DE4003410A1 - Tragbares feldprogrammierbares detektierplaettchen - Google Patents
Tragbares feldprogrammierbares detektierplaettchenInfo
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- G06K7/0008—General problems related to the reading of electronic memory record carriers, independent of its reading method, e.g. power transfer
Description
Im jetzigen Zeitalter, in dem alle Produktionsprozesse
automatisiert werden, sind elektronische Identifikationstechniken
sehr gefragt, bei denen
entweder nur eine Nummer gesendet wird (Read Only),
oder bei denen sogar variable Daten
enthalten sein können, die über Abstand
programmierbar sind (Read/Write). Diese portablen
Datenträger oder "Detektierplättchen" werden z. B. bei
wertvollen Pferden unter die Haut gepflanzt, um diese
immer sicher zu erkennen, Kühe und Schweine erhalten
ein Implantat, um die automatische Fütterungsanlage
zu steuern bzw. alle Daten der Tiere von Geburt an zu
speichern.
In der Produktionsautomation werden damit Lackierstraßen
bestückt, und die Fahrzeuge erhalten je nach
Programmierung die entsprechende Farbe. Ein Roboter
erhält über Flurfördersysteme eine bestimmte Sorte
von Schrauben, die im Lager in einen Universal-Container
gepackt und durch entsprechende Programmierung
des Detektierplättchens an ihn versandt wurden.
Der Verbreitungsgrad solcher Techniken wird stark vom
Preis des Datenträgers beeinflußt, denn dieser wird
in großer Stückzahl benötigt.
Ein günstiger Preis, eine hohe Lebenserwartung und
eine entsprechend kleine Bauform wird hauptsächlich
mit batterielosen Detektierplättchen erreicht. Viele
Anwendungen lassen sich mit einem "Read-Only"-System
durchführen, aber die Möglichkeit, den Dateninhalt
des Detektierplättchens zu verändern, eröffnet jetzt
- und für die Zukunft - viel größere Perspektiven.
Diese programmierbare Variante wird in dieser Patentanmeldung
beschrieben.
Grundsätzlich ist folgendes allen batterielosen Techniken
gemein:
Ein HF-Sender strahlt über eine Antenne ein elektromagnetisches
Feld ab. Beim Eintritt in dieses Feld
wird das Detektierplättchen mit Energie versorgt und
beginnt, die gespeicherten Daten zu senden.
Ein Systemtakt für die Elektronik des Detektierplättchens
wird häufig durch Teilung aus der Frequenz
des HF-Feldes gewonnen, dadurch wird der Datenspeicher
ausgelesen, und der serielle Datenstrom bewirkt
durch eine spezielle Beschaltung eine
feldsynchrone Bedämpfung des HF-Feldes. Diese
Bedämpfung wird am Empfänger des
HF-Senders ausgekoppelt, verstärkt und digital
weiterverarbeitet. Im Gegenzug ist es bei
Read/Write-Systemen möglich, den HF-Sender zu
modulieren und so Daten zum Detektierplättchen über
Abstand zu übertragen.
Gerade die Möglichkeit, den Speicherinhalt im Detektierplättchen
nach der Verpackung in einem Gehäuse
berührungslos verändern zu können, eröffnet dieser
Technik viel mehr Einsatzgebiete als nur das reine
Identifizieren. Angeführt seien hier nur einige
Gebiete wie bargeldloser Zahlungsverkehr, Werkzeugmanagement,
Fördersysteme, Fahrzeugdaten und natürlich
auch persönlichen Daten, für die so ein umprogrammierbares
Detektierplättchen eingesetzt werden
kann.
- - Damit kontaktlos programmiert werden kann, enthalten die Detektierplättchen mehrere Spulen, eine davon zur Energieübertragung, die restlichen zur Datenübermittlung bzw. Synchronisation.
- - Die räumlichen Abstände beim Programmieren bewegen sich bei wenigen Millimetern; dazu wird das Detektierplättchen meistens direkt auf das Programmiergerät gelegt. Die eingesetzte Modulationsart ist meistens FSK, da diese sich einfach mit einer PLL-Schaltung dekodieren läßt.
- - Um Schaltungsaufwand zu minimieren, wird der Programmiervorgang durch die Feldfrequenz synchronisiert.
Bei der kontaktlosen Programmierung werden 2-3
Spulen für Empfangen, Synchronisation, Senden
und Energieübertragung benötigt. Die Herstellung
von preiswerten und vor allem
kleinen Detektierplättchen wird dadurch
unmöglich. Gerade die Baugröße ist aber sehr
entscheidend bei Detektierplättchen für
Werkzeugerkennung oder bei Tierimplantaten.
Der Einsatz von mehr als einer Spule macht es
außerdem oft erforderlich, die Spulen
in ihrer räumlichen Anordnung richtig zur
Schreib/Leseeinheit zu positionieren; durch
diese Einschränkung sind diese Art von Systemen
für viele Anwendungen nicht geeignet.
Beim Datendecodieren auf der Seite des Detektierplättchens
werden analoge stromfressende Decodiermethoden
eingesetzt wie FSK, PLL-Demodulation;
dadurch wird eine echte
Feldprogrammierung, also eine Programmierung
über größeren Abstand, unmöglich. Der benötigte
Strom kann nur über kleinste Distanzen im
mm-Bereich übertragen werden. Diese
Einschränkung ist vor allem im CIM-Bereich sehr
nachteilig, da dort die genaue Positionierung
oft nicht möglich ist. Die dort eingesetzten
batteriebehafteten Systeme sind zwar sehr viel
teurer, aber der Schreib/Leseabstand bewegt sich
im 5-10 cm-Bereich.
Die gleichen Forderungen müssen dort auch von
dem hier beschriebenen batterielosen System
erfüllt werden.
Die Nutzung der Feldfrequenz, um daraus den Takt
für die Datenrate zu erzeugen, ist zwar naheliegend
und man spart einen Oszillator, aber man
verbaut sich die Möglichkeit, das Detektierplättchen
über AM-Modulation zu programmieren,
da das Feld dabei abgeschaltet wird und kein
Systemtakt mehr vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft ein tragbares, feldprogrammierbares
Detektierplättchen für eine Identifizierungsvorrichtung
zum Erfassen der Anwesenheit sowie
der berührungslosen Änderung von Daten im Detektierplättchen
von zu einer Schreib/Lesevorrichtung gelangenden
Personen, Tieren oder Gegenstände, wobei die
Schreib/Lesevorrichtung einen HF-Sender mit Modulator
und Datenempfänger und das Detektierplättchen als
Signalgeber, Signalempfänger und als Energieübermittler
einen auf die Frequenz des HF-Sender abgestimmten
Resonanzkreis (RK), einen Oszillator und Codegenerator
und ein mit dem Resonanzkreis gekoppeltes
Schaltglied (SG) umfaßt, dem die Schaltsignale vom
Codegenerator zugeführt werden und das den
Resonanzkreis (RK) im Takt der Schaltsignale beim
Senden verstimmt.
Der gleiche Resonanzkreis wird erfindungsgemäß durch
die Modulationseinkopplung von der
Schreib/Lesevorrichtung so beeinflußt, daß der
Decoder für PPM codierte Schaltsignale im
Detektierplättchen gesteuert wird und somit Daten in
den Speicher des Detektierplättchens über
Feldmodulation geschrieben werden.
Damit das Detektierplättchen klein und preiswert ausgeführt
werden kann, kommt erfindungsgemäß nur eine
Spule für die Feldprogrammierung zum Datensenden und
zur Energieversorgung zum Einsatz.
Bei der zuvor erwähnten Feldprogrammierung werden erfindungsgemäß
Kommandos und Daten durch AM-Modulation
gemischt und mit Pulspausenmodulation zum Detektierplättchen
übertragen.
Die Form der Datenübertragung und eine erfindungsgemäße
rein digital arbeitende Decodierschaltung auf
dem Detektierplättchen machen zusammen mit einem
erfindungsgemäßen Stützkondensator die
Feldprogrammierung auch über Abstände von 5-10 cm
möglich. Das Herz der erfindungsgemäßen
Decodierschaltung sind mehrere Zähler sowie ein
Oszillator, der als feldunabhängige Zeitreferenz
dient.
Eine Identifizierungsvorrichtung mit einem
Detektierplättchen, dessen Resonanzkreis im
abgestimmten Zustand dem HF-Feld des Senders Energie
entzieht und dadurch auf den HF-Sender meßbar
rückwirkt, ist aus der US-PS 32 99 424 bekannt.
Aus der DE 27 48 584 ist eine Identifizierungsvorrichtung
bekannt, die die Merkmale von US-PS 32 99 424
benutzt und diese mit den Vorzügen der Gewinnung der
Speisespannung aus dem Resonanzkreis verbindet. Die
Energiegewinnung aus einer Induktionsschleife ist
ebenfalls schon bekannt aus DE-AS 12 19 990.
Alle drei zuvor benannten Patente beschäftigen sich
in keiner Weise mit der Möglichkeit, den gleichen
Resonanzkreis, der für die Energiegewinnung und zum
Datensenden benötigt wird, auch zur berührungslosen
Programmierung bzw. Änderung der Daten im Detektierplättchen
zu verwenden; vor allem vor dem
Hintergrund, daß während des Programmiervorganges nur
sehr wenig Energie zum Detektierplättchen gesendet
wird und gerade eine herkömmliche Decodierschaltung
(PLL, FSK etc.) sowie das Programmieren des
Speichers sehr viel mehr Energie benötigt als nur das
Senden von Daten.
Diese sehr einfache, platzsparende und vor allem über
große Abstände zu programmierende Schaltungsanordnung
war die Aufgabe dieser Erfindung.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im 1.
Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung der Kombination
Schreib/Lesevorrichtung/Detektierplättchen,
Fig. 2 Blockschaltbild Detektierplättchen,
Fig. 3 Schaltbild der erfindungsgemäßen
Decodierlogik im Detektierplättchen,
Fig. 4 Datentelegramm vom Detektierplättchen zur
Schreib/Lesevorrichtung,
Fig. 5 Datentelegramme von der Schreib/Lesevorrichtung
zum erfindungsgemäßen Detektierplättchen.
Fig. 1 zeigt eine Schreib/Lesevorrichtung gemäß
der Erfindung, die aus einem HF-Sender mit
Modulator und einem Datenempfänger mit
Demodulator besteht.
Der HF-Sender generiert eine quarzstabilisierte
Frequenz, die in einen Resonanzkreis
(RK1) als Antenne geleitet wird, um dort
ein HF-Feld aufzubauen. Der Modulator
steuert das HF-Feld durch Feldbedämpfung,
so daß eine AM-Pulspausenmodulation
entsteht, die zur Datenübermittlung zum Detektierplättchen
benutzt wird.
Am gleichen Resonanzkreis (RK1) ist auch
ein Datenempfänger angeschlossen, der die
Feldbedämpfung des Detektierplättchens
demoduliert und anschließend auswertet,
z. B. um die Nummer des Detektierplättchens
zu erkennen.
Über das gleiche HF-Feld werden dabei vier
verschiedene Dinge übertragen. Energie,
Kommandos und Daten zum Detektierplättchen
sowie Daten zur Schreib/Lesevorrichtung vom
Detektierplättchen.
Fig. 2 zeigt ein Detektierplättchen, in dem sich
ein Resonanzkreis RK befindet, bestehend
aus einer Spule L1 und einem Kondensator
C1, dessen Resonanzfrequenz der Frequenz
eines in einer Detektierzone herrschenden
elektromagnetischen Feldes entspricht. Wenn
das Detektierplättchen in die Detektierzone
gebracht wird, wird der Resonanzkreis RK
durch das Detektierfeld zum Schwingen
angeregt. Dadurch ensteht eine
Wechselspannung über dem LC-Kreis, von dem
in diesem Beispiel die Spule L1 und der
Kondensator C1 parallelgeschaltet sind.
Die Wechselspannung gelangt über den
Gleichrichter, der hier symbolisch mit D1
dargestellt ist, zum Chip E.
Auf dem Chip E befinden sich ein Oszillator,
der den Codegenerator und mit einem
Zähler den Decoder steuert sowie ein
Speicher, in dem sich ein Code befindet.
Dieser Speicher kommuniziert mit dem
Codegenerator und dem Decoder.
Beim Auslesevorgang, der nach dem Eintauchen
des Detektierplättchens, ins HF-Feld
eingeleitet wird, verarbeitet der Codegenerator
die Daten, die im Speicher stehen, und
sendet diese moduliert, indem er über ein
Schaltglied (SG) den Schwingkreis (RK)
verstimt, an die Schreib/Lesevorrichtung.
Beim Programmiervorgang bewertet der
Decoder zusammen mit Zählern und dem Oszillator
die empfangene Modulation von der
Schreib/Lesevorrichtung und programmiert
die Daten in den Speicher.
Der Bereich "S" im Speicher läßt sich dabei
aus Manipulationsgründen nur einmal
programmieren.
C2 wird als Pufferkondensator gebraucht,
um Programmierimpulse für den Speicher zu
ermöglichen, auch wenn keine konstante
Versorgung durch das modulierte HF-Feld
möglich ist.
Des weiteren wird C2 benötigt, um in den
Pulspausen die Funktion des Decoders mit
Zähler und Oszillator zu gewährleisten
sowie die Funktion des ganzen Chips, da das
Feld beim Programmiervorgang zeitweilig
abgeschaltet wird.
Gelangt das Detektierplättchen in ein
HF-Feld mit der Feldfrequenz F2, erfolgt
die Energieversorgung mittels Resonanzkreis
(RK), Gleichrichter D1 und Stützkondensator
C2. Der Oszillator liefert den
feldfrequenzunabhängigen Systemtakt F1. Die
anliegende Feldfrequenz F2 hält den Zähler
1 und Flip-Flop 1 (im folgenden mit FF1
bezeichnet) im Resetzustand. Der
Adreß-Generator erzeugt mit Hilfe zweier
Binärzähler (Zähler 1 und 2) die
Datenadressen und bewirkt das Auslesen des
Speichers. Ein im Adreß-Generator
befindliches Schieberegister übernimmt die
Umsetzung der parallelen Daten in einen
seriellen Datenstrom.
Der Code-Generator hat die Aufgabe, den
seriellen Datenstrom in bekannte, serielle
Datenformate (FSK, BIPHASE) umzusetzen
(siehe Fig. 4) und bewirkt mit dem Schaltglied
(SG) die Datenübertragung durch
Feldmodulation.
Grundlage für die erfindungsgemäße Feldprogrammierung
des Detektierplättchens sind
der Stützkondensator C2 und der Oszillator,
die zusammen dafür sorgen, daß der Systemtakt
F1 und die Versorgungsspannung des Detektierplättchens
für die AM- und datenbedingten
Abschaltzeiten des HF-Feldes erhalten
bleibt. Der Programmiervorgang beginnt,
wenn das HF-Feld für etwa länger als die
Zeit T1 abgeschaltet wird (siehe Fig. 5/E).
Da Zähler 1 nun nicht mehr resetet wird
(und der Systemtakt vom Oszillator weiterläuft),
geht sein Ausgang Q6 nach T1 auf
High, setzt FF4 und stoppt sich selbst. Das
gesetzte FF4 öffnet nun mit dem CS-Signal
den Kommando-Dekoder.
Der High-Pegel des Signals liegt auch am
D-Eingang von FF1.
Nach T1 wird das HF-Feld wieder eingeschaltet
und Zähler 1 dadurch resetet;
außerdem wird jetzt natürlich C2
nachgeladen.
Wird nun das HF-Feld wieder abgeschaltet,
setzt der erste High-Pegel des Ausgangs Q2
von Zähler 1 das FF1 (ohne CS-Signal wird
FF1 nicht gesetzt). Dieser High-Pegel am
Ausgang von FF1 gelangt als DATA-Signal an
den Kommando-Dekoder und setzt außerdem
FF2. Dieses Flip-Flop wiederum gibt die
Zähler 2 und 3 frei. Zähler 2 erzeugt mit
Hilfe FF3 nach Ablauf der Zeit T2 (siehe
Fig. 5/E) das CLOCK-Signal für den Kommando-Dekoder.
Je nachdem, ob das HF-Feld für die
Dauer T3 bzw. T4 (siehe Fig. 5/F) ausgeschaltet
wird, übernimmt der Kommando-Dekoder
mit dem CLOCK-Signal ein DATA-H
oder DATA-L (PPM). Das CLOCK-Signal setzt
außerdem FF2, Zähler 2 und FF3 zurück. Die
ersten Daten, die so übertragen werden,
sind Befehle an den Kommandodekoder
(siehe Fig. 5/A), der das Detektierplättchen
aufgrund dieser Befehle in
folgende Zustände versetzt:
Nach Erkennen des Programmierbefehls
setzt der Kommando-Dekoder das FF6 und
gibt mittels FF7 den Zähler 4 frei;
außerdem wird mit FF6 ein Multiplexer
umgeschaltet, der alle nachfolgend übertragenen
Signale CS, DATA und CLOCK an
den Speicher leitet. Somit werden die
übertragenen Daten in den Speicher
geschrieben.
Jedes übertragene DATA-Signal bewirkt
ein Reset für die Zähler 3 und 4, so daß
sich die Dauer des CS-Signals (Zähler 3)
bzw. der Programmierung (Multiplexer
Umschaltung, Zähler 4) verlängert, bis
keine weiteren Daten übertragen werden.
Das Detektierplättchen geht dann sofort
wieder in den Auslesemodus über.
Nach Erkennen des Stoppbefehls stoppt
der Kommando-Dekoder über die Leitung L
und den Code Generator die Modulation
des HF-Feldes. Der Stoppbefehl
ermöglicht der Schreib/Lesevorrichtung,
ein Detektierplättchen sofort nach der
Erkennung im HF-Feld abzuschalten und
auf diese Weise noch weitere ins HF-Feld
gelangende Detektierplättchen zu
erkennen.
Der Auslesebefehl ist die Umkehrung des
Stoppbefehls (über Leitung L wird
Code Generator freigegeben) und wird
übertragen, wenn ein zuvor
abgeschaltetes Detektierplättchen
reaktiviert werden soll.
Es sind natürlich noch weitere Befehle
möglich, je nach Einsatzgebiet des
Detektierplättchens.
Fig. 4 zeigt ein Datentelegramm, welches vom Detektierplättchen
an die Schreib/Lesevorrichtung
gesendet wird.
Dabei beginnt das Telegramm mit einem
Header, der für die Erkennung des
Detektierplättchens benötigt wird, gefolgt
von den eigentlichen Daten und einem CRC-Check
am Ende.
Für den Codeaufbau können verschiedene
selbsttaktende Codes gewählt werden wie
Biphase, Manchester etc.
Die Übertragung der 0- und 1-Bits kann durch
Bedämpfung des Feldes (A) oder durch Überlagerung
zweier Frequenzen (B) oder durch
andere Modulationsarten erfolgen.
Fig. 5 zeigt Datentelegramme von der Schreib/Lesevorrichtung
zum Detektierplättchen.
- A. Um das Detektierplättchen programmieren
zu können, wird zunächst ein Kommando-Header
gesendet, gefolgt von einem
Kommando Befehl und den eigentlichen
Daten.
Einige der möglichen Kommandos sind:- 1. Schreiben Daten
- 2. Lesen Daten
- 3. Starten Datenübertragung
- 4. Stoppen Datenübertragung
- B. Der Modulator der Schreib/Lesevorrichtung bedämpft dabei das Feld des HF-Generators und erzeugt das Pulspausensignal (PPM) im Resonanzkreis (RK1).
- C. Dieses modulierte HF-Feld wird nun über die Übertragungsstrecke zum Detektierplättchen gesendet.
- D. Die von Resonanzkreis (RK1) gesendeten Daten führen zu zeitlich proportionalen Daten am (RK) bzw. am Eingang des durch die voranstehend erwähnten Zähler, Flip-Flops usw. gebildeten Decoders vom Detektierplättchen.
- E. Nach der Zeit T1 liefert der Decoder das Kommandoerkennungssignal (CS-Signal).
- F/G. Auf Grund der gesendeten PPM-Signale
(T3, T4) erzeugt der Decoder nach Kommandoerkennung
mit Hilfe des Zählers
T2 Clock und Daten für das Ausführen
der verschiedenen Kommandos.
Auf diese Weise werden sowohl Kommandos (wie unter A) als auch Daten vom Schreib/Lesesystem zum Detektierplättchen übertragen.
Claims (5)
1. Tragbares, feldprogrammierbares Detektierplättchen
für eine Identifizierungsvorrichtung zum
Erfassen der Anwesenheit sowie der berührungslosen
Änderung von Daten im Detektierplättchen, von
zu einer Schreib/Lesevorrichtung gelangenden
Personen, Tieren oder Gegenständen, wobei die
Schreib/Lesevorrichtung einen HF-Sender mit Modulator
und Datenempfänger umfaßt, und das
Detektierplättchen einen Signalgeber,
Signalempfänger und als Energieempfänger einen
auf die Frequenz des HF-Senders abgestimmten
Resonanzkreis (RK), ferner einen Speicher, einen
Codegenerator und ein mit dem Resonanzkreis
gekoppeltes Schaltglied (SG) umfaßt, dem die
Schaltsignale vom Codegenerator zugeführt werden
und das den Resonanzkreis (RK) im Takt der
Schaltsignale beim Senden verstimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gleiche Resonanzkreis (RK) einerseits zur
Feldprogrammierung des Detektierplättchens und
andererseits in an sich bekannter weise zum
Senden der Daten dient und zur Energieversorgung
herangezogen wird und daß die Feldprogrammierung
durch Pulspausenmodulation (PPM) des verwendeten
HF-Trägers erfolgt und daß damit Daten wie auch
Kommandos übertragen werden, die in einem Decoder
des Signalempfängers digital ausgewertet werden,
und daß das Detektierplättchen einen Oszillator
umfaßt, der als feldunabhängige Zeitreferenz
dient, und daß ein Kondensator (C2) vorgesehen
ist, der mit einer dem Resonanzkreis (RK)
entnommenen Spannung geladen ist und zur
Energieversorgung des Detektierplättchens auch in
den Pulspausen dient.
2. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Speicher einen geschützten
Bereich (S) besitzt, der nur einmal
beschrieben werden kann.
3. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß durch den eingebauten
Oszillator keine Feldsynchronität nötig ist und
dadurch die Datenübertragung - auch beim Senden
zur Schreib/Lesevorrichtung - unabhängig von der
HF-Feld-Frequenz wird.
4. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltung aus max.
vier Bauteilen besteht (L1, C1, E, C2).
5. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schreib/Lesevorrichtung
einen Puls-Pausen-Modulator
enthält, um das HF-Feld zu modulieren.
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