JP6878799B2 - スイッチング周波数設定ユニット、無線通信装置、スイッチング周波数設定方法、およびスイッチング周波数設定プログラム - Google Patents

スイッチング周波数設定ユニット、無線通信装置、スイッチング周波数設定方法、およびスイッチング周波数設定プログラム Download PDF

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Description

この発明は、無線通信装置が備えるスイッチング電源のスイッチング周波数を設定する技術に関する。
従来、FA(factory automation)や物流等の様々なシステムでは、無線通信機能を有するRFタグを用いて物品(部品、製品、商品等)の管理を行っている。例えば、RFタグは、物品の搬送に用いるパレットに取り付ける。また、RFタグは、このパレットに載せて搬送する物品にかかるデータをメモリに記憶する。RFタグは、リーダライタ(外部機器)から無線で送信されてきた読取要求に応じて、メモリに記憶しているデータをリーダライタに返信する。リーダライタは、RFタグから受信したデータ(RFタグのメモリに記憶されているデータ)によって、このRFタグを取り付けたパレットに載せて搬送している物品にかかるデータを取得する。物品の管理は、リーダライタが取得したデータによって行われる。
リーダライタには、発熱対策や低消費電力化のために、スイッチング電源を使用しているものがある。スイッチング電源は、周知のように、スイッチングノイズを発生する。このスイッチングノイズの高調波が、搬送波に乗せられている信号の周波数付近になると、無線通信のS/N比を低下させる。
また、スイッチングノイズが特定の周波数に集中するのを抑制する技術として、スイッチング周波数を下限周波数から上限周波数の範囲内で変化させる構成が提案されている(特許文献1参照)。また、複数のスイッチング電源を備える装置において、特定の周波数でスイッチングノイズが大きくなるのを防止する技術として、いずれか2つのスイッチング電源において、スイッチング周波数が同じになるのを制限する構成が提案されている(特許文献2参照)。
特許第4976797号公報 特開2007− 49832号公報
しかしながら、スイッチング電源は、スイッチング周波数の制御において、設定周波数と、スイッチング素子が実際にオン/オフする周波数との間に差が生じる。また、この差は、スイッチング電源を構成する回路素子等の特性によって、設定周波数の10%程度の範囲内で変動する。すなわち、スイッチング電源は、設定周波数を同じにしても、スイッチング電源間で実際にスイッチング素子がオン/オフする周波数にばらつきがある。ここで言う設定周波数は、スイッチング周波数の制御値である。例えば、スイッチング電源の制御周波数を1MHzにすると、スイッチング電源間で実際にスイッチング素子がオン/オフする周波数が100kHz程度の範囲内でばらつく。
また、リーダライタとRFタグとの無線通信周波数(搬送波の周波数)を13.56MHzとし、搬送波に乗せられて送受信される信号の周波数(信号周波数)を424kHzとする。この場合、スイッチング電源で発生するスイッチングノイズの13次の高調波は、スイッチング電源の個体により1.3MHzの範囲内でばらつき、スイッチング電源で発生するスイッチングノイズの14次の高調波は、スイッチング電源の個体により1.4MHzの範囲内でばらつく。したがって、スイッチング電源で発生したスイッチングノイズの13次や14次の高調波が、搬送波に乗せられている信号周波数付近になることがある。
そして、スイッチング電源で発生したスイッチングノイズの高調波が搬送波に乗せられている信号周波数付近になると、リーダライタにおけるRFタグとの無線通信のS/N比が低下し、通信エラーの発生確率が高くなる。
なお、特許文献1、および2は、スイッチングノイズがある周波数に集中するのを防止するものであって、特定の周波数付近(搬送波に乗せられている信号周波数付近)になるのを防止するものではない。
この発明の目的は、スイッチング電源で発生するスイッチングノイズによる無線通信のS/N比の低下を抑える技術を提供することにある。
この発明のスイッチング周波数設定ユニットは、上記目的を達するために以下のように構成している。
スイッチング周波数設定ユニットは、無線通信装置に対して、スイッチング電源のスイッチング周波数の設定を行う。無線通信装置は、無線通信を行う無線通信部、およびスイッチング電源を有し、スイッチング電源を設定されているスイッチング周波数で制御する。
また、無線通信装置は、無線通信部で受信した無線通信信号の受信信号強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)を検出する受信信号強度検出部を備えている。
スイッチング周波数設定ユニットのノイズ電圧検出指示部が、無線通信装置に受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させる。例えば、無線通信装置が相手局から送信されてきている無線通信信号を無線通信部で受信していない状態で、受信信号強度検出部で検出した受信信号強度をノイズ電圧として検出させる。これにより、スイッチング周波数設定ユニットは、無線通信装置の内部において発生しているノイズであって、その周波数が搬送波に乗せられている信号の周波数(信号周波数)付近であるノイズの大きさを、ノイズ電圧として検出させることができる。
なお、無線通信装置の内部において発生しているノイズは、スイッチング電源で発生したスイッチングノイズによるものが大半である。
また、スイッチング周波数決定部は、無線通信装置が受信信号強度検出部で検出したノイズ電圧に基づいて、無線通信装置におけるスイッチング電源のスイッチング周波数を決定する。すなわち、スイッチング周波数決定部は、無線通信装置において検出された無線通信装置の内部において発生しているノイズであって、その周波数が搬送波に乗せられている信号の信号周波数付近であるノイズの大きさによって、無線通信装置におけるスイッチング電源のスイッチング周波数を決定する。これにより、スイッチング周波数決定部は、スイッチング電源のスイッチング周波数を、このスイッチング電源で発生したスイッチングノイズの高調波が搬送波に乗せられている信号の信号周波数付近にならない周波数に決定し、無線通信装置に設定することができる。このため、無線通信装置のスイッチング電源で発生するスイッチングノイズによる無線通信のS/N比の低下を抑えることができる。
また、ノイズ電圧検出指示部は、無線通信装置に、スイッチング電源のスイッチング周波数を予め定めた設定候補周波数で制御している状態で、受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させる構成にしてもよい。この場合、ノイズ電圧検出指示部は、複数の設定候補周波数について、受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させ、スイッチング周波数の設定値に対する、ノイズ電圧の大きさの変化から、無線通信装置におけるスイッチング電源のスイッチング周波数を決定すればよい。
また、複数の設定候補周波数の中で、検出されたノイズ電圧が最小である設定候補周波数を、スイッチング電源のスイッチング周波数に決定する構成にしてもよいし、複数の設定候補周波数の中で、検出されたノイズ電圧が閾値電圧よりも小さかった設定候補周波数を、スイッチング電源のスイッチング周波数に決定してもよい。このようにすれば、無線通信装置におけるスイッチング電源のスイッチング周波数を決定する処理を簡単にできる。
また、スイッチング周波数設定ユニットは、無線通信装置に外部接続する構成であってもよいし、無線通信装置に内蔵する構成であってもよい。
この発明によれば、スイッチング電源で発生するスイッチングノイズによる無線通信のS/N比の低下を抑えられる。
FAシステムにおける、RFタグを用いた物品の管理を示す概念図である。 リーダライタの主要部の構成を示すブロック図である。 受信部の構成を示す概略図である。 フィルタの特性を示す図である。 リーダライタのSW周波数設定処理を示すフローチャートである。 別の例にかかるリーダライタのSW周波数設定処理を示すフローチャートである。
以下、この発明の実施形態について説明する。
まず、図1を参照しながら、FA(factory automation)システムにおける、RFタグを用いた物品(部品、製品、商品等)の管理について簡単に説明する。図1は、FAシステムにおける、RFタグを用いた物品(部品、製品、商品等)の管理を示す概念図である。物品50を載せたパレット40がFAラインを移動させられる。RFタグ2は、パレット40に取り付けている。RFタグ2は、取り付けたパレット40に載せられている物品50(パレット40で搬送する物品50)にかかるデータを記憶する。
リーダライタ1は、RFタグ2に対して記憶しているデータの読取要求、および記憶しているデータの書込要求を無線で送信する。RFタグ2は、リーダライタ1から無線で送信されてきた読取要求を受信すると、記憶しているデータ(すなわち、パレット40に載せられている物品50にかかるデータ等)をリーダライタ1に無線で返信する。リーダライタ1は、RFタグ2からの返信を受信することにより、RFタグ2が記憶しているデータを取得する。また、RFタグ2は、リーダライタ1から無線で送信されてきた書込要求を受信すると、受信した書込要求に応じて記憶しているデータを書き換える。すなわち、リーダライタ1は、RFタグ2に書込要求を送信することにより、RFタグ2が記憶しているデータの書き換えを行う。
また、リーダライタ1は、RFタグ2から取得したデータを接続されている管理装置(不図示)に入力する。管理装置は、リーダライタ1から入力されたデータを用いてパレット40に載せられている物品50を管理する。また、リーダライタ1は、管理装置からの指示にしたがって、RFタグ2に対して記憶しているデータの書込要求を無線で送信する。
リーダライタ1が、この発明にかかる無線通信装置に相当する。また、この例では、リーダライタ1が、この発明にかかるスイッチング周波数設定ユニットを備えているものとして説明する。図2は、この例にかかるリーダライタの主要部の構成を示すブロック図である。
リーダライタ1は、図2に示すように、スイッチング電源10と、制御ユニット11と、スイッチング周波数設定ユニット12と、無線通信ユニット13と、記憶部14と、入出力部15と、アンテナ16とを備えている。
スイッチング電源10は、リーダライタ1本体各部に対して動作電源を供給する。スイッチング電源10は、制御ユニット11によってスイッチング周波数が制御される。
制御ユニット11は、RFタグ2との無線通信時における本体各部の動作を制御する。ここでは、RFタグ2との無線通信は、ISO15693の規格に準拠して行われるものとする。すなわち、リーダライタ1とRFタグ2との無線通信周波数(搬送波の周波数)は13.56MHzであり、送受信される信号の周波数(信号周波数)は424kHzである。また、制御ユニット11は、受信信号強度検出部11aと、スイッチング周波数制御部11bとを有する。受信信号強度検出部11aは、RFタグ2との無線通信で、受信した無線通信信号の受信信号強度(RSSI:Received Signal Strength Indicator)を検出する。また、スイッチング周波数制御部11bは、記憶部14に記憶しているスイッチング周波数で、スイッチング電源10を制御する。
スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11と共同してスイッチング電源10のスイッチング周波数を決定し、設定する。記憶部14は、スイッチング周波数設定ユニット12によって決定されたスイッチング周波数を、スイッチング電源10を制御するスイッチング周波数として記憶する。スイッチング周波数設定ユニット12が、この発明にかかるスイッチング周波数設定方法を実行する。また、スイッチング周波数設定ユニット12は、この発明にかかるスイッチング周波数設定プログラムを実行するコンピュータである。
また、スイッチング周波数設定ユニット12は、ノイズ電圧検出指示部12aと、スイッチング周波数決定部12bとを有する。ノイズ電圧検出指示部12aは、制御ユニット11に対して、受信信号強度検出部11aでのノイズ電圧の検出を指示する。また、スイッチング周波数決定部12bは、スイッチング周波数制御部11bがスイッチング電源10を制御するスイッチング周波数を決定する。
この例では、リーダライタ1がスイッチング周波数設定ユニット12を備える構成であるが、スイッチング周波数設定ユニット12は、リーダライタ1に対して外部接続される機器で構成してもよい。また、スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11に一体化した構成(すなわち、制御ユニット11が、受信信号強度検出部11a、およびスイッチング周波数制御部11bに加えて、ノイズ電圧検出指示部12a、およびスイッチング周波数決定部12bを有する構成)としてもよい。
無線通信ユニット13は、送信部13a、および受信部13bを有し、接続されているアンテナ16を介してRFタグ2と無線通信を行う。
記憶部14は、リーダライタ1本体の動作に必要なデータ等を記憶する。記憶部14は、上述したように、スイッチング周波数制御部11bがスイッチング電源10を制御するスイッチング周波数を記憶している。また、記憶部14は、後述する設定候補周波数を記憶している。
入出力部15は、管理装置(不図示)との間で入出力を行うインタフェースである。
ここで、受信部13bについて、簡単に説明しておく。図3は、受信部の構成を示す概略図である。受信部13bは、検波器21と、フィルタ22と、ADコンバータ23(ADC23)とを有している。アンテナ16で受信された無線通信信号は、検波器21に入力される。RFタグ2は、信号を周波数fc(この例では、13.56MHz)の搬送波に乗せて送信してくる。RFタグ2から送信されてくる信号の周波数f0(信号周波数f0)は、424kHzである。
検波器21は、アンテナ16で受信された無線通信信号から、搬送波を引いた信号を検波し、出力する。検波器21から出力される信号には、RFタグ2から送信されてきた周波数成分が信号周波数f0である信号だけでなく、ノイズも含まれている。
フィルタ22は、信号周波数f0に対する増幅率が最大で、この信号周波数f0から離れるにしたがって、徐々に増幅率が小さくなる特性である。図4は、フィルタの特性を示す図である。図4から明らかなように、フィルタ22は、ノイズの周波数と、信号周波数f0とが離れていると、RFタグ2から送信されてきた信号を適正に増幅し、ノイズを適正に減衰できる。しかし、フィルタ22は、ノイズの周波数が信号周波数f0付近であると、ノイズを増幅する。ADC23は、フィルタ22の出力をディジタル信号に変換し、制御ユニット11に入力する。制御ユニット11は、入力された信号(ディジタル信号)から、RFタグ2が送信してきたデータを取得する。
したがって、検波器21から出力されるノイズの周波数を信号周波数f0から離すことにより、RFタグ2との無線通信のS/N比を向上し、スイッチング電源10で発生するスイッチングノイズが無線通信に与える影響を抑えられる。
なお、上述したように、制御ユニット11は、受信信号強度検出部11aにおいて、受信部13bから入力された信号の強度を検出する。
以下、この例にかかるリーダライタ1の動作について説明する。リーダライタ1と、RFタグ2との間における無線通信にかかる動作については、周知であるので、ここでは説明を省略する。
リーダライタ1が、スイッチング電源10のスイッチング周波数を設定する処理について説明する。図5は、リーダライタにおけるスイッチング周波数設定処理(SW周波数設定処理)を示すフローチャートである。リーダライタ1は、スイッチング電源10のスイッチング周波数について、予め定めた複数の設定候補周波数を記憶部14に記憶している。このスイッチング周波数設定処理は、複数の設定候補周波数の中から、RFタグ2との無線通信に影響を与えるスイッチングノイズが最小になる設定候補周波数を判断し、この設定候補周波数をスイッチング電源10のスイッチング周波数に決定し、設定する処理である。この例では、設定候補周波数は、基準周波数Fに基づいて定めている。基準周波数Fは、1MHzであり、設定候補周波数は、10kHz間隔で、0.92MHz〜1.07MHzの16個である。
リーダライタ1は、管理装置からSW周波数設定処理の開始指示入力があった場合や、図示していない操作部においてSW周波数設定処理の開始指示にかかる入力操作があったときに、このスイッチング周波数設定処理を実行する。
スイッチング周波数設定ユニット12のノイズ電圧検出指示部12aが制御ユニット11に対して、設定候補周波数毎にノイズ電圧の検出を指示する(s1)。
制御ユニット11は、パラメータnをリセットし(n=0)(s2)、パラメータnに応じたスイッチング周波数(この例では、スイッチング周波数=0.92+0.01×n[MHz])でスイッチング電源10を制御し、ノイズ電圧を検出する(s3、s4)。s4にかかるノイズ電圧の検出は、RFタグ2からの無線通信信号を受信していない状態で行う。また、s4では、制御ユニット11は、受信信号強度検出部11aにおいて検出された受信信号強度をノイズ電圧として検出する。したがって、s4で検出されるノイズ電圧は、リーダライタ1の内部で発生し、フィルタ22を通過した周波数成分の信号(すなわち、ノイズ)の大きさである。リーダライタ1の内部で発生するノイズの大半が、スイッチング電源10で発生するスイッチングノイズである。すなわち、s4では、スイッチング電源10で発生し、フィルタ22を通過したスイッチングノイズの大きさを検出している。
制御ユニット11は、s4でノイズ電圧を検出すると、パラメータnが15以上であるかどうかを判定する(s5)。s5では、全ての設定候補周波数について、s4にかかるノイズ電圧の検出を行ったかどうかを判定している。制御ユニット11は、s5で、パラメータnが15未満であると判定すると、パラメータnをインクリメント(n=n+1)し(s6)、s3に戻る。
また、制御ユニット11は、s5でパラメータnが15以上であると判定すると、設定候補周波数毎に、その設定候補周波数と、検出したノイズ電圧とを対応付けてスイッチング周波数設定ユニット12に通知する(s7)。
スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11から通知されたノイズ電圧が最小であった設定候補周波数を判断し、これをスイッチング電源10のスイッチング周波数に決定する(s8)。スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11に対して記憶部14に記憶しているスイッチング電源10のスイッチング周波数を、今回決定したスイッチング周波数に更新することを指示し(s9)、本処理を終了する。s9にかかる指示が入力された制御ユニット11は、記憶部14に記憶しているスイッチング電源10のスイッチング周波数を書き換える。
これにより、リーダライタ1がスイッチング電源10を制御するスイッチング周波数を、RFタグ2との無線通信に影響を与えるスイッチングノイズが抑えられるスイッチング周波数に設定できる。したがって、リーダライタ1とRFタグ2との無線通信におけるS/N比を向上し、通信エラーが発生するのを低減できる。
また、上記の例では、設定候補周波数は、16個であるとしたが、2個以上であればいくつであってもよい。例えば、設定周波数は、0.92MHz、1MHzおよび1.08MHzの3つであってもよいし、0.92MHz、および1.08MHzの2つであってもよい。
また、上記の例では、設定候補周波数の間隔を10kHzとしたが、15kHzや20kHz等にしてもよい。設定候補周波数の間隔は、設定候補周波数の個数や、スイッチング電源10の特性等に基づいて定めればよい。また、設定候補周波数の間隔は、一定間隔でなくてもよい。
また、上記の例では、予め定めた設定候補周波数の中から、検出したノイズ電圧が最低であって設定候補周波数を、スイッチング周波数に決定するとしたが、設定周波数毎に検出されたノイズ電圧の変化から、ノイズ電圧が最低になるスイッチング周波数を推定し、決定する構成としてもよい。
図6は、別の例にかかるリーダライタのSW周波数設定処理を示すフローチャートである。図6では、図5と同じ処理については、同じステップ番号(s*)を付している。
この例にかかるリーダライタ1は、上述したs1〜s4にかかる処理を実行すると、今回検出したノイズ電圧が、予め定めている閾値電圧未満であるかどうかを判定する(s11)。この閾値電圧は、RFタグ2との無線通信において、S/N比を十分に確保できる値に設定している。
リーダライタ1は、s11で閾値電圧未満でないと判定すると、上述したs5以降の処理を行う。
また、リーダライタ1は、s11で閾値未満であると判定すると、ノイズ電圧が閾値電圧未満になったスイッチング電源10のスイッチング周波数として、今回の設定候補周波数をスイッチング周波数設定ユニット12に通知する(s12)。
スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11から通知された設定候補周波数を、スイッチング電源10のスイッチング周波数に決定する(s13)。スイッチング周波数設定ユニット12は、制御ユニット11に対して記憶部14に記憶しているスイッチング電源10のスイッチング周波数を、今回決定したスイッチング周波数に更新することを指示し(s14)、本処理を終了する。
この図6に示すスイッチング周波数設定処理でも、リーダライタ1は、RFタグ2との無線通信に影響を与えるスイッチングノイズを抑えられるスイッチング周波数でスイッチング電源10を制御できる。したがって、リーダライタ1とRFタグ2との無線通信におけるS/N比を向上し、通信エラーが発生するのを低減できる。
なお、この発明は、上述したRFタグ2と無線通信を行うリーダライタ1に限らず、RFタグ2以外の相手局と無線通信を行う装置にも適用できる。
1…リーダライタ
2…RFタグ
10…スイッチング電源
11…制御ユニット
11a…受信信号強度検出部
11b…スイッチング周波数制御部
12…スイッチング周波数設定ユニット
12a…ノイズ電圧検出指示部
12b…スイッチング周波数決定部
13…無線通信ユニット
13a…送信部
13b…受信部
14…記憶部
15…入出力部
16…アンテナ
21…検波器
22…フィルタ
23…ADコンバータ(ADC)

Claims (8)

  1. 無線通信を行う無線通信部、およびスイッチング電源を有する無線通信装置に対して、前記スイッチング電源のスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定ユニットであって、
    前記無線通信装置に、前記無線通信部で受信した無線通信信号の受信信号強度を検出する受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させるノイズ電圧検出指示部と、
    前記無線通信装置が前記受信信号強度検出部で検出した前記ノイズ電圧に基づいて、前記無線通信装置における前記スイッチング電源のスイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定部と、を備え
    前記ノイズ電圧検出指示部は、前記無線通信装置に、相手局から送信されてきている無線通信信号を前記無線通信部で受信していない状態で、前記受信信号強度検出部で検出した受信信号強度を前記ノイズ電圧として検出させる、スイッチング周波数設定ユニット。
  2. 前記ノイズ電圧検出指示部は、前記無線通信装置に、前記スイッチング電源のスイッチング周波数を予め定めた設定候補周波数で制御している状態で、前記受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させる、請求項1に記載のスイッチング周波数設定ユニット。
  3. 前記ノイズ電圧検出指示部は、複数の前記設定候補周波数について、前記受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させる、請求項に記載のスイッチング周波数設定ユニット。
  4. 前記スイッチング周波数決定部は、複数の前記設定候補周波数の中で、検出された前記ノイズ電圧が最小である前記設定候補周波数を、前記スイッチング電源のスイッチング周波数に決定する、請求項に記載のスイッチング周波数設定ユニット。
  5. 前記スイッチング周波数決定部は、複数の前記設定候補周波数の中で、検出された前記ノイズ電圧が閾値電圧よりも小さかった前記設定候補周波数を、前記スイッチング電源のスイッチング周波数に決定する、請求項、またはに記載のスイッチング周波数設定ユニット。
  6. 無線通信を行う無線通信部、およびスイッチング電源を有する無線通信装置であって、
    請求項1〜のいずれかに記載のスイッチング周波数設定ユニットを備えた無線通信装置。
  7. 無線通信を行う無線通信部、およびスイッチング電源を有する無線通信装置に対して、前記スイッチング電源のスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定ユニットが実行するスイッチング周波数設定方法であって、
    前記無線通信装置に、前記無線通信部で受信した無線通信信号の受信信号強度を検出する受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させるノイズ電圧検出指示ステップと、
    前記無線通信装置が前記受信信号強度検出部で検出した前記ノイズ電圧に基づいて、前記無線通信装置における前記スイッチング電源のスイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定ステップと、を備え
    前記ノイズ電圧検出指示ステップは、前記無線通信装置に、相手局から送信されてきている無線通信信号を前記無線通信部で受信していない状態で、前記受信信号強度検出部で検出した受信信号強度を前記ノイズ電圧として検出させるステップである、スイッチング周波数設定方法。
  8. 無線通信を行う無線通信部、およびスイッチング電源を有する無線通信装置に対して、前記スイッチング電源のスイッチング周波数を設定するコンピュータに実行させるスイッチング周波数設定プログラムであって、
    前記無線通信装置に、前記無線通信部で受信した無線通信信号の受信信号強度を検出する受信信号強度検出部でノイズ電圧を検出させるノイズ電圧検出指示ステップと、
    前記無線通信装置が前記受信信号強度検出部で検出した前記ノイズ電圧に基づいて、前記無線通信装置における前記スイッチング電源のスイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定ステップと、を前記コンピュータに実行させ
    前記ノイズ電圧検出指示ステップは、前記無線通信装置に、相手局から送信されてきている無線通信信号を前記無線通信部で受信していない状態で、前記受信信号強度検出部で検出した受信信号強度を前記ノイズ電圧として検出させるステップである、スイッチング周波数設定プログラム。
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