinem oberen Teil angeordneten Schlüsselerkennungsschalter 21, einen elektrisch ansteuerbaren und seitlich an dem Schloß-Schnittstellenmodul 20 angeordneten Sperrmechanismus 22, und das schloßseitige primäre Koppelelement 4 in der Nähe der mit dem Schloßzylinder 10 abschließenden Stirnfläche des Schloß-Schnittstellenmoduls 20 auf. Das schloßseitige Koppelelement 4 besteht aus einer Spule, die einen parallel zur Schlüsseleinsteckrichtung verlaufenden Ferritkern aufweist, wobei das Koppelelement oberhalb des Schloßzylinders vorgesehen ist. Die Ferritkerne der Spulen dienen zur Feldfokussierung.The figures 6 to 8 show an exemplary embodiment of a combined mechanically-electronically coded lock with a
Das schloßseitige Koppelelement 4 ist einerseits von einer möglichen metallischen Blende isoliert und andererseits möglichst nahe an das in der Schlüsselreide 24 befindliche sekundäre schlüsselseitige Koppelelement 5 herangeführt.The lock-
Durch die optimale Plazierung der elektronischen Koppelelemente 4,5 und die Verwendung nicht-metallischen Materials sind die Übertragungsverluste minimiert.Due to the optimal placement of the
Der mechanische Schlüsselerkennungsschalter läßt ein Abschalten der Einrichtung bei Nichtbenutzung zu, was bei Batteriebetrieb eine weitere Erhöhung der Schließzahl pro Batterie ermöglicht. Das formschlüssige Umgreifen des Schloßzylinders 10 durch das Schloß-Schnittstellenmodul 20 macht eine komplizierte Justage des Schloß-Schnittstellenmoduls unnötig. Die Fixierung des Schloß-Schnittstellenmoduls 20 erfolgt mit einer einzigen Schraube.The mechanical key recognition switch allows the device to be switched off when not in use, which enables a further increase in the number of locks per battery when operated on batteries. The positive engagement of the
Der mechanisch kodierte Schlüssel 23 weist in seiner Reide 24 die Ablaufsteuerung 18, die Speicherlogie 17 und einen seriellen EEPROM 25 auf. Dieser enthält den Datenspeicher 16 und kann über einen n-fach Stecker 26 mit der elektronischen Kodierung programmiert werden. Die Verwendung eines seriellen EEPROMS 25 ermöglicht die Stiftzahl des Programmiersteckers 26 kleinzuhalten.The mechanically coded key 23 has the
Das sekundäre Koppelelement 5 besteht ebenfalls aus einer Spule, die einen Ferritkern umgibt, der bei eingestecktem Schlüssel 23 koaxial zum Ferritkern des primären Koppelelementes 4 verläuft, wobei im eingesteckten Zustand des Schlüssels 23 zwischen den Koppelelementen 4,5 ein schmaler Luftspalt verbleibt.The
Nach Programmierung des seriellen EEPROMS 25 über den n-fach Stecker 26 wird die in der Schlüsselreide 24 enthaltene Teilelektronik 2 zusammen mit den übrigen Bauteilen so verkapselt, daß die Reide 24 nicht mehr zerstörungsfrei geöffnet werden kann. Dadurch ist eine unbefugte Schlüsselprogrammierung unmöglich.After programming the
Claims (6)
- Process for contactless transfer of energy and data, in particular in connection with a combined mechanico-electronically coded lock, the transfer being performed between current-supplied main electronics (1) and sub-electronics (2) not supplied with current having an energy storage circuit via coupling elements (4, 5) connected to the main and subelectronics (1, 2), respectively,
characterized in that- energy and data are transferred alternatingly via said coupling elements (4, 5),- via a variation of the energy pulse length, the transferred energy is automatically adapted to the energy consumption of the subelectronics (2) being dictated by varying transmission losses,- upon the powering of the main electronics (1), energy pulses of a determined time period (Ter) are transmitted repeatedly until a reset acknowledgement signal of the subelectronics (2) is present and, upon the presence of said reset acknowledgement signal, energy pulses of a length (te) dictated by the energy consumption are transmitted. - Process as defined in claim 1, characterized in that the data flow direction in the subelectronics (2) is determined by the main electronics (1) and that the data transmission is bidirectional, the starting moments of the data sequences in the subelectronics (2) being synchronized with the sequences in the main electronics (1).
- Process as defined in one of claims 1 or 2, characterized in that the data are binary-coded according to the ASK (Amplitude Shift Keying) Method.
- Mechanically and electronically coded lock, comprising a lock cylinder (10), current-supplied main electronics (1), and a key (23) which contains a mechanical and an electronic coding programmed in subelectronics (2) not supplied with current and being accommodated in the key head (24), the data and energy transmission taking place contactlessly via coupling elements (4, 5) which are arranged at the end face of the lock cylinder (10) confronted with the key (23), on the one hand, and at the key (23), on the other hand, so that, if the key (23) is inserted, the coupling elements (4, 5) are confronted with each other,
characterized by- means for an alternating transmission of data and energy via said coupling elements (4, 5),- means for automatically adapting the transmitted energy to the energy consumption of said subelectronics (2),which depends on the varying transmission losses, via a variation of the energy pulse length (te),- the main electronics (1), after having been energized, first repeatedly transmitting energy pulses of a defined time period (Ter) until the subelectronics (2) outputs a reset acknowledgement signal and subsequently obtains energy pulses adapted to the transmission losses and having a length (te) depending on the energy consumption. - Lock as defined in claim 4, characterized in that the lock cylinder (10) is enclosed over a defined length by a mountable, integral, non-metallic lock interface module (20) which receives a key detection switch (21), an electronically energizable blocking mechanism (22) and the lock-sided coupling element (4).
- Lock as defined in claim 4 or 5, characterized in that the electronic coding of the key (23) is performed in a serial electronic memory (25) and via a n-way plug (26) which, upon programming and encapsulation, is no longer accessible, unless by destruction.
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