DE69729865T2

DE69729865T2 - Kontaktloses datenaustauschsystem zwischen einem leser und ferngespeisten tragbaren gegenständen

Info

Publication number: DE69729865T2
Application number: DE69729865T
Authority: DE
Inventors: Frederic Wehowski
Original assignee: Regie Autonome des Transports Parisiens
Current assignee: Regie Autonome des Transports Parisiens
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: EA001384B1; CN1214136A; AR010756A1; AU5487998A; AU5327398A; DE69729865D1; FR2756953B1; CN1214135A; KR19990082449A; JP2006319991A; AU729625B2; DK0901670T3; ATE271242T1; US6636146B1; BR9707629A; IL125714A0; CN1150488C; EA199800709A1; HK1018830A1; WO1998026370A1

Description

Die Erfindung betrifft kontaktlose Kommunikationstechniken zwischen einem tragbaren Objekt und einem Leser.
Der kontaktlose Austausch von Daten ist wohlbekannt; unter den Anwendungen dieser Technik befinden sich – in nicht-beschränkender Weise – die Zugangskontrolle, die elektronische Bezahlung (Anwendung vom Typ "elektronisches Portemonnaie") und die Ferngebührenerhebung, z. B. für den Zugang und die Gebührenerhebung für öffentliche Verkehrsmittel.
In diesem letzten Beispiel ist jeder Benutzer mit einem tragbaren Objekt vom Typ "kontaktlose Karte" oder "kontaktloser Anstecker" ausgestattet, welche ein Objekt ist, das im Stande ist, die Information mit einem festen (oder eventuell mobilen) "Leser" auszutauschen, indem der Anstecker selbst daran angenähert wird, um eine wechselseitige nicht-galvanische Kopplung zu erlauben ("Leser" bzw. Anschlussklemme wird der in der vorliegenden Beschreibung benutzte Begriff sein, um das Endgerät zu bezeichnen, das Daten aussendet/empfängt, das geeignet ist, mit den tragbaren Objekten zusammenzuwirken).
Genauer wird die Kopplung realisiert, indem ein Magnetfeld variiert wird, das durch eine Induktionsspule produziert wird (die Technik ist unter dem Namen "Induktionsverfahren" bekannt). Der Leser weist zu diesem Zweck eine induktive Schaltung auf, die durch ein wechselndes Signal angeregt wird, die in dem umgebenden Raum ein wechselndes Magnetfeld produziert. Das tragbare Objekt, das sich in diesem Raum befindet, detektiert dieses Feld und moduliert seinerseits die Ladung des tragbaren Objekts, das mit dem Leser gekoppelt ist; diese Variation wird durch den Leser detektiert, wodurch so die gewünschte bidirektionale Kommunikation hergestellt wird.
wird durch den Leser detektiert, wodurch so die gewünschte bidirektionale Kommunikation hergestellt wird.
Die Erfindung zielt insbesondere auf den bestimmten Fall, in welchem das tragbare Objekt ein fernversorgtes tragbares Objekt ist, d. h., dass es seine Versorgung aus der magnetischen Energie bezieht, die durch den Leser emittiert wird, genauer, in dem Fall, wo diese Fernversorgungsenergie durch das tragbare Objekt mittels der gleichen Spule empfangen wird, wie derjenigen, die für die Kommunikationsfunktion benutzt wird.
Die Erfindung zielt gleichfalls auf den Fall, in dem ferner die Informationen von dem Leser zu dem tragbaren Objekt über Amplitudenmodulation übertragen werden; das tragbare Objekt weist daher Mittel zur Demodulation der Amplitude des Signals auf, das durch die Spule aufgenommen wird.
US-A-4,650,981 beschreibt ein kontaktloses Kommunikationssystem von diesem Typ, in welchem das tragbare Objekt in den Luftspalt einer magnetischen Schaltung des Lesers platziert wird, wobei die Kopplung realisiert wird, wenn der Benutzer das tragbare Objekt in einen Leseschlitz des Lesers einführt. Die Spule des tragbaren Objekts platziert sich dann in dem Magnetschaltkreis des Lesers, was erlaubt, die erwünschte Kopplung zu gewährleisten, mit bidirektionaler Übertragung von Informationen zwischen Leser und tragbarem Objekt und Fernversorgung des tragbaren Objekts durch magnetische Energie, die durch den Leser produziert wird. Das tragbare Objekt weist zu diesem Zweck eine einzelne Spule auf, die das Magnetfeld erfasst, das von dem Leser herrührt und Konvertierungsmitteln zugeordnet ist (Gleichrichtung und Filterung), die erlauben, eine kontinuierliche Versorgungsspannung zu produzieren, sowie die Mittel zur Demodulation der Amplitude, die stromabwärts der Konvertierungsmittel arbeiten, um den Informationsgehalt des durch den Leser ausgestrahlten Signals zu extrahieren.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist, eine Technik zum kontaktlosen Austausch von Daten vom zuvor zitierten Typ vorzuschlagen, die jedoch in einem Magnetfeld anwendbar ist, das in den freien Raum ausgestrahlt wird, d. h., wenn das tragbare Objekt einfach in einer vorherbestimmten Ausdehnung um die Spule des Lesers sich befindet, mit irgendeiner Ausdehnung und in einer variablen Distanz zu dieser Spule: es handelt sich darum, eine kontaktlose Kommunikation mit Lesern vom Typ "Freihand" herstellen zu können (z. B., durch Passieren eines Kontrollportals), oder mit Lesern, bei denen einfach von dem Benutzer verlangt wird, seinen Anstecker einer Leserzone von verminderter Größe zu nähern oder seinen Anstecker gegen diese zu drücken, aber mit einer beliebigen Ausrichtung und mit einer gewissen geometrischen Breite zwischen Leser und tragbarem Objekt. WO-A-89/05549 offenbart ein System von diesem Typ.
In einem derartigen Fall, weist die Fernversorgung indessen den Nachteil auf, vom umgebenden Magnetfeld abhängig zu sein, welches sehr erhebliche Variationen aufweisen kann, berücksichtigend die mehr oder weniger große Nähe zwischen Leser und tragbarem Objekt. Diese sehr erheblichen Variationen des Magnetfeldes bewirken, nach Gleichrichtung und Filterung, erhebliche Variationen der Versorgungsspannung für das tragbare Objekt, Variationen, bei denen es unabdingbar ist, sich ihrer mittels einer geeigneten Stabilisationsstufe zu entledigen.
Ein weiterer Nachteil der Fernversorgung besteht in der möglichen Interferenz zwischen den Variationen der Versorgungsspannung (auf Grund der Variation des mittleren Niveaus des Magnetfeldes abhängig von der Entfernung zwischen Objekt und Leser und von erratischen Variationen des verbrauchten Stroms) und der Modulation des Magnetfeldes, wenn diese Modulation eine Amplitudenmodulation ist: die parasitären oder zusätzlichen Variationen können so fälschlicher Weise wie eine Modulation des Signals interpretiert werden, mit der Konsequenz der Einführung von Fehlern in der Übertragung.
Umgekehrt, wenn es das Objekt ist, welches Signale zu dem Leser aussendet, impliziert die Modulation durch Variation der Ladung der zugehörigen Schaltung eine erzwungene Variation des durch das tragbare Objekt verbrauchten Stroms, was eine Rückwirkung auf die allgemeine Versorgung der Schaltungen des Objekts hat, und letzteres riskiert, während bestimmter Phasen der Modulation unterversorgt zu sein.
Wie man sieht, ist die Fernversorgung eines tragbaren Objekts durch ein Magnetfeld nicht frei von Nachteilen (diese Aspekte werden in der detaillierten Beschreibung ausführlich behandelt), was bis heute die Anwendung dieser Technik trotz ihrer Vorteile auf sehr spezifische Anwendungen limitiert oder beschränkt hat, z. B. wenn der Abstand zwischen Leser und Objekt gering und konstant ist, wie in dem Fall des zuvor zitierten US-A-4,650,981, was nicht allgemein der Fall bei Ferngebührenerhebungsanwendungen ist.
Die Erfindung hat zum Ziel, diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, indem ein System zur kontaktlosen Kommunikation zwischen einem Leser und einem fernversorgten tragbaren Objekt vorgeschlagen wird, welche eine Versorgung der elektronischen Schaltungen des Objekts in aller Sicherheit erlaubt, ohne Risiko von Interferenzen und mit einer optimalen Ausnutzung der von dem Leser empfangenen und durch das tragbare Objekt aufgenommenen Energie.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Kommunikation vom synchronen Typ zwischen Leser und tragbarem Objekt erlauben zu können, d. h. eine Kommunikation, in welcher das Funktionieren der Karte durch ein Taktsignal getaktet wird, das durch den Leser definiert wird. Diese Technik wird derzeit im Fall von Kontaktkarten (wobei die Norm ISO 7816-3 speziell eine Reihe von Kontakten für die Übertragung des Taktsignals im Fall einer synchronen Kommunikation vorsieht), wird jedoch wenig benutzt, trotz ihrer ersichtlichen Vorteile, im Fall von Systemen ohne Kontakt auf Grund der Schwierigkeit, die Informationen des Taktsignals vom Leser zum tragbaren Objekt zu übertragen.
Das System der Erfindung ist vom zuvor zitierten allgemeinen Typ, gelehrt durch die zuvor zitierte US-A-4,650,981, aufweisend die Elemente, welche durch den Oberbegriff von Anspruch 1 gelehrt werden.
Es ist gekennzeichnet durch die Elemente, die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannt sind.
Die Erfindung zielt gleichfalls auf das tragbare Objekt, das oben dargestellt wurde, wie in Anspruch 3 dargestellt. Verschiedene vorteilhafte untergeordnete Merkmale der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt.
Es wird nun im Detail ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen die gleichen numerischen Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente bezeichnen.
1 ist ein Blockschema eines Systems gemäß der Erfindung, in seinem allgemeinsten Aspekt, aufweisend einen Leser und ein tragbares Objekt im Feld dieses Lesers.
2 zeigt eine bestimmte Ausführung des tragbaren Objekts der 1.
3 detailliert die Regelungsschaltung des Schemas aus 2.
4 und 5 detaillieren, in zwei möglichen Varianten, die Demodulationsschaltung des Schemas aus 2.
6 ist ein detailliertes Ausführungsbeispiel der Demodulationsschaltung aus 5.
7 detailliert die Schaltung zum Extrahieren des Takts des Schemas aus 2.
8 ist eine Reihe von Chronogrammen, welche die Weise erklären, in der das tragbare Objekt fernversorgt wird und wie das Taktsignal extrahiert wird.
9 ist eine Reihe von Chronogrammen, welche die Übertragung von Informationen vom Leser zu dem Objekt erklären.
10 ist eine Reihe von Chronogrammen, welche die Übertragung von Informationen vom Objekt zu dem Leser erklären.
11 stellt die verschiedenen Kommutationen dar, die in einer gemischten Karte zwischen den beiden Funktionsmodi mit Kontakten/ohne Kontakte durchgeführt werden.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Systems der Erfindung unter Bezugnahme auf das Schema in 1 dargestellt. In diesem Schema bezeichnet das Bezugszeichen 100 einen Leser, der mit einem tragbaren Objekt 200 gekoppelt sein kann, das in seiner Nachbarschaft platziert ist.
Der Leser weist eine Sendespule 102 auf, welche, verbunden mit einem Kondensator wie etwa 104, eine abgestimmte Schaltung 106 bildet, die dazu bestimmt ist, ein moduliertes magnetisches Induktionsfeld zu bilden. Die Abstimmungsfrequenz der Schaltung 106 ist z. B. 13,56 MHz, wobei der Wert selbstverständlich in keiner Weise beschränkend ist, wobei diese besondere Wahl einfach auf Grund der Tatsache vorgenommen wurde, dass sie einem Wert entspricht, welcher durch die europäischen Normen für die Kommunikationsfunktionen und die Fernversorgung erlaubt ist. Ferner erlaubt dieser relativ hohe Wert, Schaltungen mit Spulen zu entwerfen, die wenig Windungen umfassen, daher leicht und preiswert zu realisieren sind.
Die abgestimmte Schaltung 106 wird ausgehend von einem Hochfrequenzoszillator mit stehender Welle 108 versorgt und, für die Modulation, von einer Mischstufe 110, die durch die zu emittierenden Signale TXD gesteuert wird, die von einem digitalen Schaltkreis 112 ausgehen. Das Funktionieren des Schaltkreises 112 und insbesondere die Reihenfolge der TXD-Signale wird über einen Schaltkreis 114 getaktet, der ein Taktsignal CLK erzeugt.
Die Empfangsstufen, welche die empfangenen RXD-Daten des Signals extrahieren, das an den Anschlüssen der Spule 102 abgegriffen wurde, weisen einen Hochfrequenz-Demodulationsschaltkreis 116 auf, sowie einen Hilfsträger-Demodulationsschaltkreis 118, wenn man sich entschieden hat, wie weiter unten dargestellt wird, eine Hilfsträger-Modulation in der Richtung tragbares Objekt → Leser zu verwenden (wobei diese Technik selbstverständlich in keiner Weise beschränkend ist, wobei die Modulation sich gleichfalls im Basisband ereignen kann).
Das tragbare Objekt 200 weist, was es angeht, eine Spule 202 auf, die mit einem elektronischen Schaltkreis 204 zusammenwirkt, welcher vorteilhafter Weise in vollständig integrierter, monolithischer Technik realisiert wird, um über ein Objekt von kleinen Ausmaßen zu verfügen, typischerweise im Format „Kreditkarte"; die Spule 202 ist z. B. eine aufgedruckte Spule und die Gesamtheit der Schaltkreise 204 wird hergestellt in Form eines anwendungsspezifischen Schaltkreises (ASIC).
Die Spule 202 bildet mit einem Kondensator 206 einen Resonanzschaltkreis 208, der auf eine gegebene Frequenz abgestimmt ist (z. B. 13,56 MHz), was den bidirektionalen Austausch von Daten mit dem Leser durch die „durch Induktion" genannte Technik ermöglicht, sowie die Fernversorgung durch das Magnetfeld, das durch die Spule 202 eingefangen wird, d. h. die gleiche Spule, wie diejenige, die dem Austausch von Informationen dient.
Die an den Anschlüssen des abgestimmten Schaltkreises 208 empfangene Wechselspannung a wird in eine Gleichrichtungstufe mit einfacher oder doppelter Halbperiode 210 eingespeist, dann in eine Filterstufe 212, um eine gefilterte, gleichgerichtete Spannung b zu ergeben.
Das tragbare Element weist gleichfalls eine Stufe zur Digitalisierung 214 auf, typischerweise realisiert ausgehend von einem Mikroprozessor, Speichern RAM, ROM und EPROM und Schnittstellenschaltkreisen.
Stromabwärts der Stufen zur Gleichrichtung 210 und zur Filterung 212 sind parallel eine bestimmte Anzahl von spezifischen Stufen montiert, umfassend:

– eine Regelungsstufe 216, welche die Spannung stabilisiert, die am Ausgang eine kontinuierliche Spannung ergibt, gleichgerichtet, gebildet und stabilisiert d, eingespeist insbesondere in den positiven Versorgungsanschluss VCC des digitalen Schaltkreises 214, dessen weiterer Versorgungsanschluss die Masse GND ist.
– diese Stabilisationsstufe 216 kann ein Spannungsstabilisator vom klassischen Typ sein oder, als Variante (jedoch nicht in beschränkender Weise) ein spezifischer Schaltkreis, der in der Folge unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben werden wird.
– eine Demodulationsstufe 218, die am Eingang das Signal b empfängt und am Ausgang ein demoduliertes Signal e liefert, das an den Dateneingang RXD des digitalen Schaltkreises 214 angelegt wird.
– dieser Demodulator kann insbesondere ein Demodulator zur Detektion der Variation der Amplitude und/oder mit variabler Schwelle sein, wie in größerem Detail weiter unten unter Bezugnahme auf 4, 5 und 6 beschrieben werden wird.
– eine Stufe zur Extraktion des Takts 220, die am Eingang das Signal a empfängt, das an den Anschlüssen des abgestimmten Schaltkreises 208 empfangen wird und am Ausgang ein Signal c liefert, das an den Takteingang CLK des digitalen Schaltkreises 214 angelegt wird. Die Stufe zur Extraktion des Takts 220 kann entweder stromaufwärts der Gleichrichtungsstufen 210 und der Filterung 212 platziert sein, wie dargestellt, oder stromabwärts dieser Stufen, d. h. auf dem Signal b anstatt des Signals a arbeiten; diese letztere Variante ist indes weniger vorteilhaft, in dem Maß, in dem die Vorrichtung zum Extrahieren des Takts eine größere Sensibilität aufweisen muss, um die Glättung des Signals, die durch Filterung eingeführt wird, zu kompensieren.
– eine Modulationsstufe 222, die arbeitet, in an sich bekannter Weise, durch „Ladungsmodulation", wobei die Technik darin besteht, in kontrollierter Weise den durch den abgestimmten Schaltkreis 208 verbrauchten Strom zu variieren, der in dem umgebenden magnetischen Feld liegt, das durch den Leser erzeugt wird.

Dieser Modulationsschaltkreis 222 weist ein resistives Element 224 auf, (Anbauwiderstand oder, in monolithischer Technologie, Bauteil vom Typ MOS ohne Gate, das als Widerstand dient) in Reihe mit einem Kommutationselement 226 (MOS-Transistor), gesteuert durch das Modulationssignal f, das am Ausgang TXD des digitalen Schaltkreises 214 vorhanden ist. Als Variante kann die Modulationsstufe 222, anstatt stromabwärts der Schaltungen zur Gleichrichtung 210 und zur Filterung 212 platziert zu sein, gleichfalls stromaufwärts dieser Schaltungen platziert sein, wie bei 222' in 1 dargestellt, d. h. direkt an den Anschlüssen des Schwingkreises 208.
Die so vorgeschlagene allgemeine Struktur, in der die Demodulationsstufe 218 stromabwärts der Stufen zur Gleichrichtung 210 und zur Filterung 212 liegt, weist den Vorteil auf, weniger sensibel gegenüber unmittelbaren Variationen des Signals zu sein.
Tatsächlich, im Fall eines fernversorgten tragbaren Objekts, erlaubt die Tatsache des Ausführens der Demodulation auf einem gleichgerichteten und gefilterten Signal, die Wirkungen der unmittelbaren Variationen der Versorgungsenergie im Verlauf eines Oszillationszyklus zu reduzieren.
Dieser Aspekt wird besser verstanden werden, wenn das detaillierte Funktionierten des Demodulators dargestellt wird, unter Bezugnahme insbesondere auf die Chronogramme in 8.
Es werden nun beschrieben, unter Bezugnahme auf 2, eine bestimmte Ausführungsform der Struktur der 1, die insbesondere gekennzeichnet ist durch eine bestimmte Struktur, die der Regelungsstufe 216 gegeben wird, die, wie im Folgenden mehr im Detail beschrieben werden wird, eine Stufe vom Typ „Shunt-Regler" ist, mit einem Shunt-Bauteil 228, das dazu dient, in kontrollierter Weise den Versorgungsstrom des digitalen Schaltkreises 214 abzuleiten, der daher parallel zwischen den Anschlüssen VCC und der Masse GND montiert ist, in Reihe kombiniert mit einem resistiven Element 230, das auf der Versorgungsleitung VCC stromaufwärts des Regelungsbauteils 228 platziert ist.
Der Shunt 228 kann vorteilhafterweise eine Zener-Diode sein oder, vorzugsweise, ein Modul- oder integriertes Bauteil, das funktional äquivalent mit einer Zener-Diode ist, z. B. ein Bauteil der Serie LM185/LM285/LM385 der National Semiconductor Corporation, das ein Bauteil ist, das eine Spannungsreferenz bildet (feste Spannung oder anpassbar, je nach Fall), mit einem Polarisationsstrom von lediglich 20 μA, einer sehr schwachen dynamischen Impedanz und einem Bereich von Betriebsströmen, der von 20 μA bis 20 mA geht. Das Bauteil 228 kann gleichfalls ein monolithisches Element sein, integriert auf dem ASIC, eines derartigen Spannungsreferenzbauteils.
3 beschreibt eine bestimmte Ausführung dieses Schaltkreises 216, mit einem Bauteil vom oben beschriebenen Typ, dessen Spannungsreferenzeingang 234 auf einen vorherbestimmten Wert polarisiert wird durch eine Teilerbrücke 236, 238, die zwischen VCC und der Masse montiert ist.
Das resistive Element 230 kann ein Steckwiderstand sein oder, vorteilhafterweise, ein integriertes monolithisches Bauteil, z. B. (wie für das Bauteil 224) ein MOS-Element, das als Widerstand dient.
Vorteilhafterweise ist ferner ein Kommutationsbauteil vorgesehen, wie etwa ein MOS-Transistor 240, der leitend gehalten wird im normalen Betrieb durch Anlegen eines Signals INH/am Gate. Dieser Transistor kann kippen gelassen werden in den blockierten Zustand durch Anlegen eines einfachen Steuersignals INH (insbesondere eines Logikbefehls, der vom Berechnungsschaltkreis 214 ausgeht), welcher als Wirkung besitzt, das Funktionieren des Shunt-Reglers zu hemmen, wobei der Schaltkreis sich dann verhält, als sei er weggelassen worden.
Diese Möglichkeit zur Hemmung des Shunt-Reglers kann insbesondere benutzt werden, wenn man den Mikroprozessor mit einer erhöhten Spannung versorgen will, ohne Risiko, die Regelstufe zu zerstören.
Dieser Fall ergibt sich insbesondere für die Notwendigkeiten eines Tests, oder wenn man in Präsenz eines gemischten tragbaren Objekts ist, das wahlweise im „kontaktlosen" Modus (mit Inbetriebnahme des Reglers) oder im Modus „mit Kontakten" (mit Hemmung des Reglers) benutzt werden kann, wobei die regulierte Versorgungsspannung im letzteren Fall direkt auf einen der Kontakte des tragbaren Objekts angelegt wird, ohne dass Bedarf bestünde, zu einer spezifischen Regelung überzugehen, wie im Fall der Fernversorgung.
Es wird nun im Detail die Demodulationsstufe der Amplitude 218 beschrieben werden, unter Bezugnahme auf 4 bis 6.
Dieser Amplituden-Demodulator ist ein Schaltkreis, der imstande ist, modulierte Signale mit einer geringen Modulationstiefe zu verarbeiten. Unter „geringer Modulationstiefe" oder „schwacher Modulation" wird eine Modulation verstanden werden, deren Niveaus typischerweise kleiner oder gleich 50% sind, vorzugswei se kleiner 20%, wobei die „Niveaus" definiert werden als das Verhältnis (A_max – A_min)/(A_max + A_min) der maximalen Niveaus A_max und minimalen A_min der Amplitude des betrachteten Signals.
Tatsächlich ist es, im besonderen Kontext eines fernversorgten tragbaren Objekts, vorteilhaft, berücksichtigend die Energiebeschränkungen, ein schwaches Modulationsniveau zu benutzen, um über genügend Energie zu verfügen während der Periode, in der die Modulation im niedrigen Zustand ist, da, aufgrund der Amplituden-Modulation, das augenblickliche Energieniveau, das dem tragbaren Objekt zugeführt wird, direkt mit dem Modulationsniveau variiert.
4 stellt eine erste mögliche Ausführungsvariante dar, in welcher der Demodulator ein Demodulator mit variabler Schwelle ist, adaptiv.
Der Schaltkreis weist, nach einer optionalen Tiefpassfilterstufe 242, einen Komparator 244 auf, vorzugsweise mit Hysteresis, dessen positiver Eingang das Signal b empfängt, das zu demodulieren ist (gegebenenfalls gefiltert durch die Stufe 242) und dessen negativer Eingang das gleiche Signal b empfängt, aber nach Durchqueren einer Stufe RC 246, 248, welche als Integrator dient. Der Vergleich vollzieht sich so zwischen einerseits dem augenblicklichen Wert des Signals und andererseits einem Mittelwert dieses Signals, das den variablen Vergleichschwellwert bildet.
Die 5 stellt eine zweite mögliche Ausführungsvariante des Demodulators 218 dar, der in diesem Fall ein Demodulator ist, der empfindlich gegenüber Amplitudenvariationen ist.
Nach der optionalen Tiefpassfilterungsstufe 242 wird das Signal b an eine CR-Stufe 250, 252 angelegt, welche die Rolle eines Differenzierers spielt. Das Signal am Ausgang wird an den positiven Anschluss des Komparators 244 angelegt (hier auch vorzugsweise mit Hysterese), dessen negativer Eingang mit einem festen Potential verbunden ist, z. B. der Masse. In diesem Fall ist der Demodulator empfindlich gegenüber Variationen der Amplitude (aufgrund der Ableitungsstufe), unabhängig von dem Mittelwert des Signals; es sind nur die Variationen dieses Mittelwerts, welche der Komparator detektiert.
6 gibt ein detailliertes Ausführungsbeispiel eines derartigen Modulationsschaltkreises zur Detektion von Amplitudenvariationen. Außer dem Tiefpassfilter 242, der aus dem Widerstand 252 und dem Kondensator 254 gebildet wird, findet sich der serielle Kondensator 250, der die Funktion des Ableiters in Kombination mit den Widerständen 256 bis 264 hat. Das so differenzierte Signal wird an zwei symmetrische Komparatoren 244, 266 angelegt, deren Ausgänge auf zwei Kippgliedern 268, 270 agieren, die als Flip-Flop montiert sind, um zwei symmetrische Signale RXD und RXD/ zu produzieren, die in geeignete Wellenform gebracht sind.
7 stellt ein Ausführungsbeispiel des Schaltkreises zum Extrahieren und Detektieren des Takts 220 dar.
Dieser Schaltkreis empfängt am Eingang ein an den Anschlüssen des Resonanzschaltkreises 208 abgenommenes und an zwei Differentialeingänge eines Hysterese-Komparators 272 angelegtes Signal, welcher das Taktsignal CLK liefert. Das Taktsignal wird gleichfalls an die beiden Eingänge eines EXKLUSIV-ODER-Gatters 274 angelegt, direkt an einen der Eingänge, und über einen RC-Schaltkreis 276, 278 an den anderen Eingang. Dieser RC-Schaltkreis, der eine Verzögerung in die Übertragung eines erfassten Signals einführt, wird mit einer Zeitkonstante in der Ordnung von 1/4f_CLK gewählt (wobei f_CLK die Taktfrequenz ist, die durch den Schaltkreis 108 des Lesers 100 erzeugt wird). Das Ausgangssignal des Gatters 274 wird dann gemittelt durch einen RC-Schaltkreis 280, 282, dessen Zeitkonstante viel größer als ½.f_CLK ist (vorzugsweise in der Ordnung von 1/f_CLK), dann an einen der Eingänge eines Komparators 284 angelegt, zum Vergleich mit einem festen Schwellwert S.
Das Taktsignal CLK erlaubt die geeignete Taktung des digitalen Verarbeitungsschaltkreises 214, während der Ausgang des Komparators 284 ein Signal PRSCLK ergibt, welches das Vorhandensein oder nicht eines Taktsignals anzeigt.
Im Fall einer gemischten Karte, die imstande ist, unterschiedslos im „kontaktlosen" Modus oder im Modus „mit Kontakten" zu funktionieren, ist das Signal PRSCLK des Vorhandenseins/der Abwesenheit des Taktsignals vorteilhafterweise benutzt zum Signalisieren gegenüber dem digitalen Schaltkreis, dass das tragbare Objekt sich in der Umgebung des „kontaktlosen" Typs befindet und entsprechende Abläufe zu entscheiden, wie die Auswahl des geeigneten Kommunikationsprotokolls, Aktivierung des Shunt-Reglers, wobei PRSCLK benutzt wird zum Produzieren von INH/(siehe Beschreibung unten, unter Bezugnahme auf 3) etc.
11 stellt im Detail die verschiedenen Kommutationen dar, die so automatisch zwischen den Modi „kontaktlos" und „mit Kontakt" ausgeführt werden. Die Kontakte 286 sind die Kontakte CLK (Takt), GND (Masse), I/O (Daten), VCC (Versorgung) und RST/(Rücksetzen auf 0) der Norm ISO 7816-3, auf welche sich für genaue Details bezogen wird. Die verschiedenen Unterbrecher 288 bis 296 sind alle in Position „mit Kontakten" (Bezugszeichen ,0'), Standardpositionen, wobei ihr Kippen zur Position „kontaktlos" (mit ,1' bezeichnet) gesteuert wird durch das Signal PRSCLK, das durch den Schaltkreis 220 geliefert wird, welches das Vorhandensein eines Taktsignals anzeigt, das von den Mitteln zur Gleichrichtung und zur Filterung herrührt.
Die Extraktion eines Taktsignals ist gleichfalls besonders vorteilhaft, wenn man eine Modulation nicht im Basisband zu realisieren wünscht, aber eine Hilfsträger-Modulation, da die Hilfsträgermodulation leicht erzeugt werden kann durch Division der Taktfrequenz. Der digitale Schaltkreis 214 fügt daher den so erzeugten Hilfsträger den zu übertragenden Daten hinzu, um das Signal TXD zu produzieren, das in die Schaltung zur Modulation der Ladung 222 eingespeist wird.
Es wird nun das Funktionieren des tragbaren Objekts beschrieben, unter Bezugnahme auf die Chronogramme der 8 bis 10.
Zunächst wird erklärt, unter Bezugnahme auf die Chronogramme der 8, die Weise, in welcher das Objekt versorgt wird und in welcher er das Taktsignal wiedergewinnt.
Die angepasste Schaltung erfasst einen Teil der durch den Leser produzierten magnetischen Energie. Das entsprechende wechselnde Signal a, dargestellt in 8, wird gleichgerichtet durch den Block 210 und gefiltert durch den Kondensator 212, um eine gleichgerichtete gefilterte Spannung b zu ergeben, die in 8 dargestellt ist. Für ein wechselndes Signal a mit einer Spitzenspannung von 10 V erhält man so eine gleichgerichtete und gefilterte Spannung mit einer Spitzenspannung in der Ordnung von 8,5 V. Selbstverständlich hängt die Amplitude der Spannung a, und daher der Spannung b, viel von dem Abstand zwischen dem Objekt und dem Leser ab, wobei die Amplitude umso größer ist, je mehr das Objekt nahe dem Leser ist. Die Regelungsstufe 216 greift ein, um diese Variationen zu kompensieren, indem in den digitalen Schaltkreis 214 eine stabile Spannung eingespeist wird, typischerweise in der Ordnung von 3 V (Chronogramm d in 8).
So wird, wenn man sich weit genug weg von dem Leser befindet, fast an der Grenze der Reichweite, die Spannung an b nahe genug an dem erforderlichen Wert von 3 V sein, der Spannungsabfall zwischen b und d wird schwach sein, der Strom, der den Shunt 228 durchquert wird ebenfalls sehr schwach sein und die Quasi-Gesamtheit des durch die Versorgungsschaltung gelieferten Stroms wird dazu dienen, den digitalen Schaltkreis 214 zu versorgen. Man wird bemerken, dass in diesem Fall der Strom, welcher den Shunt 228 durchquert, so schwach wie nur einige Mikroampere sein kann (minimaler Polarisationsstrom).
Umgekehrt wird, wenn das Objekt sehr nah an dem Leser ist, die Spannung an b erhöht sein, die Potentialdifferenz zwischen b und d gleichfalls erheblich (mehrere Volt) und der Strom, welcher den Shunt 228 durchquert, wird erhöht sein, wobei das resistive Element 230 und der Shunt 228 dann die überschüssige Energie dissipieren.
Außer der rein elektrischen Rolle der Stabilisierung der Versorgung des digitalen Schaltkreises 214 verschafft die Shunt-Regelungsstufe mehrere Vorteile im Rahmen der Schaltung, die beschrieben wurde.
Zunächst erlaubt sie, die Spannungsabweichung an b, daher an a, zu begrenzen, wenn das Objekt nahe dem Leser ist, aufgrund der schwachen Ladung, die stromabwärts des abgestimmten Schaltkreises 208 vorhanden ist: aufgrund des erheblichen Stroms, der im Shunt 228 zirkuliert, wird die empfangene Leistung, die für das Funktionieren des digitalen Schaltkreises 214 nicht notwendig ist, vollständig als Wärme dissipiert.
Dies ist insbesondere interessant, wenn der Kondensator 206 des abgestimmten Schaltkreises 208 ein Element ist, das in integrierter monolithischer Technologie realisiert ist, da so die Risiken des Durchschlagens aufgrund von Überspannung vermieden werden. Tatsächlich ist es, mit Rücksicht auf die geometrischen Beschränkungen des integrierten Schaltkreises, nicht möglich, Kondensatoren zu realisieren, die erhöhte Durchschlagsspannungen aufweisen. Nun aber benötigt der digitale Schaltkreis 214, der um einen Mikroprozessor herum gebaut ist, für seine Versorgung eine relativ erhebliche Leistung, daher eine hinreichend hohe Stärke des Magnetfeldes, welche Überspannungen in dem abgestimmten Schaltkreis erzeugen kann, wenn die dargestellten Vorsichtsmaßnahmen nicht getroffen worden wären.
Zweitens hat, wie im folgenden im Detail erklärt werden wird, der Shunt-Regler zur Wirkung, die augenblicklichen Variationen des Versorgungsstroms des digitalen Schaltkreises zu glätten (der Verbrauch eines derartigen Schaltkreises ist tatsächlich nicht konstant) und ihre Auswirkungen auf das Funktionieren der anderen Elemente des Schaltkreises zu vermeiden, sowohl für die Kommunikation des Objekts zu dem Leser, wie auch des Lesers zu dem Objekt; tatsächlich könnten unerwünschte Variationen des Stroms oder der Spannung Fehler der Modulation oder der Demodulation einführen.
Schließlich erlaubt, in dem Fall, in dem das Objekt an der Grenze der Reichweite des Lesers ist und in dem es daher ein Signal empfängt, das gerade ausreicht zur Versorgung des digitalen Schaltkreises, die Konzeption der Schaltung, jede Verschwendung von Energie zu vermeiden, da der Strom in dem Shunt 228 praktisch 0 ist. So kann die gesamte verfügbare Energie, die durch den abgestimmten Schaltkreis aufgenommen wurde, benutzt werden, um den digitalen Schaltkreis funktionieren zu lassen.
Was das Taktsignal betrifft, erlaubt der Schaltkreis zum Extrahieren des Taktsignals 220, das wechselnde Signal a zu transformieren, das an den Anschlüssen des abgestimmten Schaltkreises 208 aufgenommen wurde, in eine Reihe c von perfekt kalibrierten Taktimpulsen.
Es wird nun die Weise beschrieben, in der die Informationen von dem Leser zu dem Objekt übertragen werden, unter Bezugnahme auf die Chronogramme in 9.
Um die Informationen zu dem Objekt zu übertragen, moduliert der Leser das Magnetfeld, welches er produziert, in der Amplitude. Da die Informationen binär sind, erschöpft sich diese Modulation darin, die Amplitude des Signals um eine vorherbestimmte Größe zu vermindern, z. B. um 10%. Eine derartige Verminde rung entspricht z. B. dem Senden einer logischen ,0', wobei die Amplitude maximal bleibt für eine logische ,1': siehe in 9 das Chronogramm a des Signals, das durch den angepassten Schaltkreis 208 aufgenommen wird.
Dies übersetzt sich nach Gleichrichtung und Filterung, an b, in eine Verminderung der Amplitude des gleichgerichteten und gefilterten Signals. Diese Verminderung der Amplitude wird durch den Amplituden-Demodulator 218 erfasst, der am Ausgang das logische Signal e liefert, das in den digitalen Schaltkreis eingespeist wird.
Man wird bemerken, dass die Verminderung der Amplitude, die aus der Modulation des Signals resultiert, welches durch den Leser gesendet wird, ohne Wirkung auf die Vorrichtung zum Extrahieren des Taktsignals (Signal c) und auf die Versorgungsspannung ist, die dem digitalen Schaltkreis zugeführt wird (Signal d).
Wenn andere Techniken als die Amplitudenmodulation verwendet würden in der Richung Leser → Objekt, z. B. eine Phasenmodulation, wie dies durch zahlreiche Dokumente des Standes der Technik gelehrt wird, wäre der Modulationstyp ohne direkten Einfluss auf das Funktionieren der Regelungsschaltung der Erfindung; jedoch ist dieser Schaltkreis besonders vorteilhaft im Fall einer Amplitudenmodulation, da, wie erklärt wurde, er erlaubt, den verschiedenen Nachteilen perfekt abzuhelfen, die mit der Wahl dieser Technik verbunden sind.
Es wird nun die Weise erklärt werden, in der die Informationen, umgekehrt vom Objekt zu dem Leser übertragen werden, unter Bezugnahme auf die Chronogramme der 10.
Wie weiter oben dargelegt wurde, wird in der dargestellten Ausführungsform über die Variation der Ladung vorgegangen, d. h. kontrollierte Variation des durch die angepasste Schaltung 208 verbrauchten Stroms. Hierzu wird selektiv, über das Bauteil 226, das resistive Element 224 kommutiert, wobei der Widerstand z. B. kommutiert wird, wenn das Objekt eine logische ,0' senden will und nicht kommutiert wird für eine logische ,1'.
Wenn der Widerstand kommutiert wird, d. h. für eine logische ,0', vermindert sich die Spannung a aufgrund der zusätzlichen Ladung. Die Stärke des Widerstandes ist selbstverständlich ausgewählt, damit dieser Spannungsabfall dennoch erlaubt, eine korrekte Versorgung des digitalen Schaltkreises zu behalten.
Man kann sich indessen mit einer Schwierigkeit konfrontiert sehen, wenn man an der Grenze der Reichweite des Lesers ist. Tatsächlich kann, in diesem Fall, der Strom, der in dem resistiven Element 224 abgeleitet werden muss, um die Modulation zu erzeugen, immer noch zu hoch für das angemessene Funktionieren des digitalen Schaltkreises sein.
In diesem Fall wird vorteilhaft vorgesehen, bevor das Objekt beginnt, Informationen zu dem Leser zu senden, den digitalen Schaltkreis in einen „Niederverbrauchs"-Modus zu versetzen, um mehr Strom in dem resistiven Element 224 verbrauchen zu können, ohne die Versorgung des digitalen Schaltkreises zu gefährden.
Dies kann z. B. verwirklicht werden durch das Programm des Mikroprozessors des digitalen Schaltkreises, welches, bevor es Daten zu dem Leser sendet, die Senderoutine im RAM ablegt (wo der Zugriff wenig Energie verbraucht) und schaltet den EPROM-Speicher ab (bei dem der Zugriff eine erheblich höhere Energie benötigt). Mit anderen Worten versetzt sich der digitale Schaltkreis in einen „Niedrigverbrauchs"-Modus, um über eine erhebliche Stromreserve zu verfügen, welche in dem Modulationswiderstand verbraucht werden wird für das Senden von Nachrichten zu dem Leser.
Außerdem wird, wenn man einen viel größeren Modulationsstrom durch das resistive Element 224 leiten kann (indem ein schwächerer Widerstandswert gewählt wird, die Modulation auf Seiten des Lesers besser gesehen werden, was erlauben wird, sich, für den Leser, mit weniger ausgeklügelten Detektionsmitteln zufrieden zu geben und/oder über ein besseres Signal-/Rauschverhältnis zu verfügen.
Es ist möglich, immer noch in der Richtung Objekt → Leser, andere Modulationstypen oder -varianten zu benutzen, z. B. wie weiter oben dargelegt, die Modulation eines Hilfsträgers, welche die Variation der Ladung steuert anstatt einer Modulation der Ladung direkt über das zu übertragende Signal.

Claims

System zum Austausch von Daten, umfassend: – mindestens eine Anschlussklemme (100), aufweisend: • einen abgestimmten Schwingkreis (106), der eine erste Spule (102) aufweist, welche geeignet ist, ein Magnetfeld in den freien Raum auszustrahlen, • Mittel zur Emission von Daten, die mit der ersten Spule zusammenwirken und Mittel zum Erzeugen eines Wechselstromsignals (108) und Mittel zum Modulieren einer Amplitude (110) aufweisen, und • Mittel zum Empfangen von Daten (118, 116), die mit der erste Spule zusammenwirken; und – mindestens ein tragbares Objekt (200), geeignet, um mit der Anschlussklemme zusammen zu wirken über kontaktlose Kommunikation und wobei dieses tragbare Objekt einen elektronischen Schaltkreis aufweist, welcher durch die Anschlussklemme ferngespeist wird, wobei der elektronische Schaltkreis aufweist: • einen abgestimmten Schwingkreis (208), der eine zweite Spule (202) aufweist, welche geeignet ist, mit dem modulierten Magnetfeld zu interagieren, das von der Anschlussklemme herrührt, um ein Signal des induzierten Magnetfeldes (a) aufzunehmen und als Antwort eine modulierte Störung des Magnetfeldes zu produzieren; • Umwandlungsmittel, die mit der zweiten Spule zusammenwirken, um das Signal des induzierten Magnetfeldes (a) in eine kontinuierliche Spannung (d) zur Versorgung des elektronischen Schaltkreises zu transformieren, wobei diese Umwandlungsmittel eine Entzerrungsstufe (210) und eine Filterstufe (212) aufweisen; • Mittel zum Aussenden und Mittel zum Empfangen von Daten, welche gleichfalls mit der zweiten Spule zusammenwirken, wobei die Empfangsmittel Mittel (218) zur Demodulation der Amplitude des durch die Spule aufgenommenen Signals umfassen, wobei diese Demodulationsmittel (218): – ein Signal (b) bearbeiten, welches von dem Ausgang der Stufen der Entzerrung (210) und der Filterung (212) geliefert wird, – und ein logisches Datensignal liefern (e); • und Rechner-Verarbeitungsmittel (214), wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass: – die kontaktlose Kommunikation eine Kommunikation ist, wo mindestens eine Funktion des tragbaren Objekts durch ein Taktsignal getaktet ist, welches über eine Distanz durch die Anschlussklemme produziert wird, – die Mittel zum Aussenden von Daten der Anschlussklemme einen Taktgenerator (108) umfassen, der geeignet ist, das Taktsignal zu erzeugen, – die Mittel zur Modulation der Amplitude der Anschlussklemme Mittel sind, die geeignet sind, eine Modulation des durch die Anschlussklemme ausgesendeten Magnetfeldes zu produzieren, mit einem Modulationsgrad kleiner oder gleich 50%, und – das tragbare Objekt Mittel zum Erfassen und Extrahieren des Takts (220) aufweist, geeignet, ein Signal (a; b) zu empfangen, das von dem abgestimmten Schaltkreis des tragbaren Objekts herrührt, und das Taktsignal (CLK) hieraus zu extrahieren, und dadurch, dass die Rechner-Verarbeitungsmittel (214) empfangen: – einerseits, das logische Datensignal (e), das durch die Mittel zur Demodulierung der Amplitude (218) geliefert wird, und – andererseits, das Taktsignal (CLK), das durch die Mittel zur Erfassung und Extrahierung des Takts (220) geliefert wird, für die Taktung der Rechner-Verarbeitungsmittel (214).
System gemäß Anspruch 1, in welchem der Modulationsgrad kleiner als 20% ist.
Tragbares Objekt (200) für die kontaktlose Kommunikation mit einer Anschlussklemme, wobei das tragbare Objekt einen durch die Anschlussklemme ferngespeisten elektronischen Schaltkreis aufweist, wobei der Schaltkreis aufweist: • einen abgestimmten Schwingkreis (208), der eine Spule (202) aufweist, die geeignet ist mit einem modulierten magnetischen Feld zu interagieren, das durch eine Anschlussklemme in den freien Raum ausgestrahlt wird, um ein Signal des induzierten Magnetfeldes (a) zu erfassen und in Antwort eine modulierte Störung des Magnetfeldes zu produzieren; • Konvertierungsmittel, die mit der Spule zusammenwirken, um das Signal des induzierten Magnetfeldes (a) in eine kontinuierliche Spannung (d) der Versorgung des elektronischen Schaltkreises umzuwandeln, wobei die Konvertierungsmittel eine Entzerrungsstufe (210) und eine Filterstufe (212) aufweisen; • Mittel zum Aussenden und Mittel zum Empfangen von Daten, die gleichfalls mit der Spule zusammenarbeiten, wobei die Empfangsmittel Mittel zur Modulation der Amplitude (218) des durch die Spule erfassten Signals umfassen, wobei die Mittel zur Demodulation (218): ein Signal (b) bearbeiten, das durch die Ausgänge der Stufen zur Entzerrung (210) und zur Filterung (212) geliefert wird, und ein logisches Datensignal (e) liefern; • und Rechner-Verarbeitungsmittel (214), wobei das tragbare Objekt dadurch gekennzeichnet ist, dass die Modulation des ausgesendeten Magnetfeldes durch die Anschlussklemme einen Modulationsgrad kleiner oder gleich 50% aufweist: – mindestens eine Funktion des tragbaren Objekts getaktet ist durch ein Taktsignal, welches über eine Distanz durch die Anschlussklemme produziert wird, und – das tragbare Objekt Mittel zur Erfassung und zum Extrahieren des Takts (220) aufweist, die geeignet sind, ein Signal (a; b) zu empfangen, das von dem abgestimmten Schaltkreis herrührt, und hieraus das Taktsignal (CLK) zu extrahieren, und dadurch, dass die Rechner-Verarbeitungsmittel (214) empfangen: – einerseits, das logische Datensignal (e), das durch die Mittel zur Demodulierung der Amplitude (218) geliefert wird, und – andererseits, das Taktsignal (CLK), das durch die Mittel zur Erfassung und Extrahierung des Takts (220) geliefert wird, für die Taktung der Rechner-Verarbeitungsmittel (214).
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, in welchem die Mittel zur Demodulation der Amplitude Mittel (244, 246, 248) mit variabler Schwelle sind, welche den augenblicklichen Wert des am Eingang angelegten Signals mit einem Mittelwert desselben Signals vergleichen.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, in welchem die Mittel zur Demodulation der Amplitude Mittel (244, 250, 252; 250–268) sind, die empfindlich gegenüber der Zuwachsrate des augenblicklichen Wertes des angelegten Signals sind.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, in welchem die Konvertierungsmittel ferner umfassen, stromabwärts von den Stufen zur Entzerrung (210) und zur Filterung (212), eine Stabilisationsstufe (216), die ein Shunt-Regelungsmittel (228) aufweist, das parallel zwischen den Versorgungsanschlüssen (VCC, GND) des zu versorgenden Schaltkreises montiert ist und mit einem resistiven Bestandteil (230) verbunden ist, welches in Reihe in der Versorgungsleitung des Schaltkreises eingebaut ist, wobei das Shunt-Regelungselement einen variablen Bruchteil des Versorgungsstroms des Schaltkreises abgreift und ableitet, derart, dass das resistive Element und das Shunt-Regelungselement den eventuellen Zuwachs nicht für den Betrieb des Schaltkreises notwendiger Energie disspieren, um, entsprechend, die Versorgungsspannung (d) an den Anschlussklemmen des Schaltkreises zu stabilisieren, die Abweichung der Spannung (a) an den Anschlussklemmen des abgestimmten Elements stromaufwärts zu begrenzen und zu vermeiden, dass Schwankungen des verbrauchten Stroms die Amplitude des zu demodulierenden Signals stromaufwärts beeinflussen.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, welches Mittel (240) aufweist, um selektiv und vorübergehend den Betrieb des Shunt-Reglers zu unterdrücken.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 7, in welchem vorgesehen sind Mittel zur Erfassung des Typs der Kommunikation, ohne Kontakt oder über Kontakte, oder wo die selektive und zeitweilige Unterdrückung des Betriebs des Shunt-Reglers ausgeführt wird in Antwort auf die Erfassung eines Typs der Kommunikation über Kontakte.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, in welchem die Gesamtheit des elektronischen Schaltkreises (202, 204), mit Ausnahme der Spule (202) des abgestimmten Schwingkreises (208), in monolithischer integrierter Technologie verwirklicht wird.
Tragbares Objekt gemäß Anspruch 3, in welchem die Mittel zu Aussendung von Daten Mittel (222) sind, die eine Modulation des verbrauchten Stroms stromabwärts des abgestimmten Schaltkreises durchführen, der elektronische Schaltkreis für zwei Betriebsmodi geeignet ist, der des nominalen Verbrauchs und des Niedrigverbrauchs, und der mit Mitteln versehen ist, um den elektronischen Schaltkreis in den Niedrigverbrauchmodus zu versetzen, bevor die Mittel zur Aussendung von Daten die Modulation auszuführen beginnen.