JP5366620B2 - 単線式通信プロトコルにおけるマスターデバイスにより受信されるデータの検出 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には電子回路に関し、具体的には単線式の接続部を介した２つのデバイス間のデータ送信に関する。本発明は、具体的には単線式プロトコル（ＳＷＰ）として公知であるプロトコルを実施するシステムに適用する。

単線式通信プロトコルは、単線式の接続部を共有するマスターデバイス及びスレーブデバイス間で、同時双方向方式（全二重）で互いにデータを送信するために規定されている。ほとんどの場合、マスターデバイスによってスレーブデバイスに送信される信号は、交換を同期化することが可能なクロック信号である。マスターデバイスからスレーブデバイスへの方向では、周期的信号のデューティサイクルが、送信されるべきデータのバイナリ状態に応じて変調される。スレーブデバイスからマスターデバイスへの方向では、スレーブデバイスは、スレーブデバイスが送信するデータのバイナリ状態に応じて、スレーブデバイスが接続部に加える電荷を調節する。スレーブデバイスによる検出が、デューティサイクルの測定によって行なわれる。マスターデバイスによる検出が、接続部からスレーブデバイスにより引き出される電流のレベルを閾値と比較することによって行なわれる。スレーブデバイスによる電荷の調節は、一般的には、マスターデバイスにより検出されるべき電荷が常に信号の高い状態に存在するように、周期的信号に同期させて低い状態の間に電荷を置くことによって行なわれる。

米国特許第５９０３６０７号明細書は、マスター回路及びスレーブ回路間のデータの符号化及び送信の一例について説明している。

単線式プロトコルにおける通信速度は、特にマスターデバイス側での検出に必要な遅延に関連している。比較を行なうために、信号の立ち上がりエッジの後レベルが整定されるまで待機する必要がある。

更に、レベルによる検出は、回線のノイズに対して高感度であり、レベルを区別するために比較的高いセキュリティ限度を必要とする。

米国特許第５９０３６０７号明細書

通常のシステムの欠点の全て又は一部を克服する単線式通信プロトコルを有することが望ましい。

通信速度を増加することが特に望ましい。

マスターデバイス側に、回線のノイズに対して高感度ではない検出機構を有することが更に望ましい。

これら及び他の目的の全て又は一部を達成するために、本発明の少なくとも１つの実施形態は、第２デバイスから単線式の接続部を介して第１デバイスに送信されるデータのバイナリ状態を、前記接続部を介して前記第２デバイスに２状態の信号を送信することが可能な第１デバイスによって決定する方法であって、前記バイナリ状態は、前記２状態の信号の立ち上がりエッジの傾斜に応じて決定されることを特徴とする方法を提供する。

一実施形態によれば、前記傾斜は、立ち上がりエッジの発生の際の容量性素子の電荷レベルに基づいて決定される。

一実施形態によれば、前記電荷レベルは、受信された状態を決定すべく閾値と比較される。

一実施形態によれば、前記立ち上がりエッジは、第１バイナリ状態の間又は第２バイナリ状態の間に終わる。

一実施形態によれば、前記第２デバイスは、前記バイナリ状態に応じて前記接続部に加える電荷を調節する。

一実施形態によれば、前記２状態の信号は、前記第２デバイスによってクロック信号として用いられる。

一実施形態によれば、前記２状態の信号は、前記第１デバイスから前記第２デバイスに送信されるべきデータに応じて調節されるデューティサイクルを有する。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、別のデバイスが送信するデータのバイナリ状態に応じて単線式の接続部に加える電荷を調節することが可能な前記別のデバイスに、前記接続部を介して２状態の信号を送信することが可能な送受信デバイスであって、前記２状態の信号の立ち上がりエッジの傾斜を表わす情報を測定するための要素と、前記バイナリ状態を決定すべく、前記情報を閾値と比較するための要素とを備えることを特徴とするデバイスを提供する。

一実施形態によれば、前記デバイスは、前記２状態の信号を送信するために増幅器の電力を切り換える要素を更に備え、該要素は、前記別のデバイスの電荷に対応する状態の検出後に作動される。

本発明は、更に、マスターデバイスとスレーブデバイスとの間の単線式の接続部を介する同時双方向送信システムを提供する。

本発明の前述の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない特定の実施形態について以下に詳細に説明する。

要素が備えるデバイス間で単線式通信プロトコルを内部で実施する該要素の内の少なくとも１つを有する無線周波通信システムを示すブロック図である。 マスター回路及びスレーブ回路間の単線式通信システムを示すブロック図である。 マスターデバイスによって送信されるべき信号の形状の一例を示す図である。 近距離通信ルータタイプの適用における電圧レベル及び電流レベルの一例を示す図である。 マスターデバイスの一実施形態を示す機能的部分ブロック図である。 図５の検出回路の一実施形態を示す概略図である。 図６の回路の動作を示すタイミング図である。

同一の要素は、異なる図面において同一の参照番号で示されており、タイミング図は正しい縮尺で図示されていない。明瞭さのために、本発明の理解に有用なステップ及び要素のみが、図示され、説明されている。特に、送信されるべきデータ及び受信データの生成及び利用の機構については詳述されておらず、本発明は、通常の機構に適合する。更に、説明された実施形態を実施可能な様々なハードウェアシステム及びデバイスのいずれについても詳述されておらず、本発明の実施は、単線式プロトコル（ＳＷＰ）を実施可能なあらゆるシステム又はデバイスに適合する。

図１は、第１要素１及び別の要素２間の無線周波通信システムを示すブロック図であり、各要素は、アンテナ１１又はアンテナ２１を用いて通信すべくトランシーバ回路を備えている。通信システムは、例えば誘導結合による無線周波通信システムである。例えば、要素２は、非接触型カード又はリーダタイプの無線周波の装置であり、要素１は、接触型処理部（セキュア識別モジュール（ＳＩＭ）、携帯電話処理回路等）を備える同様の装置である。

要素の内の少なくとも１つ（例えば、要素１）は、無線周波通信部１２及び処理部１４間の通信を管理することが可能ないわゆるＮＦＣルータ１３（近距離通信）を備える。ルータ１３は、特に、部品が双方向に通信する無線周波通信部と、部品が単線３を介して通信する処理部１４との間のインターフェイスとして用いられる前記部品を有する。

このタイプの適用例では、ルータ１３及び処理部１４間の通信に用いられる全二重プロトコルはＳＷＰプロトコルである。ルータは、マスターデバイスとして機能し、スレーブデバイスとして機能する回路１４にデータを送信する。

図２は、単線式の接続部３を介するマスターデバイス１３（ＭＤ）及びスレーブデバイス１４（ＳＤ）間の単線式通信システムの一実施形態を示すブロック図である。図２は、説明される実施形態が、単線式通信プロトコルを利用すべくこの構成を備えているシステムのタイプが何であれ適用可能であることを更に一般的に示している。

図３は、マスターデバイス１３によって回線３を介して与えられる周期的信号Ｓ１の形状の一例を示すタイミング図であり、周期的信号Ｓ１は、送信されるべき一連のデジタルデータの関数であるデューティサイクルを有する。図３の例では、状態１の送信が、クロック周期Ｔの約４分の３に亘って高レベルＨで行なわれる（クロック周期Ｔの約４分の１に亘って低レベルＬである）一方、状態０の送信が、このクロック周期の約４分の１のみに亘って高レベルＨで行なわれる（残りの約４分の３に亘って低レベルＬである）。信号Ｓ１は、電圧Ｖ_MDの形で出力増幅器を用いてマスターデバイスによって送信される。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、送信されるバイナリ状態を区別するために、単線式プロトコルで用いられる電圧レベル及び電流レベルの一例を示す。これらのレベルは、信号の整定時間を考慮に入れていない。

図４Ａは、信号Ｖ_MDの高レベルＨ及び低レベルＬの夫々の電圧レベルを示す。プロトコルは、規格化されている方式で周期的信号の低レベル及び高レベルに関する電圧範囲を（低レベルＬに関してレベルＶ_OLmin とレベルＶ_OLmax との間で、高レベルＨに関してレベルＶ_OHmin とレベルＶ_OHmax との間で）規定する。具体的な例（１．６２ボルト乃至１．９８ボルト間にある供給電圧Ｖｄｄに関するＳＷＰ規格（クラスＣ））では、レベルＶ_OHmax 及びレベルＶ_OHmin は夫々Ｖｄｄ（例えば、１．９８ボルト）及び０．８５×Ｖｄｄ（例えば、１．３７７ボルト）であり、レベルＶ_OLmax は０．１５×Ｖｄｄ（例えば、０．２９７ボルト）であり、レベルＶ_OLmin は接地（０ボルト）である。

図４Ｂは、スレーブデバイス１４の入力電圧に相当し、従ってスレーブデバイス側における信号Ｖ_MDの形態に相当する信号Ｖ_SDの電圧範囲を示す。電圧範囲は、受信信号が高レベルＨ又は低レベルＬにあるとスレーブデバイス１４がみなす電圧が規定される。電圧範囲は、信号が低レベルＬにあるとみなすためにレベルＶ_ILmin 及びレベルＶ_ILmax によって規定され、信号が高レベルＨにあるとみなすためにレベルＶ_IHmin 及びレベルＶ_IHmax によって規定される。範囲Ｖ_OLmin 乃至Ｖ_OLmax 及び範囲Ｖ_OHmin 乃至Ｖ_OHmax は、言うまでもなく夫々範囲Ｖ_ILmin 乃至Ｖ_ILmax 及び範囲Ｖ_IHmin 乃至Ｖ_IHmax 内にある。スレーブデバイスによる信号Ｖ_SDのレベルの検出により、信号Ｓ１を復元することが可能となる。スレーブデバイス１４は、この信号を、マスターデバイスとの交換を同期させるための信号として用い、低レベルの継続時間にこの信号によって伝送されるデータを検出するためにも用いる。

図４Ｃは、データをマスターデバイス１３に送信するために、スレーブデバイス１４によって行なわれる単線式の接続部３における電荷の調節を示す。図４Ｃは、回線３における電流Ｉ_W の範囲Ｉ_Lmin乃至Ｉ_Lmax及び範囲Ｉ_Hmin乃至Ｉ_Hmaxを示し、範囲は、スレーブデバイスによって送信されるデータのバイナリ状態０及びバイナリ状態１を規定する。系統的な取得プログラムの上記の例を参照すると、閾値Ｉ_Lmin及び閾値Ｉ_Lmaxは夫々０マイクロアンペア及び約２０マイクロアンペアであり、閾値Ｉ_Hmin及び閾値Ｉ_Hmaxは夫々約６００マイクロアンペア及び約１ミリアンペアである。

スレーブデバイス１４は時間に関して、回線に電荷を加える（従って、電流Ｉ_W を規定する）ために、信号Ｖ_SDが低い期間を用いる。従って、マスターデバイス１３が信号Ｖ_MDの状態を高い状態に切り換えるとき、マスターデバイス１３は回線における電流を推定することが可能である。

通常のデバイスでは、この電流レベルを検出するために、信号Ｖ_MDが高レベルに整定される必要がある。（スレーブデバイスによって加えられる電荷によって決まる）この整定時間は、従って信号Ｖ_MDの高レベルの最小継続時間を決定し、送信されるビット０が高レベルである最小継続時間を決定し、システムフローの速度を決定する。

図５は、周期的な流れＳ１を送信し、代わりに受信されるデータのバイナリ状態Ｓ２を決定するための回路４の一実施形態を示すマスターデバイスの部分ブロック図である。送信されるべき信号（例えば、図３の形状）が、デジタル列Ｓ１の形で出力増幅器４１（出力バッファＯＢ）に与えられる。この出力増幅器は、回線３に接続されている単一パッド４２に電圧Ｖ_MDを与える。パッド４２に存在する信号は、立ち上がりエッジの傾斜を推定するために、マスターデバイス自体によって用いられる。図５の例では、信号Ｖ_MDは、傾斜検出回路４３の容量性素子４３１を帯電するためのスイッチＫをオンするために用いられる。スイッチＫ及び容量性素子４３１は、供給電圧Ｖｄｄが印加される２つの端子間の電流源４３２と直列である。容量性素子４３１の電荷レベルは、測定回路４４（ＭＥＳ）によって推定され、測定回路４４は、受信データに相当するバイナリ信号Ｓ２を与える。

図５は、出力増幅器４１の好ましい実施形態を示し、この実施形態によれば、スレーブデバイスによって加えられる電荷が大量である場合には、前記出力増幅器は、送信電力を調節する。この目的は、一旦信号Ｓ２の検出が行なわれると、電圧Ｖ_MDの安定したレベルの整定の遅延を回避するために、立ち上がりエッジの比較的大きな傾斜を取り戻すことであり、電圧Ｖ_MDの安定したレベルは、マスターデバイスからスレーブデバイスへの方向に送信されるデータを測定するために、スレーブデバイス側で更に用いられる。

このような機能は、例えば、出力電力を変化させるために、出力増幅器４１内の高レベルに設定するための回路（一般にはＰチャネルＭＯＳトランジスタ）及び／又は低レベルに設定するための回路（一般にはＮチャネルＭＯＳトランジスタ）を切り換えることによって得られる。示された例では、最大電力用に形成された低レベルに設定するための１つの回路４１１と、夫々比較的低い電力（ＳＰ）用及び比較的高い電力（ＢＰ）用に形成された高レベルに設定するための２つの回路４１２及び４１３とが仮定されている。例えば、回路４１２及び回路４１３を形成するＰチャネルＭＯＳトランジスタに異なるサイズが与えられ、回路４１１を形成するＮチャネルＭＯＳトランジスタのサイズが、Ｐチャネルトランジスタのサイズの合計と同一である。言うまでもなく逆の場合も可能である。

マスターデバイスは、信号の整定傾斜が、回線に存在し、従ってスレーブデバイスによって加えられる電荷によって決定されるように、低電力回路４１３で構成される増幅器４１で送信することにより開始する。一旦検出が行なわれると、測定デバイス４４が状態１の存在を増幅器４１に示す場合には、増幅器４１は高電力回路４１１に切り換える。従って、より大きな電流を出力することが可能となる。より大きな電荷であっても、立ち上がりエッジの傾斜は十分となる。

大量の電荷で立ち上がりエッジを大きくすることにより、送信速度の増加が可能になる。

しかしながら、特に送信速度の増加が所望でない場合には、出力増幅器４１の切換は任意である。しかしながら、立ち上がりエッジの傾斜の解釈による状態の決定により、システムはノイズに対して高感度ではなくなる。

スレーブデバイス側では、立ち上がりエッジの傾斜の介在は決して不利ではない。逆に、信号Ｖ_MDの整定時間が２つの電荷レベルの場合で同一であるように、出力増幅器４１の回路のサイズが決定され得る。これは、高い電荷レベルにおける立ち上がりエッジの終わりでより大きな傾斜を引き起こすことによって、低い電荷レベルの場合と略同一の時間で高電荷レベルとつながるためである。周期的信号を復元し、受信信号を復号化すべく、高い状態又は低い状態の継続時間を無関係に検出することが可能になるので、スレーブデバイスの形成に更に柔軟性をもたらす。

図６は、スイッチＫ（例えば、ＭＯＳトランジスタ又はバイポーラタイプのトランジスタ）が、閾値Ｒｅｆと端子４２に存在する電圧とを比較する比較器４３５によってオフされるように制御されている傾斜検出回路４３及び測定回路４４の実施形態を示す。パッド４２における信号の反転器４３６が、コンデンサ４３１を短絡させるためにコンデンサ４３１に並列に配置される別のスイッチＫ′を制御する。従って、信号Ｖ_MDが低いとき、スイッチＫ′はオンされている。信号Ｖ_MDの立ち上がりエッジの発生の際（比較器４３５及び反転器４３６における信号の整定時間を無視する）には、スイッチＫはオンされて、スイッチＫ′はオフされる。従って、コンデンサ４３１は帯電する。信号Ｖ_MDのレベルが閾値Ｒｅｆに達するとき、帯電は中断される。測定回路４４は、閾値ＴＨとコンデンサ４３１の両端間の電圧レベルとを比較する比較器４４１を備える。比較器４４１は、信号Ｓ２を与える。

図７Ａ乃至図７Ｅは、図６の回路の動作を示すタイミング図である。これらのタイミング図は夫々、流れ１０１０を送信するためのマスターデバイスの信号Ｓ１の形状と、流れ００１１を送信すべく回線にスレーブデバイスによって加えられる電荷のレベルＲ２の形状と、電圧Ｖ_MDの形状と、容量性素子４３１の両端間の電圧Ｖ₄₃₁ の形状と、マスターデバイスによって検出される信号Ｓ２の形状との一例を示す。以下の説明を簡略化するために、回路を通って伝わる時間は無視される。

信号Ｓ１の各周期Ｔで、前記信号は、時間ｔ１で高レベルに切り換わり、次に０の送信のために時間ｔ２_o で低レベルに切り換わるか、又は１の送信のために次の時間ｔ２₁ で低レベルに切り換わる。各時間ｔ１の前の時間ｔ０で、すなわち前の周期Ｔの低い状態Ｌの間に、スレーブデバイスは、例えば、１を送信すべく最大又は比較的高い電荷レベルで、或いは次に０を送信すべく（比較的高い電荷レベルと比べた場合）最小又は比較的低い電荷レベルで電荷を加える。これは、信号Ｒ２の２つのレベルＳ（低い電荷レベル）及びレベルＢ（高い電荷レベル）によって示されている（図７Ｂ）。この例では、各時間ｔ０で必要であれば、信号Ｒ２が一方のレベルから他方のレベルに切り換わると仮定されている。一般的にＳＷＰプロトコルでは、信号Ｓ１及び信号Ｓ２が夫々１及び０である通信待機状態が存在する。スレーブデバイスは、電荷レベルを切り換えることによりこの状態を停止する。

各時間ｔ１で、（実際には、電圧レベルが反転器４３６を切り換えるほど十分になるとすぐに）スイッチＫ′を切り、スイッチＫを入れることにより、信号Ｖ_MDが増加し始める。従って、コンデンサ４３１の帯電が時間ｔ１で略開始される。電圧Ｖ₄₃₁ の傾斜が、電流源４３２によって設定され、好ましくは一定の電流で設定される。しかしながら、電圧Ｖ_MDの傾斜は、スレーブデバイスによって加えられる電荷のレベルＢ又はレベルＳによって決まる。この傾斜差から、送信されるレベル０又はレベル１を検出することが可能であるという利点がある。

低い電荷レベルＳ（状態０の送信）では、傾斜が、高い電荷レベルＢ（状態１の送信）より大きい。従って、電圧Ｖ_MDは時間ｔ３₀ で閾値Ｒｅｆに達し、電荷レベルＢの場合に電圧Ｖ_MDが閾値Ｒｅｆに達するとき（時間ｔ３₁ ）より早い。

比較器４４１の閾値ＴＨは、電流（従って、電圧Ｖ_MD）の傾斜が大きい場合に、スイッチＫをオフする際のコンデンサ４３１の両端間で達する電圧レベルより大きいように選択される。従って、信号Ｓ２は、受信されたバイナリ状態０を示す低レベルＬのままである。

スレーブデバイスによって加えられる電荷がより大きい電荷レベルＢでは、信号Ｖ_MDの傾斜がより小さい。

比較器４３５の閾値Ｒｅｆは、信号Ｖ_MDの傾斜が小さい場合には、電圧Ｖ_MDが閾値Ｒｅｆに達する前に、コンデンサ４３１の両端間の電圧Ｖ₄₃₁ が閾値ＴＨに達するように選択される。従って、比較器４４１は、時間ｔ４₁ で切り換わり、バイナリ状態１を示す信号Ｓ２の高い状態への切り換わりを引き起こす。

簡略化された実施形態では、増幅器４１は出力電力を変更せず、電圧Ｖ_MDが時間ｔ３₁ で閾値Ｒｅｆに達する。スイッチＫがオフされて、コンデンサ４３１の帯電が停止される。

示された好ましい実施形態では、時間ｔ４₁ での信号Ｓ２の切換が、出力増幅器４１（図５）のより大きな電力への切換を引き起こす。従って、信号Ｖ_MD（又はＩ_W ）の立ち上がりエッジの傾斜が変化され、その結果前記信号がより速く高レベルに達する。このため、コンデンサ４３１の帯電がより早く停止される。

信号Ｓ１の各立ち下がりエッジ（時間ｔ２₀ 、時間ｔ２₁ ）では、コンデンサ４３１は、スイッチＫ′をオンすることによりリセット（放電）される。

コンデンサ４３１の帯電を中断することにより、検出回路の電力消費を減少させるという利点がある。

様々な回路の同期は、マスターデバイス側では、該マスターデバイスが自身の回路だけでなくスレーブデバイスの回路の同期をも管理するので問題ではない。

様々な実施形態が説明されているが、様々な変更及び改良が当業者の技量の範囲内にある。特に、同期の時間と電圧のレベル及び閾値との選択は、上記に述べられた機能的表示及び用途に基づき当業者の技量の範囲内にある。更に、上記に述べられた機能的表示に基づく本発明の実際の実施も当業者の技量の範囲内にあり、特に様々な段階のゲインを出力する増幅器が形成され得る。更に、示されたバイナリ状態０及びバイナリ状態１は一般的であり、反転されてもよい。

３ 単線式の接続部、回線
１３ 第１デバイス、マスターデバイス、ＮＦＣルータ
１４ 第２デバイス、スレーブデバイス、処理部
４３ 傾斜検出回路
４４ 測定回路
４３１ 容量性素子

Claims (10)

1. 第２デバイスから単線式の接続部を介して第１デバイスに送信されるデータのバイナリ状態を、前記接続部を介して前記第２デバイスに２状態の信号を送信することが可能な第１デバイスによって決定する方法であって、
   前記バイナリ状態は、前記２状態の信号の立ち上がりエッジの傾斜に応じて決定されることを特徴とする方法。
2. 前記傾斜は、立ち上がりエッジの発生の際の容量性素子の電荷レベルに基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電荷レベルは、受信された状態を決定すべく閾値と比較されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記立ち上がりエッジは、第１バイナリ状態の間又は第２バイナリ状態の間に終わることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記第２デバイスは、前記バイナリ状態に応じて前記接続部に加える電荷を調節することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記２状態の信号は、前記第２デバイスによってクロック信号として用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記２状態の信号は、前記第１デバイスから前記第２デバイスに送信されるべきデータに応じて調節されるデューティサイクルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 別のデバイスが送信するデータのバイナリ状態に応じて単線式の接続部に加える電荷を調節することが可能な前記別のデバイスに、前記接続部を介して２状態の信号を送信することが可能な送受信デバイスであって、
   前記２状態の信号の立ち上がりエッジの傾斜を表わす情報を測定するための要素と、
   前記バイナリ状態を決定すべく、前記情報を閾値と比較するための要素と
   を備えることを特徴とするデバイス。
9. 前記２状態の信号を送信するために増幅器の電力を切り換える要素を更に備え、該要素は、前記別のデバイスの電荷に対応する状態の検出後に作動されることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
10. マスターデバイスとスレーブデバイスとの間の単線式接続部を介する同時双方向送信システムであって、
    前記マスターデバイスは、請求項１に記載の方法の実行に適合されていることを特徴とするシステム。

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