NL9301160A - Indentificatiesysteem. - Google Patents

Description

Identificatiesysteem.

De uitvinding betreft een identificatiesysteem, bestaande uit een zend-ontvang-installatie en één of meerdere identificatie-labels. De zend-ontvang-installatie voorziet de identificatie-label van elektrische energie door middel van een inductieve koppeling en ontvangt via dezelfde koppeling de door dit label uitgezonden identificatiecode.

Een aantal bekende identificatiesystemen heeft nadelen die door deze uitvinding worden verbeterd. Al deze systemen hebben gemeen dat voor de inductieve koppeling van de label met het magneetveld een afgestemde kring wordt gebruikt. Deze kring bestaat uit een spoel en een capaciteit. De resonantie die in deze kring optreedt, kan de afstand waarop de labels werken aanzienlijk verbeteren.

Het systeem volgens EP 0171433 (Destron/IDÏ) maakt gebruik van een label die continu wordt gevoed via het magneetveld en waarbij de labelcode door middel van een laagfrequente FSK naar de ontvangin-stallatie wordt gestuurd. Doordat de FSK frequenties ver naast de resonantiefrequentie van de afgestemde kring liggen, is de te bereiken werkafstand beperkt.

Bij het systeem van aanvrage NL9201116 van aanvraagster wordt de data fase-gemoduleerd (PSK) op een hulpdraaggolf met een dusdanige frequentiekeuze, dat deze binnen de resonantiecurve van de kring valt. Dit betekent wel dat de bandbreedte van de kring niet onbeperkt te verkleinen is en dus de maximaal te bereiken opslingering beperkt is.

Een label zoals beschreven in GB 1187130 (Plessey) maakt gebruik van een retoursignaal waarvan de frequentie de helft is van het ontvangen signaal. Dit retoursignaal wordt in een modulatorschake-ling in fase gemoduleerd (PSK) door het datasignaal. Plessey gebruikt nog afzonderlijke spoelen voor zenden en ontvangen van de label, zodat beide onafhankelijk kunnen worden geoptimaliseerd.

In US 5012236 (Trovan) is dit vereenvoudigd tot een label met slechts één spoel, die voor beide functies wordt gebruikt. Het nadeel hiervan is dat de retourweg niet optimaal is. De modulator-schakeling in deze systemen is een belasting i.n de vorm van een diode of van een weerstand die parallel aan de resonantiekring geschakeld wordt, waardoor de energie die in de resonantiekring is opgeslagen, wordt aangetast. Na afschakelen van de belasting kan de energie j.n de kring, en daarmee de spanning over de kring weer langzaam opbouwen tot de onbelaste waarde. Bij een resonantiekring met een hoge qua 1 i teitsfactor Q kan de energie in de kring niet snel veranderen. Indien de belasting snel weer wordt ingeschakeld, zal de kringspanning nauwelijks zijn gestegen, hetgeen betekent, dat de modulatie erg ondiep wordt en dat het door de label uitgezonden signaal erg zwak is.

De uitvinding lost deze problemen op doordat de resonantie-energie van de bC-keten tijdens het moduleren van de kring bewaard blijft. Een manier om de signaaloverdracht van identificatielabel naar de zend-ontvang-instal1atie te beschrijven is de volgende. In de spoel van de label wordt door het magnetische veld van de zender een wisselspanning geïnduceerd. De grootte van deze spanning per winding volgt uit E = - dl/dt.

Door resonantie in de LC-kring ontstaat er een opslingering van de spanning tot een Q maal zo grote waarde. De energie in de kring 2 slingert elke periode heen en weer en krijgt de waarde |LI als de . 2 stroom maximaal Is en de waarde |CV als de spanning over de condensator maximaal is. De stroom die in de spoel loopt wekt een secundair magneetveld op. Dit magneetveld geeft in de ontvangantenne een inductiespanning en kan daar verder worden verwerkt. Dempen van de resonantie doet de opslingering afnemen en daarmee vermindert ook de. stroom in de kring en dus ook het secundaire magneetveld. Door het dempen wordt energie uit de trillingskring opgenomen en na het dempen zal de energie in de trillingskring slechts langzaam stijgen. Immers na Q/ττ periodes van de trilling is pas 63 % van de eindwaarde bereikt. Dit betekent dat het secundaire magneetveld ook weinig in amplitude varieert en dat er dus een klein signaal wordt ontvangen. Bij storing zal het signaal hier moeilijk bovenuitkomen; de maximale detectieafstand is beperkt.

De uitvinding zorgt er voor dat geen energie uit de trillingskring wordt opgenomen door de spoel kort te sluiten op het moment dat de spanning er over 0 volt is. Door de inductiewetten bepaald, blijft er dan een stroom lopen. Na precies één periode wordt de kortsluiting van de spoel opgeheven en kan de kring weer doorslingeren op het oude energieniveau. Na een periode kan de kortsluiting weer worden herhaald, enz.

De spanning over de kring en dus ook de spanning over de spoel, ziet er dan uit zoals in figuur 3 is getekend.

De stroom door de spoel volgt uit integratie van de spanning. Dit is getekend in figuur 4. Dit is dus ook de vorm van het secundaire magneetveld zoals dat door de label wordt uitgezonden.

Uit Fourier analyse van dit signaal blijkt dat er een sterke component wordt opgewekt waarvan de frequentie gelijk is aan de helft van het oorspronkelijk signaal. De fase van dit signaal op halve frequentie kan twee discrete waarden aannemen. Door de kortgesloten en open periodes van de resonantiekring om te wisselen, kan tussen de twee moge1ijke fases van dit signaal gekozen worden. Er ontstaat aldus een sterk retoursignaal dat in fase kan worden gemoduleerd, waarbij de spanning over de kring steeds slechts één periode 0 is, onmiddellijk gevolgd door een periode van maximale spanning. Doordat gemiddeld slechts de halve tijd energie aan de kring wordt toegevoerd, zal de maximale spanning een factor lager zijn dan in ongemoduleerde toestand. Doordat de kortgesloten toestand van de kring tijdens moduleren nooit langer dan twee periodes van de draag-golf kan duren, hetgeen een tamelijk korte periode is, hoeft weinig energie te worden opgeslagen om gedurende deze kortsluittijd een elektronische schakeling te voeden. Dit betekent dat een silicium micro chip die het moduleren moet realiseren vrijwel continu kan worden gevoed. Er is slechts een zeer kleine afvlak- of voedingscon-densator nodig.

Aan de hand van de figuren wordt nu een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding beschreven.

Figuur 1 toont de golfvorm van de draaggolf zoals door de zend-ontvanger wordt uitgezonden.

Figuur 2 is het stuursignaal voor de kortsluitschakelaar.

Figuur 3 is de spanning die dan over de resonantiekring ontstaat.

Figuur 4 geeft de vorm van de stroom door de spoel en dus de vorm van het secundaire magneetveld.

Figuur 5 is een voorbeeld van een data signaal.

Figuur 6 is de spanning van de integrator 26.

Figuur 7 .is de spanning die over de kring staat bij modulatie.

Figuur 8 is de stroom door de spoel.

Figuur 9 is een blokschema van een zend-ontvangcircuit.

Figuur 10 is een blokschema van een detectielabel volgens de uitvinding.

Figuur 1 toont het magnetische wisselveld dat tijdens de communicatie met de label continu aanwezig is. De frequentie hiervan kan in principe willekeurig worden gekozen. Een veel gebruikte frequentie is 120 kHz en zal als voorbeeld in deze beschrijving worden ge bruikt. Nadat de label in een wisselveld van voldoende sterkte is gebracht, zal de identificatiechip gaan functioneren waarbij op bekende wijze een bloksignaal wordt opgewekt met de halve frequentie (60 kHz) van het wisselveld. Belangrijk hierbij is het feit dat dit signaal volgens figuur 2 een tekenwisseling heeft precies op het moment dat de spanning over de antennespoel 0 volt bedraagt. Als dit signaal wordt gebruikt voor het besturen van de kortsluitschakelaar over de antenne, dan ontstaat over de antennespoel een spanning zoals is aangegeven in figuur 3. Op het moment dat de schakelaar wordt gesloten, is de stroom door de spoel maximaal. Bij een kortgesloten spoel kan echter de dan vloeiende stroom maar langzaam afnemen (in het ideale geval treden geen verliezen op, en zal de stroom in de spoel altijd blijven lopen !), zodat na een volledige periode van het wisselveld nog steeds het grootste deel van de stroom in de spoel aanwezig zal zijn. Indien nu de schakelaar na één periode geopend wordt, zal de spanning over de spoel weer dezelfde vorm aannemen zoals twee 120 kHz perioden daarvoor. Tijdens zo'n niet kortgesloten periode wordt energie uit het wisselveld opgenomen en opgeslagen in de resonantiekring. Deze energie is ter compensatie van optredende verliezen zoals die optreden in de resonantiekring en in de identificatiechip. Dit proces kan zich onbeperkt gaan herhalen.

In figuur 4 is de stroom door de spoel weergegeven. Duidelijk is hieraan te zien dat in de stroom door de spoel van de label een sterke component is ontstaan, met een herhalingsfrequentie van 60 kHz, hetgeen de helft is van de frequentie van het wisselveld. Het door de spoel opgewekte magneetveld is qua vorm gelijk aan de stroom door de spoel zodat rond de identificatielabel een relatief sterk 60 kHz signaal aanwezig is.

Om met de uitvinding een groot aantal labels afzonderlijk te kunnen identificeren, wordt het 60 kHz signaal in fase gemoduleerd met een voor de label unieke identificatiecode.

In figuur 5 is een willekeurig deel van een digitale identificatie code weergegeven.

Na fasemodulatie van het signaal met deze code ontstaat het golfpatroon van figuur 7, met de hierbij behorende spoelstroom volgens figuur 8. Omdat bijvoorbeeld een bit "o" altijd begint met resonantie en na twee gehele perioden eindigt met kortsluiting van de antenne, terwijl bij bit "l" precies het omgekeerde het geval is, kan hier worden gesproken van fasemodulatie (PSK) van het 60 kHz signaal. In dit voorbeeld duurt ieder bit precies de tijd van twee 60 kHz perioden, hetgeen overeenkomt met een tijdsduur van 33.33 ps. De baudrate in dit voorbeeld is daarmee dus 30 kbit/s. De snelheid is eventueel nog te verhogen tot 60 kbit/s. Hierbij zal ieder bit qua tijdsduur precies overeenkomen met één periode van het 60 kHz signaal. Uiteraard mag ook de bitlengte worden verhoogd tot een willekeurig geheel aantal malen de 60 kHz periodeduur van 16.6 ps. Indien voor een baudrate van 30 kbit/s of minder wordt gekozen, is een variant op de uitvinding mogelijk. Hiervoor wordt in plaats van 60 kHz een signaal van maximaal 30 kHz gegenereerd. Voor een 30 kHz signaal wordt met behulp van een extra twéé-deler een vergelijkbaar signaal opgewekt als afbeelding 2 in figuur 1, waarbij telkens twee 120 kHz perioden resonantie mogelijk is waarna vervolgens twee perioden kortsluiting van de antenne plaatsvindt. Omdat bij het zo ontstane 30 kHz signaal 4 verschillende fase-sprongen (0°, 90°, 180°, 270°) mogelijk zijn kan men met deze vier verschillende posities telkens 2 bits versturen van label naar zend-ontvanger. Een voordeel van deze meervoudige fasemodulatie (QPSK) is een kleine bandbreedte gecombineerd met een hoge baudrate. Uiteraard zijn met kleinere fasespron-gen en lagere frequenties van het retoursignaal nog andere combinaties mogelijk. Gezien het feit dat de informatie van de label wordt uitgezonden op de helft van de frequentie van het wisselveld is het mogelijk om het frequentiespectrum van enkele kHz rond de gekozen 120 kHz te gebruiken voor andere doeleinden. Zo kunnen met het identificatiesysteem door elkaar heen labels worden gelezen samen met exemplaren welke werken volgens de bovengenoemde octrooiaanvrage NL9201116. Ook kan dit enkele kHz brede spectrum worden benut om met behulp van bijvoorbeeld AM-modulatie van het 120 kHz wisselveld informatie tijdens de identificatie naar het label te sturen. Dit geeft bijvoorbeeld de mogelijkheid om snel het label draadloos te kunnen programmeren. Omdat het door de label uitgezonden signaal ter plaatse van de zend-ontvanger uiterst zwak is ten opzichte, van het 120 kHz signaal is het bij de gangbare identificatie-systemen van groot belang dat de zender een zeer stabiel zendsignaal produceert. Het is echter vaak niet te voorkomen dat een zender toch nog een aanzienlijke hoeveelheid ruis afgeeft, waarvan de meeste energie spectraal gezien zich dicht bij de draaggolf bevindt (d.w.z. binnen enkele kHz afstand tot de 120 kHz draaggolf). De afstand van het retoursignaal tot de draaggolf bedraagt minimaal een kwart van de draaggolffrequentie (30 kHz) en wordt derhalve vrijwel niet beïnvloed door zenderruis. De label, is qua constructie eenvoudig var, opzet. Alles wat zich bij figuur 10 bevindt binnen de met 8 omgeven ruimte is integreerbaar op een silicium identificatiechip. Als antenne fungeert een spoel 9 die de koppeling met de zend-ontvanger mogelijk maakt. Ook de spoel 9 is on-chip uit te voeren, echter om praktische redenen is een grote separate spoel te prefereren. Parallel aan de antennespoel bevindt zich de resonantiecondensator 10 en de kortsluit-transistor 11. De condensatoren 12, 15 en de diodes 13 en 14 vormen het voedingscircuit en leveren de voedingsspanning Vdd 22 ten opzichte van het nulpotentiaal Vss 23. De condensator 15 moet tijdens het kortsluiten van de spoel 9 spanning leveren voor de chip. De maximaal te overbruggen tijd is echter maximaal 16.6 ps zodat deze condensator slechts een geringe waarde zal moeten hebben. Hierdoor is integratie op de chip goed mogelijk. Comparator 16 meet de spanning over de spoel 9 en vóórziet de flip-flop 17 van een klokpuls wanneer deze spanning het nulniveau passeert. Integrator 18 is verbonden met het geïnverteerde uitgangssignaal van de flip-flop 17 en gaat nadat dit signaal logisch "0" is geworden een uitgangssignaal leveren dat vanaf een bepaalde waarde continu daalt ( zie figuur 6). Het uitgangssignaal wordt in een tweede comparator 21 vergeleken met een referentiewaarde. Deze waarde wordt precies na één periode van het 120 kHz signaal bereikt, waarna de flip-flop 17 reset. Hierdoor wordt de uitgang Q van flip-flop 17 laag en wordt transistor 11 uit geleiding gebracht. Via de inverse uitgang van de flip-flop 17 wordt de integrator nu met een "l" bestuurt, waardoor de spanning uit de integrator continu voor de tijd van één 120 kHz periode zal stijgen. Om de fasemodulatie tot stand te brengen, wordt het in fase gemoduleerde 60 kHz signaal uit flip-flop 17 nogmaals vermenigvuldigd in schakelaar 24 met de identificatiecode 28 uit het codegeheugen CM 27. De 180° fasesprongen worden hierdoor verdubbeld tot 360°, waardoor de fasemodulatie verdwijnt en een stabiel klok-signaal 25 overblijft ten behoeve van het telcircuit TC 26. Het codegeheugen 27 levert de identificatiecode waarmee de elektronische schakelaar 20 wordt gestuurd. Bij een "l" wordt de referentie van comparator 21 verbonden met de maximumwaarde van de spanning van integrator 18. Deze waarde wordt geleverd door de piekdetektor 19. Bij een te versturen "o" is Vss 23 het referentieniveau. Het gevolg van deze bewerking wordt duidelijk na bestuderen van figuur 6. De plotselinge spanningssprong veroorzaakt, zowel bij overgang van 0 naar 1 als van 1 naar 0, een herhaling van de bewerking zoals in de laatste 8.33 ps plaatsvond, hetgeen een fasesprong van 180° van het 60 kHz signaal tot gevolg heeft. Hiermee is de fasemodulatie van het 60 khz signaal een feit.

Een blokschema van het zend-ontvang-circuit is afgebeeld in figuur 10. De zender kan eenvoudig worden uitgevoerd met behulp van een oscillator 1, die een wisselspanning met de gewenste frequentie genereert, met daar aan gekoppeld een eindversterker 2 waarna het signaal wordt toegevoerd aan de antenne 3. Het van de label afkomstige signaal kan met dezelfde antenne 3 worden opgevangen, waarna het wordt gescheiden van onder andere het zendsignaal met een filter 4. Het gefilterde signaal passeert een voorversterker 5 waarna het gedemoduleerd kan worden door een fasedetektor 6 die de verzonden databits 7 levert voor verwerking door een computer.

Een consequentie van de uitvinding is ook dat de signalen die door de label opgewekt worden spectraal gezien zeer ver van het zendsig-naal af liggen. Hierdoor kan dit zendsignaal gemoduleerd worden, zowel in amplitude als in frequentie, zonder dat het labelsignaal hierdoor gestoord wordt. Dit betekent dat op eenvoudige wijze full-duplex communicatie met de label mogelijk is.

Claims (10)

1. Een identificatiesysteem bestaande uit een zend-ontvang-schake-ling, die een magnetisch wisselveld genereert en labelsignalen ontvangt, en één of meer labels, die een resonantieketen bevatten, bestaande uit een spoel en condensator, met het kenmerk, dat deze kring na een gehele periode van het wisselveld tijdens de nuldoorgangen van de spanning over de spoel gedurende een he.le periode afwisselend wordt kortgesloten of in resonantie gebracht met het wisselveld, waarbij de energie van de resonantiekring bewaard blijft, en waardoor de spoel in de label een sterk re-toursignaal terugzendt op de helft van de frequentie van het wisselveld van de zend-ontvang-schakeling.

2. Een identificatiesysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een in de label aanwezige code wordt verzonden door middel van fasemodulatie van het retoursignaal.

3. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de fasemodulatie ontstaat door de afwisselend optredende resonantie en kortgesloten toestand, van plaats te verwisselen.

4. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de toe te passen bitrate gelijk is aan de helft van de frequentie van het aangelegde wisselveld van de zender.

5. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat in plaats van het afwisselend opwekken van resonantie en de kortgesloten toestand dit afwisselen tussen resonantie en de kortgesloten toestand wordt uitgebreid over meer dan één periode.

6. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de toe te passen bitrate gelijk is aan de halve waarde van de frequentie van het aangelegde wis-selveld van de zender gedeeld door een geheel getal.

7. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de data meervoudig in fase gecodeerd is.

8. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de meervoudige fasecodering QPSK is.

9. Een identificatiesysteem volgens één of meerdere der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kortsluittijd van de kring wordt bepaald door in de resonantiefase van de kring een condensator gedurende de vaste tijd tussen twee nuldoorgangen van de spoelspanning op te laden, en deze condensator in de kortsluit-fase te ontladen, zodanig dat op het moment dat de condensator ontladen is, de goede waarde van kortsluittijd verstreken is.

10. Een identificatiesysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tijdens het lezen van de identificatiecode van de label door middel van modulatie van de zender full-duplex communicatie tussen label en zend-ontvanger mogelijk is.