專利名稱：用于無接觸地傳輸信息及能量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1前序部分的用于無接觸地傳輸信息及能量的裝置。在此情況下該裝置用于無自帶電源的、無線地工作的數(shù)據(jù)存儲器，它具有數(shù)據(jù)讀裝置形式的所屬供電控制單元，其中設(shè)有電容耦合元件及其中在不中斷能量傳送的同時執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送。
由DE 4017934 C2公知了一種從應(yīng)答站無線地詢問信息的裝置。在該裝置中應(yīng)答站通過詢問站的無線詢問信號被供給必要的能量。在此情況下，通過電容器這樣容性地進(jìn)行能量及數(shù)據(jù)的傳輸，即在詢問站中一個發(fā)生器產(chǎn)生交變電壓，該交變電能通過電容器被傳送到應(yīng)答站并在那里被整流。由此應(yīng)答站得到必要的電能，并同時利用傳輸來的交變電壓信號，由其構(gòu)成一時鐘信號，它一方面控制由應(yīng)答站待輸出的數(shù)據(jù)位流，另一方面用于構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸信號。
也公知了其它的方法及裝置，其中能量通過線圈經(jīng)電感耦合傳輸。數(shù)據(jù)反向傳輸在此情況下是通過傳送單元的負(fù)載變化來實(shí)現(xiàn)的，這將必然地總是引起能量傳輸?shù)闹袛嗷蛑辽儆绊懙侥芰總鬏?，即產(chǎn)生干擾。
由DE3714195 A1公知了一種在供電的主電子單元及無供電的、具有儲能電路的部分電子單元之間無接觸地傳輸能量及數(shù)據(jù)的方法。這里能量及數(shù)據(jù)交換由微控制器這樣地控制，即通過耦合元件來交替?zhèn)鬏斈芰考皵?shù)據(jù)。由此必然地在數(shù)據(jù)傳送期間中斷能量的傳送。
此外，從DE4130903 A1可得知一種用于識別系統(tǒng)的無接觸能量及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它具有一個供電的原單元及一個次單元。這些單元將通過電感耦合彼此聯(lián)系。對次單元的數(shù)據(jù)傳輸是通過對電能脈沖的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。在此情況下能量傳輸意味著數(shù)據(jù)輸入，而無能量傳輸意味著數(shù)據(jù)為零。因此在零數(shù)據(jù)傳輸時將必然中斷能量的傳輸。由次單元向原單元的數(shù)據(jù)回送是通過負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)的，由此對能量的供給產(chǎn)生不利影響。
在歐洲專利0441237 A1中描述了一種可攜帶的可場編程的檢測卡。該發(fā)明的任務(wù)在于，建立一種簡單、節(jié)省位置的、尤其是在大距離上可編程的檢測卡。在此情況下，通過寫/讀裝置的調(diào)制耦合來影響諧振回路本身。該影響表現(xiàn)的形式是，在檢測卡中的PPM編碼電路信號的解碼器受到這樣的控制，即在檢測卡的存儲器中的數(shù)據(jù)通過場調(diào)制寫入。
ED 3928561 A1公開了一種全雙工應(yīng)答-發(fā)送系統(tǒng)，其中詢問裝置發(fā)出一個由調(diào)制影響的載波。在此情況下，與詢問信號一起對應(yīng)答發(fā)送器發(fā)送接收到的脈沖狀詢問信號波及另一未調(diào)制的作為能量波的載波。然后應(yīng)答發(fā)送器由接收的能量波輸出一個直流電壓，并同時對此產(chǎn)生二次諧波分量。應(yīng)答發(fā)送器對此信號調(diào)制，然后將二次諧波分量與一應(yīng)答信號構(gòu)成脈沖狀應(yīng)答信號波。接著將該應(yīng)答信號波傳送給詢問裝置。
所有這些屬于現(xiàn)有技術(shù)的傳輸系統(tǒng)具有其缺點(diǎn)，即在數(shù)據(jù)傳送或數(shù)據(jù)反向傳送期間出現(xiàn)能量傳送的中斷。
因此，在所有上述屬于現(xiàn)有技術(shù)的裝置或系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)傳送期間將對能量傳送產(chǎn)生不利影響，這必然地減小了讀的距離，或在活動站及固定站之間預(yù)定距離的情況下使數(shù)據(jù)傳送易受到干擾或使其明顯減緩。
此外，大部分裝置或系統(tǒng)需要多個發(fā)生器的同步。這類數(shù)據(jù)傳輸及同時的能量傳輸將成本很高。
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，對DE 4017934 C2的現(xiàn)有技術(shù)這樣地改善，即建立一種價廉物美的、工作可靠的、用于無接觸地同時傳送能量及數(shù)據(jù)的裝置。
該發(fā)明的任務(wù)將根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的特征來解決。這里，提供一種用于無接觸地傳送能量及數(shù)據(jù)的裝置，它尤其用于無接觸地工作的數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)。這里數(shù)據(jù)存儲器將由一控制單元無接觸地通過相位突變調(diào)制及頻率調(diào)制寫入，及同時該數(shù)據(jù)存儲器將無接觸地通過電感耦合元件被供電。在此情況下，在讀或?qū)懼芷谥心芰總鬏斈苓B續(xù)不中斷地及不受影響地進(jìn)行，因此可在較高抗干擾性的情況下達(dá)到存儲單元的特別大的讀及寫距離。因此通過連續(xù)的能量傳送可進(jìn)一步消除干擾因素的影響。這類無接觸地讀和寫的數(shù)據(jù)存儲器可作為個人識別系統(tǒng)，商品種類、工具、集裝箱等的識別系統(tǒng)使用。在所有應(yīng)用中，在此情況下首先要做到，在盡可能大距離上在干擾影響、如數(shù)據(jù)存儲器振動或電磁干擾下能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在此情況下改善抗干擾性的實(shí)質(zhì)因素在于，進(jìn)行足夠好的能量傳輸。當(dāng)能量傳輸達(dá)到完善時，數(shù)據(jù)反向傳輸(讀/寫)也就能以大能量進(jìn)行。
此外，有優(yōu)點(diǎn)的是，不使用通常所使用的振幅調(diào)制，因?yàn)樵谛畔⑤d體形式的數(shù)據(jù)存儲器、例如支票卡或另外載體及控制裝置之間即使是較小的距離變化-如它們在振動時必然出現(xiàn)的，也總將導(dǎo)致不需要的振幅調(diào)制。
由現(xiàn)有技術(shù)所指出的使用工作在高頻區(qū)的天線線圈傳輸能量及數(shù)據(jù)是相對易受干擾的，因?yàn)橥ㄟ^另外發(fā)送器的信息傳輸會引起高次諧波及干擾。關(guān)于干擾電平規(guī)程及距離的法律條款將進(jìn)一步導(dǎo)致對設(shè)計(jì)的明顯限制。
因?yàn)闊o接觸的信息及能量傳輸裝置通常涉及一種傳輸系統(tǒng)，故數(shù)據(jù)存儲器被看作是位置可變化的裝置。相反地，數(shù)據(jù)讀裝置及所屬的用于能量傳輸?shù)恼袷幓芈繁豢醋魇俏恢霉潭ǖ摹Ｒ虼藬?shù)據(jù)存儲器通過感應(yīng)被供給其必要能量。對數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)傳輸通過電容來實(shí)現(xiàn)，這是通過能量的傳輸?shù)念l率調(diào)制來形成的。同時使用一個時鐘信號作為數(shù)據(jù)讀出的同步信號。
本發(fā)明確定了一種全雙工傳輸方法，其形式是同時地持續(xù)發(fā)送或傳輸能量及數(shù)據(jù)。在此情況下，將電能發(fā)送并在另一側(cè)進(jìn)行整流。數(shù)據(jù)的發(fā)送通過頻率偏移來實(shí)現(xiàn)，在電容被接通的時刻，頻率將強(qiáng)制地被降低。
以下將借助于概要圖示的可能實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明，附圖為

圖1具有數(shù)據(jù)讀裝置及能量發(fā)生器的數(shù)據(jù)存儲器的電路框圖；圖2具有數(shù)據(jù)讀裝置及振蕩回路的邏輯單元；圖3數(shù)據(jù)存儲器；圖4具有移相器的圖2的單元；圖5在數(shù)據(jù)讀裝置內(nèi)的電壓波形；圖6在數(shù)據(jù)讀裝置內(nèi)的電壓波形；圖7在數(shù)據(jù)讀裝置內(nèi)的電壓波形；
圖8電感耦合元件上的電壓波形；圖9在電感耦合元件另一側(cè)上的電壓波形；圖10對圖9波形相移90°的電壓波形；圖11脈沖頻率；圖12讀出站上的脈沖頻率；圖13從數(shù)據(jù)存儲器到數(shù)據(jù)讀裝置的數(shù)據(jù)接收。
如在圖1中電路框圖所示，用于無接觸的信息及能量傳輸?shù)难b置基本上由一個數(shù)據(jù)存儲器1、一個振蕩回路3、一個數(shù)據(jù)讀裝置4及一個邏輯單元10組成。其中邏輯單元10不僅控制用于產(chǎn)生供給數(shù)據(jù)存儲器1的能量的振蕩回路3，后者最好作為自控制串聯(lián)振蕩回路構(gòu)成，以保證在最大可能振蕩能量的情況下最佳的數(shù)據(jù)傳輸，而且同時控制數(shù)據(jù)讀裝置4。這些控制通過連接線8、9來表示。振蕩回路3的能量將通過電感耦合元件2、5傳送給數(shù)據(jù)存儲器。相反地，數(shù)據(jù)讀裝置裝有電容器板6、11，它們以這樣的方式對應(yīng)于數(shù)據(jù)存儲器1方面所屬的電容器板7，12，即不僅能讀出數(shù)據(jù)而且能寫入數(shù)據(jù)。邏輯部分10及振蕩回路3、數(shù)據(jù)讀裝置4以及相應(yīng)的電感耦合元件5和電容器板6、11一起可被看作發(fā)送站，它是固定的。相反地，數(shù)據(jù)存儲器1是位置可變的，并根據(jù)由結(jié)構(gòu)確定的距離，當(dāng)小于一確定距離時將與發(fā)送站可進(jìn)行通信。
為了能傳輸能量，必須具有振蕩回路，它呈相應(yīng)高電阻地被供電。屬于現(xiàn)有技術(shù)的并聯(lián)振蕩回路作為阻塞振蕩回路工作，它具有不能傳輸足夠能量的缺點(diǎn)，因此使用了串聯(lián)振蕩回路3，它以這樣的形式工作，即在對方側(cè)，就是在數(shù)據(jù)存儲器1側(cè)同樣具有一個振蕩回路，后者以相同的諧振頻率振蕩。在此情況下將感應(yīng)出相應(yīng)電流，該電流一直向上擺動，直到其損耗的值大到不再上升為止。如果能量入出平衡，即輸入能量及損耗為恒定，則在發(fā)送站側(cè)回收必要的能量。當(dāng)該振蕩回路失調(diào)或受負(fù)荷時，即以另外的頻率如以較低頻率的負(fù)荷振蕩時，則產(chǎn)生相反的效應(yīng)，雖然能量傳輸下降，但不會中斷。該屬于現(xiàn)有技術(shù)的方案將會導(dǎo)致，在電感耦合的情況下，相應(yīng)的電容短時地短路并由此在該時刻能量不能被傳送。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思將能消除該缺點(diǎn)，這時將通過邏輯單元10經(jīng)連接線44控制一個FET晶體管41。該晶體管通過一根連接線42將一個電容器40的附加電容量連接到該振蕩電路現(xiàn)有的電容量上，即附加在電容器29、31上。該振蕩電路基本上由電感耦合元件5及電容器29、31組成。在連接電容器31的電容量的電感耦合元件5上將通過一根連接線39連接到一個電阻37和一個電容器38的RC組合。該RC組合的另一端經(jīng)過一根連接線34與一個比較器32相連接。該比較器32的另一輸入端接地33。該比較器的輸出端將通過連接線35與一驅(qū)動器30相連接，并同時經(jīng)由連接線36與數(shù)據(jù)讀裝置4內(nèi)的一個模擬開關(guān)48相連接。如果電壓向上擺動到最大值，它將通過電阻37及電容38的RC組合的相移引起比較器32的開關(guān)過程。比較器32的輸出端32將改變其狀態(tài)，其結(jié)果是，該電壓躍變通過驅(qū)動器30傳送給電容器29。正好在曲線峰值時輸入一個信號。在圖8上表示出測量點(diǎn)63上的曲線波形，其中該曲線以及下述的曲線，將坐標(biāo)表示為電壓相對時間的變化。該圖表示的曲線波形是一個正弦波(邊沿)，它具有在峰值點(diǎn)上的躍變，該躍變通過邏輯單元10的開關(guān)過程產(chǎn)生，后者的波形表示在圖11上并傳送到測量點(diǎn)66上。在圖9上測量點(diǎn)64上的波形表現(xiàn)為圖8中波形的鏡象，在該波形中未包含在峰點(diǎn)上具有的躍變。通過電阻37及電容38的RC組合產(chǎn)生一相移，它被表示在圖10中。對此的測量點(diǎn)是點(diǎn)65。
數(shù)據(jù)的發(fā)送通過頻率偏移來實(shí)現(xiàn)，即，在電容器40通過FET晶體管41接通的時刻，使振蕩回路的頻率變低。
由電感耦合元件5傳送的能量被數(shù)據(jù)存儲器1的電感耦合元件2接收。電容器13與電感耦合元件2相并聯(lián)。通過電感耦合元件2接收的能量將在整流器14中被整流并用來對在該數(shù)據(jù)存儲器1中設(shè)有的元件進(jìn)行供電。該數(shù)據(jù)存儲器1基本上由一個控制器16組成，該控制器通過連接線19由一頻率調(diào)制器15發(fā)送來一個確定的頻率模式。由該感性耦合元件2控制一個施密特觸發(fā)器18，后者通過連接線20、17、22一方面與頻率調(diào)制器15相連接，并通過連接線21與控制器16相連接。此外還有一個邏輯組件XOR23。該組件23將由控制器16經(jīng)由連接線24控制。該邏輯組件XOR23通過連接線25與電容器板7相連接。同時通過連接線26控制一個門24，它執(zhí)行信號反相。門24的輸出端通過連接線27與電容器板12相連接。
振蕩回路3中形成的信號通過連接線36和模擬開關(guān)48及其觸頭45、47、49、50這樣地控制，即經(jīng)由連接線54、55將信息傳送到電容器板6、11上。該信息則傳送給對方的數(shù)據(jù)存儲器1的電容器板7、12。當(dāng)數(shù)據(jù)位變化時，將通過XOR23達(dá)到實(shí)際180°的相移。通過該信號的反相在電容器板6、7之間建立起電壓場。由此將同時傳送一個針狀脈沖，在圖13上表示的該脈沖是在數(shù)據(jù)讀裝置4中測量點(diǎn)68上測出的。它將引起，電流總是在陡沿上被觸發(fā)，并同時由該信號使模擬開關(guān)48的觸頭45、47、49、50接通。這將引起，例如一個邏輯1通過連接線57使信息繼續(xù)傳送到比較器58。同樣，比較器58的第二輸入端經(jīng)連接線56接受模擬開關(guān)48的控制。比較器58的輸出端連接到帶通濾波器59的輸入端，以抑制傳輸信息(數(shù)據(jù))中的噪聲。帶通濾波器59的輸出端與施密特觸發(fā)器60相連接，后者的輸出端經(jīng)過連接線61與邏輯單元10相連接。同時，邏輯單元10經(jīng)過連接線52與設(shè)在模擬開關(guān)48的觸頭50之間的門51，并經(jīng)由連接線53相連接。通過該門51使連接線36上的并經(jīng)由振蕩回路3的連接線46輸入的信號反相。
由比較器58輸出的信號表示在圖5上。該信號的測量點(diǎn)是69。在帶通濾波器59的輸出端的測量點(diǎn)70上測出一信號，它被表示在圖6中。與圖5相對比從該圖上可以清楚的看出，所有的噪聲已從信息中濾去，及在邊沿上、即信息變化時在帶通濾波器59的輸出端70上形成針狀脈沖。該針脈沖將在施密特觸發(fā)器60中被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息，該信息在測量點(diǎn)71上測出并表示在圖7上。
在該系統(tǒng)中視耦合強(qiáng)度而定基本時鐘將發(fā)生相移，因此有必要如圖4所示地，在振蕩回路3及數(shù)據(jù)讀裝置4之間連接一個移相器62。通過該移相器62將自動地由邏輯單元10控制到最佳相位狀態(tài)并由此對模擬開關(guān)48進(jìn)行控制，即如果數(shù)據(jù)讀出有錯，移相器62將一直被中間接入，直至通過移相使數(shù)據(jù)傳輸又自動地被平衡。
權(quán)利要求
1.用于無接觸地傳輸信息及能量的裝置，尤其用于無自帶電源的、無線地工作的數(shù)據(jù)存儲器，它具有數(shù)據(jù)讀裝置形式的所屬供電控制單元，其中設(shè)有電容耦合元件，其中在不中斷能量傳送的同時執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，其特征在于數(shù)據(jù)存儲器(1)經(jīng)過電感耦合元件(2、5)被供給必要的能量，并同時地通過電容耦合元件使用頻率調(diào)制對數(shù)據(jù)存儲器(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于該數(shù)據(jù)傳輸包括全雙工數(shù)據(jù)傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其特征在于對于能量傳輸使用自控串聯(lián)振蕩回路(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1及2的裝置，其特征在于數(shù)據(jù)傳輸通過各屬于數(shù)據(jù)讀裝置(4)及數(shù)據(jù)存儲器(1)的兩個電容器的極板對(6、7、11、12)來實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1及4的裝置，其特征在于一個發(fā)生器產(chǎn)生頻率調(diào)制的交變電壓信號，它通過電感耦合元件(2，5)傳送到數(shù)據(jù)存儲器(1)，并在那里被整流，及在數(shù)據(jù)讀裝置(4)中由傳送的交變電壓信號構(gòu)成用于數(shù)據(jù)傳送的一個時鐘信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于由該時鐘信號通過頻率調(diào)制得到向數(shù)據(jù)存儲器(1)傳送的位模式信號，并同時控制從存儲單元待輸出的數(shù)據(jù)位模式的輸出及用來構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸信號。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其特征在于數(shù)據(jù)讀裝置(4)由邏輯組件與一個E2-Prom的連接構(gòu)成。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其特征在于在數(shù)據(jù)讀裝置(4)中設(shè)有一個E2-Prom，它對供給電能的過零時間點(diǎn)進(jìn)行測量。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)或多項(xiàng)的裝置，其特征在于在串聯(lián)振蕩回路(3)及數(shù)據(jù)讀裝置(4)之間連接有一個移相器(62)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其特征在于移相器(62)被邏輯單元(10)控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對無線地工作的、無自帶電源的數(shù)據(jù)存儲器無接觸地傳輸信息及能量的裝置。通過電感及電容耗合,以電感應(yīng)及電容耦合方式在不中斷供電的情況下同時地進(jìn)行寫及讀的全雙工數(shù)據(jù)傳輸。
文檔編號H04B5/00GK1243622SQ98801817
公開日2000年2月2日 申請日期1998年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月13日
發(fā)明者沃爾夫?qū)の炙?申請人:道爾瑪有限公司和兩合公司