DE4003410C2 - - Google Patents

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DE4003410C2 DE4003410A DE4003410A DE4003410C2 DE 4003410 C2 DE4003410 C2 DE 4003410C2 DE 4003410 A DE4003410 A DE 4003410A DE 4003410 A DE4003410 A DE 4003410A DE 4003410 C2 DE4003410 C2 DE 4003410C2
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06KGRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K7/00Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
    • G06K7/0008General problems related to the reading of electronic memory record carriers, independent of its reading method, e.g. power transfer

Description

Allgemeines
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.
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.
Stand kontaktloser Programmiertechniken bei Detektierplättchen
  • - 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.
Nachteile des Bekannten 1. Mehrere Spulen
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.
2. Abstand beim Programmieren
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.
3. Feldsynchronität des Systemtaktes
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.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein tragbares, feldprogrammierbares Detektierplättchen für eine Identifizierungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 C2 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.
Im Hinblick auf die DE 27 48 584 C2 bleibt ferner anzumerken, daß dort kein feldprogrammierbares Detektierplättchen beschrieben ist.
Aus der US-PS 37 13 148 ist ein Transponder bekannt, welcher grundsätzlich eine Feldprogrammierung ermöglicht. Dabei ist die Verwendung von zwei unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen, und im Zusammenhang damit sind insgesamt drei Resonanzkreise erforderlich. Von Bedeutung ist, daß zwei Resonanzkreise für die gleiche erste Frequenz verwendet werden, während der dritte Resonanzkreis auf die andere zweite Frequenz abgestimmt ist.
Beim Betrieb des bekannten Transponders werden von einem Transceiver Schwingungen der ersten Frequenz abgestrahlt, die über eine Empfangsantenne empfangen und durch die beiden ersten Resonanzkreise in doppelter Hinsicht ausgewertet werden. Mittels des einen Resonanzkreises wird aus den Schwingungen der ersten Frequenz die für den Betrieb des Transponders benötigte Energie in Form einer Gleichspannung gewonnen. Über den anderen Resonanzkreis und einem diesem nachgeschalteten Empfänger werden demgegenüber die mit den Schwingungen der ersten Frequenz übertragenen Informationen gewonnen und einer Auswertung zugeführt.
Für eine Übertragung in umgekehrter Richtung, also vom Transponder zum Transceiver, ist ein Transmitter vorgesehen, der den dritten Schwingkreis beinhaltet, der auf die andere Frequenz abgestimmt ist. Die somit erforderliche Verwendung von insgesamt drei Schwingkreisen und zwei unterschiedlichen Frequenzen führt zu einem aufwendigen Aufbau des bekannten Transponders, was sich auch nachteilig auf die äußeren Abmessungen des Transponders auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tragbares, feldprogrammierbares Detektierplättchen zu schaffen, welches mit weniger Resonanzkreisen auskommt, welches ferner in der Lage ist, mit nur einer Frequenz zu arbeiten, und welches es schließlich ermöglicht, auch über größere Abstände eine Feldprogrammierung vorzunehmen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Detektierplättchen durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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 Energieversorugung zum Einsatz.
Bei der zuvor erwähnten Feldprogrammierung werden erfindungsgemäß Kommandos und Daten durch AH-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.
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.
Fig. 3 Funktionsbeschreibung Detektierplättchen Funktionsablauf beim Auslesen des Detektierplättchens
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.
Funktionsablauf beim Feldprogrammieren des Detektierplättchens
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:
1. Speicher programmieren
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.
2. Auslesen stoppen
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.
3. Speicher auslesen
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, mit welchem Personen, Tiere oder Gegenstände versehen sind, die in die Nähe einer Schreib/Lesevorrichtung gelangen, 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 Puls- Pausen-Modulation (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 einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator der Schreib/Lesevorrichtung als Puls-Pausen- Modulator ausgebildet ist.
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