用於無接觸地傳輸信息及能量的裝置的製作方法

2023-10-29 12:28:37 1

專利名稱：用於無接觸地傳輸信息及能量的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1前序部分的用於無接觸地傳輸信息及能量的裝置。在此情況下該裝置用於無自帶電源的、無線地工作的數據存儲器，它具有數據讀裝置形式的所屬供電控制單元，其中設有電容耦合元件及其中在不中斷能量傳送的同時執行數據傳送。
由DE 4017934 C2公知了一種從應答站無線地詢問信息的裝置。在該裝置中應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行能量及數據的傳輸，即在詢問站中一個發生器產生交變電壓，該交變電能通過電容器被傳送到應答站並在那裡被整流。由此應答站得到必要的電能，並同時利用傳輸來的交變電壓信號，由其構成一時鐘信號，它一方面控制由應答站待輸出的數據位流，另一方面用於構成數據傳輸信號。
也公知了其它的方法及裝置，其中能量通過線圈經電感耦合傳輸。數據反向傳輸在此情況下是通過傳送單元的負載變化來實現的，這將必然地總是引起能量傳輸的中斷或至少影響到能量傳輸，即產生幹擾。
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據的方法。這裡能量及數據交換由微控制器這樣地控制，即通過耦合元件來交替傳輸能量及數據。由此必然地在數據傳送期間中斷能量的傳送。
此外，從DE4130903 A1可得知一種用於識別系統的無接觸能量及數據傳輸系統，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繫。對次單元的數據傳輸是通過對電能脈衝的調製來實現的。在此情況下能量傳輸意味著數據輸入，而無能量傳輸意味著數據為零。因此在零數據傳輸時將必然中斷能量的傳輸。由次單元向原單元的數據回送是通過負載變化實現的，由此對能量的供給產生不利影響。
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。該發明的任務在於，建立一種簡單、節省位置的、尤其是在大距離上可編程的檢測卡。在此情況下，通過寫/讀裝置的調製耦合來影響諧振迴路本身。該影響表現的形式是，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據通過場調製寫入。
ED 3928561 A1公開了一種全雙工應答-發送系統，其中詢問裝置發出一個由調製影響的載波。在此情況下，與詢問信號一起對應答發送器發送接收到的脈衝狀詢問信號波及另一未調製的作為能量波的載波。然後應答發送器由接收的能量波輸出一個直流電壓，並同時對此產生二次諧波分量。應答發送器對此信號調製，然後將二次諧波分量與一應答信號構成脈衝狀應答信號波。接著將該應答信號波傳送給詢問裝置。
所有這些屬於現有技術的傳輸系統具有其缺點，即在數據傳送或數據反向傳送期間出現能量傳送的中斷。
因此，在所有上述屬於現有技術的裝置或系統中，在數據傳送期間將對能量傳送產生不利影響，這必然地減小了讀的距離，或在活動站及固定站之間預定距離的情況下使數據傳送易受到幹擾或使其明顯減緩。
此外，大部分裝置或系統需要多個發生器的同步。這類數據傳輸及同時的能量傳輸將成本很高。
因此，本發明的任務在於，對DE 4017934 C2的現有技術這樣地改善，即建立一種價廉物美的、工作可靠的、用於無接觸地同時傳送能量及數據的裝置。
該發明的任務將根據獨立權利要求1的特徵來解決。這裡，提供一種用於無接觸地傳送能量及數據的裝置，它尤其用於無接觸地工作的數據存儲器的結構。這裡數據存儲器將由一控制單元無接觸地通過相位突變調製及頻率調製寫入，及同時該數據存儲器將無接觸地通過電感耦合元件被供電。在此情況下，在讀或寫周期中能量傳輸能連續不中斷地及不受影響地進行，因此可在較高抗幹擾性的情況下達到存儲單元的特別大的讀及寫距離。因此通過連續的能量傳送可進一步消除幹擾因素的影響。這類無接觸地讀和寫的數據存儲器可作為個人識別系統，商品種類、工具、貨櫃等的識別系統使用。在所有應用中，在此情況下首先要做到，在儘可能大距離上在幹擾影響、如數據存儲器振動或電磁幹擾下能可靠地傳輸數據。在此情況下改善抗幹擾性的實質因素在於，進行足夠好的能量傳輸。當能量傳輸達到完善時，數據反向傳輸(讀/寫)也就能以大能量進行。
此外，有優點的是，不使用通常所使用的振幅調製，因為在信息載體形式的數據存儲器、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的，也總將導致不需要的振幅調製。
由現有技術所指出的使用工作在高頻區的天線線圈傳輸能量及數據是相對易受幹擾的，因為通過另外發送器的信息傳輸會引起高次諧波及幹擾。關於幹擾電平規程及距離的法律條款將進一步導致對設計的明顯限制。
因為無接觸的信息及能量傳輸裝置通常涉及一種傳輸系統，故數據存儲器被看作是位置可變化的裝置。相反地，數據讀裝置及所屬的用於能量傳輸的振蕩迴路被看作是位置固定的。因此數據存儲器通過感應被供給其必要能量。對數據存儲器的數據傳輸通過電容來實現，這是通過能量的傳輸的頻率調製來形成的。同時使用一個時鐘信號作為數據讀出的同步信號。
本發明確定了一種全雙工傳輸方法，其形式是同時地持續發送或傳輸能量及數據。在此情況下，將電能發送並在另一側進行整流。數據的發送通過頻率偏移來實現，在電容被接通的時刻，頻率將強制地被降低。
以下將藉助於概要圖示的可能實施例對本發明作詳細說明，附圖為

圖1具有數據讀裝置及能量發生器的數據存儲器的電路框圖；圖2具有數據讀裝置及振蕩迴路的邏輯單元；圖3數據存儲器；圖4具有移相器的圖2的單元；圖5在數據讀裝置內的電壓波形；圖6在數據讀裝置內的電壓波形；圖7在數據讀裝置內的電壓波形；
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上的電壓波形；圖10對圖9波形相移90°的電壓波形；圖11脈衝頻率；圖12讀出站上的脈衝頻率；圖13從數據存儲器到數據讀裝置的數據接收。
如在圖1中電路框圖所示，用於無接觸的信息及能量傳輸的裝置基本上由一個數據存儲器1、一個振蕩迴路3、一個數據讀裝置4及一個邏輯單元10組成。其中邏輯單元10不僅控制用於產生供給數據存儲器1的能量的振蕩迴路3，後者最好作為自控制串聯振蕩迴路構成，以保證在最大可能振蕩能量的情況下最佳的數據傳輸，而且同時控制數據讀裝置4。這些控制通過連接線8、9來表示。振蕩迴路3的能量將通過電感耦合元件2、5傳送給數據存儲器。相反地，數據讀裝置裝有電容器板6、11，它們以這樣的方式對應於數據存儲器1方面所屬的電容器板7，12，即不僅能讀出數據而且能寫入數據。邏輯部分10及振蕩迴路3、數據讀裝置4以及相應的電感耦合元件5和電容器板6、11一起可被看作發送站，它是固定的。相反地，數據存儲器1是位置可變的，並根據由結構確定的距離，當小於一確定距離時將與發送站可進行通信。
為了能傳輸能量，必須具有振蕩迴路，它呈相應高電阻地被供電。屬於現有技術的並聯振蕩迴路作為阻塞振蕩迴路工作，它具有不能傳輸足夠能量的缺點，因此使用了串聯振蕩迴路3，它以這樣的形式工作，即在對方側，就是在數據存儲器1側同樣具有一個振蕩迴路，後者以相同的諧振頻率振蕩。在此情況下將感應出相應電流，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恆定，則在發送站側回收必要的能量。當該振蕩迴路失調或受負荷時，即以另外的頻率如以較低頻率的負荷振蕩時，則產生相反的效應，雖然能量傳輸下降，但不會中斷。該屬於現有技術的方案將會導致，在電感耦合的情況下，相應的電容短時地短路並由此在該時刻能量不能被傳送。根據本發明的構思將能消除該缺點，這時將通過邏輯單元10經連接線44控制一個FET電晶體41。該電晶體通過一根連接線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與一驅動器30相連接，並同時經由連接線36與數據讀裝置4內的一個模擬開關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的開關過程。比較器32的輸出端32將改變其狀態，其結果是，該電壓躍變通過驅動器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63上的曲線波形，其中該曲線以及下述的曲線，將坐標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)，它具有在峰值點上的躍變，該躍變通過邏輯單元10的開關過程產生，後者的波形表示在圖11上並傳送到測量點66上。在圖9上測量點64上的波形表現為圖8中波形的鏡象，在該波形中未包含在峰點上具有的躍變。通過電阻37及電容38的RC組合產生一相移，它被表示在圖10中。對此的測量點是點65。
數據的發送通過頻率偏移來實現，即，在電容器40通過FET電晶體41接通的時刻，使振蕩迴路的頻率變低。
由電感耦合元件5傳送的能量被數據存儲器1的電感耦合元件2接收。電容器13與電感耦合元件2相併聯。通過電感耦合元件2接收的能量將在整流器14中被整流並用來對在該數據存儲器1中設有的元件進行供電。該數據存儲器1基本上由一個控制器16組成，該控制器通過連接線19由一頻率調製器15發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器18，後者通過連接線20、17、22一方面與頻率調製器15相連接，並通過連接線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。
振蕩迴路3中形成的信號通過連接線36和模擬開關48及其觸頭45、47、49、50這樣地控制，即經由連接線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據存儲器1的電容器板7、12。當數據位變化時，將通過XOR23達到實際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衝，在圖13上表示的該脈衝是在數據讀裝置4中測量點68上測出的。它將引起，電流總是在陡沿上被觸發，並同時由該信號使模擬開關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使信息繼續傳送到比較器58。同樣，比較器58的第二輸入端經連接線56接受模擬開關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(數據)中的噪聲。帶通濾波器59的輸出端與施密特觸發器60相連接，後者的輸出端經過連接線61與邏輯單元10相連接。同時，邏輯單元10經過連接線52與設在模擬開關48的觸頭50之間的門51，並經由連接線53相連接。通過該門51使連接線36上的並經由振蕩迴路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。該信號的測量點是69。在帶通濾波器59的輸出端的測量點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上形成針狀脈衝。該針脈衝將在施密特觸發器60中被轉換成相應的信息，該信息在測量點71上測出並表示在圖7上。
在該系統中視耦合強度而定基本時鐘將發生相移，因此有必要如圖4所示地，在振蕩迴路3及數據讀裝置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並由此對模擬開關48進行控制，即如果數據讀出有錯，移相器62將一直被中間接入，直至通過移相使數據傳輸又自動地被平衡。
權利要求
1.用於無接觸地傳輸信息及能量的裝置，尤其用於無自帶電源的、無線地工作的數據存儲器，它具有數據讀裝置形式的所屬供電控制單元，其中設有電容耦合元件，其中在不中斷能量傳送的同時執行數據傳輸，其特徵在於數據存儲器(1)經過電感耦合元件(2、5)被供給必要的能量，並同時地通過電容耦合元件使用頻率調製對數據存儲器(1)進行數據傳輸。
2.根據權利要求1的裝置，其特徵在於該數據傳輸包括全雙工數據傳輸。
3.根據權利要求1或2的裝置，其特徵在於對於能量傳輸使用自控串聯振蕩迴路(3)。
4.根據權利要求1及2的裝置，其特徵在於數據傳輸通過各屬於數據讀裝置(4)及數據存儲器(1)的兩個電容器的極板對(6、7、11、12)來實現。
5.根據權利要求1及4的裝置，其特徵在於一個發生器產生頻率調製的交變電壓信號，它通過電感耦合元件(2，5)傳送到數據存儲器(1)，並在那裡被整流，及在數據讀裝置(4)中由傳送的交變電壓信號構成用於數據傳送的一個時鐘信號。
6.根據權利要求5的裝置，其特徵在於由該時鐘信號通過頻率調製得到向數據存儲器(1)傳送的位模式信號，並同時控制從存儲單元待輸出的數據位模式的輸出及用來構成數據傳輸信號。
7.根據以上權利要求中一項或多項的裝置，其特徵在於數據讀裝置(4)由邏輯組件與一個E2-Prom的連接構成。
8.根據以上權利要求中一項或多項的裝置，其特徵在於在數據讀裝置(4)中設有一個E2-Prom，它對供給電能的過零時間點進行測量。
9.根據以上權利要求中一項或多項的裝置，其特徵在於在串聯振蕩迴路(3)及數據讀裝置(4)之間連接有一個移相器(62)。
10.根據權利要求9的裝置，其特徵在於移相器(62)被邏輯單元(10)控制。
全文摘要
本發明涉及一種對無線地工作的、無自帶電源的數據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,以電感應及電容耦合方式在不中斷供電的情況下同時地進行寫及讀的全雙工數據傳輸。
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 優先權日1997年2月13日
發明者沃爾夫岡·沃斯 申請人:道爾瑪有限公司和兩合公司