DE10245747A1 - Kontaktloser Datenträger - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Datenträger mit einer Hauptschaltungskomponente (1) und einem Koppelelement (2), wobei eine steuerbare Last (3) vorgesehen ist zur Durchführung einer Entlastungsmodulation. Erfindungsgemäß ist eine Stromverbrauchssteuerung (5) vorgesehen, durch die der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente (1) verringerbar ist und gleichzeitig der Strom durch die Last (3) vergrößerbar ist zur Bereitstellung eines Entlastungspotentials zur Durchführung der Entlastungsmodulation.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Datenträger mit einer Hauptschaltungskomponente, einem Koppelelement und einer steuerbaren Last, die der Hauptschaltungskomponente parallel geschaltet ist, wobei die Hauptschaltungskomponente eine Modulationssteuerung aufweist, durch die die steuerbare Last zur Lastmodulation verringerbar ist.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines kontaktlosen Datenträgers, bei dem einer Hauptschaltungskomponente eine steuerbare Last parallel geschaltet ist, und bei dem eine Rücksendung von Daten durch Entlastungsmodulation erfolgt .
  • Zum Senden von Daten von einem kontaktlosen Datenträger an ein Schreib-/Lesegerät ist es bekannt, die von dem kontaktlosen Datenträger aus dem von dem Schreib-/Lesegerät erzeugten elektromagnetischen Feld aufgenommene Energie zu variieren. Die Änderung der aufgenommenen Energie kann von dem Schreib-/Lesegerät detektiert und auf diese weise durch entsprechende Modulation bzw. Demodulation übertragene Daten erkannt werden. Ein derzeit geltender Standard für solche kontaktlose Datenträger bzw. Chipkarten ist die ISO 14443 oder die ISO 15693 . Die bekannten Datenträger arbeiten mit ohmscher oder kapazitiver Belastungsmodulation. Zur Modulation wird also die zur Hauptschaltungskomponente parallel geschaltete Last vergrößert, so daß die aufgenommene Leistung des kontaktlosen Datenträgers steigt.
  • Problematisch bei der Belastungsmodulation ist, daß bei der Belastung zur Modulation auch die Spannung, die zur Versorgung der Hauptschaltungskomponente zur Verfügung steht, absinkt. Dies kann zu Funktionsstörungen führen, beispielsweise dadurch, daß eine Unterspannungsdetektorschaltung anspricht oder aber die Takterkennung ausfällt, die ein mit dem elektromagnetischen Feld des Schreib-/Lesegeräts übermitteltes Taktsignal auswertet. Zwar besteht die Möglichkeit, den Energiehub, also die Höhe der Lastzuschaltung, gering zu halten, jedoch ist eine Mindestmodulationsamplitude erforderlich, damit das Schreib-/Lesegerät die Modulation erkennen kann. Insgesamt führt die Belastungsmodulation zu einer unerwünschten Reichweitenbegrenzung. Unter diesen Rahmenbedingungen erfolgt in der Regel eine kompromißbehaftete Dimensionierung der Belastungswiderstände.
  • Weiterhin ist auch eine nichtlineare Modulation bekannt, bei der die Modulationstiefe abnimmt, bevor die Versorgungsspannung die untere zulässige Spannungsschwelle erreicht. Aber auch bei dieser Ausführung eines kontaktlosen Datenträgers wird das Modulationssignal schwächer, so daß die Wahrscheinlichkeit fehlerhafter Datenübertragung zunimmt.
  • Zur Umgehung der genannten Probleme ist es bekannt, statt einer Belastungsmodulation eine Entlastungsmodulation vorzusehen. Ein kontaktloser Datenträger, der nach einem solchen Verfahren arbeitet, ist beispielsweise aus der EP 1 042 731 B1 bekannt. Bei der dort gezeigten Schaltung ist ein Shunt-Transistor vorgesehen, der zu- und wegschaltbar ist. Der Energiehub ist dabei von der im Shunt vernichteten Energie abhängig. In einem Normalbetriebszustand, wenn keine Daten gesendet werden sollen, ist der Shunt zugeschaltet und erhöht den Stromverbrauch des kontaktlosen Datenträgers. Zur Modulation wird der Shunt weggeschaltet, was zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs führt, was wiederum von dem Schreib-/Lesegerät erkannt werden kann. Auf Seiten des Schreib-/Lesegerätes werden die Modulationssignale des kontaktlosen Datenträgers AC-mäßig eingekoppelt, so daß nur die spektrale Amplitude der Modulationsseitenbänder berücksichtigt wird. Es spielt daher keine Rolle, ob eine Belastungs- oder eine Entlastungsmodulation erfolgt, so daß auch nach dem Prinzip der Entlastungsmodulation arbeitende kontaktlose Datenträger mit den bestehenden Schreib-/Lesegeräten kompatibel sind. Wenn der Shunt weggeschaltet ist, um für den Lesebetrieb eine möglichst große Reichweite zu erzielen, ist der Shunt nicht aktiv und kann daher auch nicht entlastet werden. Ein Senden von Daten ist daher nicht mehr möglich. Die im Normalbetriebszustand zugeschaltete Last führt zudem zu einer unerwünschten Reichweitenbegrenzung.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kontaktlosen Datenträger anzugeben, bei dem ein unnötiges Vernichten von Energie vermieden und der Datenträger reichweitenoptimiert ausgestaltet werden kann. Ebenso ist Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen kontaktlosen Datenträger der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Stromverbrauchssteuerung vorgesehen ist, durch die der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente verringerbar und zur Herstellung eines gleichbleibenden Stromverbrauchs die Last vergrößerbar ist. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in einem Normalbetriebszustand die steuerbare Last auf einem ersten niedrigen Wert eingestellt ist, vor einer Lastmodulation zum Senden von Daten der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente reduziert und gleichzeitig die Last vergrößert wird zur Herstellung eines gleichbleibenden Stromverbrauchs, zur Lastmodulation zum Senden von Daten die steuerbare Last in Abhängigkeit der zu sendenden Daten verringert wird und nach dem Senden von Daten der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente wieder erhöht und die Last auf den ersten Wert verringert wird.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Datenträgers bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß nicht ständig Energie vernichtet wird, was zu einer Reichweitenreduzierung führt. Statt dessen wird ausgenutzt, daß die Zeit, in der Da ten gesendet werden, relativ kurz ist und insbesondere während des Sendebetriebs Stromsparmaßnahmen durchgeführt werden können, die für einen Energiehub zur Entlastungsmodulation zur Verfügung gestellt werden können. Da die Absenkung des Stromverbrauchs verhältnismäßig langsam ist im Vergleich zum Modulationssignal selbst wird die zunächst gewonnene Energie in der zugeschalteten bzw. erhöhten Last vernichtet und die Entlastungsmodulation erfolgt durch ein schnelles Entlasten, in dem die Last abgeschaltet oder verringert wird.
  • Vorteilhafte Maßnahmen zur Verringerung des Stromverbrauchs sind die Verringerung der Taktfrequenz oder das Abschalten zeitweise, insbesondere bei der Rücksendung von Daten nicht gebrauchter Module innerhalb der Hauptschaltungskomponente.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, die Last durch die Modulationssteuerung soweit zu verringern, bis eine vorbestimmte, maximale zulässige Spannung an dem Koppelelement erreicht ist. Dadurch erhält man immer eine möglichst große Modulationsamplitude.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kontaktlosen Datenträgers,
  • 2 eine zweite Ausführungsform eines Datenträgers und
  • 3 ein Signaldiagramm zu den Schaltungen von 1 und 2.
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontaktlosen Datenträgers dargestellt. Der Datenträger besitzt ein Koppelelement 2 in Form einer Spule, in der ein elektromagnetisches Feld, das durch ein Schreib-/Lesegerät erzeugt wird, eine Spannung induziert. Über das elektromagnetische Feld werden neben Daten auch die Energie übertragen, die der kontaktlose Datenträger zu seinem Betrieb benötigt. An den Anschlüssen LA und LB des Koppelelementes 2 ist ein Demodulator 12 angeschlossen, der aus der in der Spule 2 induzierten Spannung die übertragenen Daten extrahiert und in Form eines Datensignals 13 einer Hauptschaltungskomponenten 1 zur Verfügung stellt. Ebenfalls mit den Anschlüssen LA und LB der Spule 2 ist ein Gleichrichter 8 verbunden, der aus der induzierten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, die zum Betrieb der Hauptschaltungskomponente und der anderen Schaltungskomponenten des Datenträgers benötigt wird. Ein Stützkondensator C sorgt für die Glättung der gleichgerichteten Wechselspannung. Die Hauptschaltungskomponente 1 beinhaltet solche Funktionseinheiten, die die Datenverarbeitung vornehmen und beispielsweise eine Modulationssteuerung 4. Zum Betrieb der Hauptschaltungskomponente 1 wird ein Strom IH benötigt, der von der Gleichrichterschaltung 8 zugeführt wird.
  • Das elektromagnetische Feld überträgt darüber hinaus ein Taktsignal, das von einer Takterkennungsvorrichtung 9 ausgewertet wird, die dazu mit der Spule 2 verbunden ist. Die von der Takterkennungsvorrichtung 9 bereitgestellte Frequenz ist zu hoch, um von der Hauptschaltungskomponente 1 als Taktsignal verwendet werden zu können. Daher ist der Takterkennungsvorrichtung 9 ein Teiler 10 nachgeschaltet, der durch die Einstellung eines entsprechenden Taktverhältnisses ein geeignetes Taktsignal CLK erzeugt, das der Hauptschaltungskomponente 1 zugeführt wird. Um eine gleichbleibende, exakte Taktfrequenz zu erhalten, ist im Ausführungsbeispiel von 1 der Teiler 10 mit einer Nachlaufsynchronisationsvorrichtung (Englisch: phase lock loop, PLL) verbunden.
  • Im Allgemeinen ist eine bidirektionale Kommunikation zwischen einem Schreib-/Lesegerät und dem kontaktlosen Datenträger erforderlich, es müssen also auch Daten in die entgegengesetzte Richtung übermittelt werden. Dies erfolgt in den der Erfin dung zu Grunde liegenden Datenträgern über eine Lastmodulation, es wird also die Belastung, die das Schreib-/Lesegerät durch den kontaktlosen Datenträger sieht, verändert. Dazu ist eine steuerbare Last 3 vorgesehen, die in der Schaltung von 1 am Ausgang des Gleichrichters 8 angeschlossen ist und direkt parallel zu der Hauptschaltungskomponente 1 liegt. Die steuerbare Last ist von der Modulationssteuerung 4 ansteuerbar. Zur Übertragung von Daten wird die Last 3 geändert, so daß der Strom IS, der durch die Last 3 fließt, sich entsprechend der Modulationsvorgabe ändert. Der Strom durch die Spule 2, der sich durch die Ströme IS und IH durch die Last 3 und durch die Hauptschaltungskomponente 1 zusammensetzt, schwankt damit entsprechend der Modulation. Diese Lastschwankung ist von dem Schreib-/Lesegerät erkennbar. Bei der steuerbaren Last 3 handelt es sich im allgemeinen um einen Transistor, dem beispielsweise ein Widerstand oder eine Kapazität in Reihe geschaltet ist.
  • Bei einem kontaktlosen Datenträger, von dem die Erfindung ausgeht, erfolgt die Lastmodulation in Form einer Entlastungsmodulation. Wenn also ein Signal übertragen werden soll, wird die Last 3 verringert, so daß der Strom IS absinkt, was das Schreib-/Lesegerät als Entlastung wahrnimmt. Um jedoch entlasten zu können, muß zunächst eine Belastung vorhanden sein. Während bei Schaltungen nach dem Stand der Technik dazu ein ständiger Strom durch die Last 3 fließt, durch den Leistung verbraucht wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Normalbetriebszustand, wenn also keine Daten gesendet werden, keinen Strom durch die Last 3 fließen zu lassen, das bedeutet, daß IS gleich Null ist. Vor dem Senden von Daten muß jedoch der Strom IS durch die Last 3 erhöht werden, damit die Möglichkeit zur schnellen Entlastung zur Datenübertragung besteht. Da jedoch nicht der gesamte Strom IS + IH erhöht werden soll, muß gleichzeitig mit der Steigerung von IS der Strom IH durch die Hauptschaltungskomponenten 1 verringert werden.
  • Dies wird durch eine Stromverbrauchssteuerung 5 erreicht. Diese ist dazu eingerichtet, den Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente zu reduzieren. Dies geschieht im Falle der 1 dadurch, daß das Teilverhältnis des Teilers 10 beeinflußt wird, so daß die Taktfrequenz, mit der die Hauptschaltungskomponente arbeitet, reduziert wird. Dadurch sinkt automatisch der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente 1. Eine andere Maßnahme zur Stromverbrauchsreduzierung besteht in dem Abschalten zeitweise nicht benötigter Komponenten 6. Beispielsweise sind Komponenten, die lediglich zum Empfangen von Daten vorgesehen sind, überflüssig, wenn es um das Senden von Daten geht. Durch das Abschalten solcher Stromverbraucher wird der Strom IH weiter reduziert. Die Stromverbrauchssteuerung 5 steuert in entsprechender Weise die steuerbare Last 3 an, so daß die Summe des eingesparten Stromverbrauchs in der Hauptschaltungskomponente 1 dem erhöhten Strom durch die Last 3 entspricht. Der Gesamtstromverbrauch, also der Strom der durch die Spule 2 fließt, bleibt dadurch gleich.
  • Um nun Daten zu senden, wird die Belastung durch den Strom IS durch die Last 3 kurzzeitig reduziert, so daß der Strom durch die Spule 2 sinkt und die Entlastung von dem Schreib-/Lesegerät als Datenübertragung erkannt werden kann. Der auf diese Weise erzeugte Energiehub ist wesentlich größer als der durch das reine Wegschalten eines Shunts, wie es bei Schaltungen nach dem Stand der Technik der Fall ist. Der zur Schaffung einer Entlastungsmöglichkeit vorgesehene unsinnige Verbrauch von Leistung in der Last 3 beschränkt sich erfindungsgemäß nur auf die Zeit, in der Daten gesendet werden sollen, während nach dem Stand der Technik ein ständiger sinnloser Verbrauch von Energie vorliegt.
  • In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontaktlosen Datenträgers gezeigt. Im Ausführungsbeispiel von der 2 wird auf eine Nachlaufsynchronisationsvorrichtung verzichtet. Der eigentliche Unterschied liegt aber darin, daß die steuerbare Last 3 nicht dem Gleichrichter 8 nachgeschaltet ist, sondern die Last 3 direkt mit den Anschlüssen der Spule 2 verbunden ist. Es liegt in diesem Fall also keine direkte Parallelschaltung der steuerbaren Last 3 und der Hauptschaltungskomponente 1 vor, sondern es ist die Gleichrichterschaltung noch dazwischen geschaltet. Gleichwohl ist der erzielte Effekt der gleiche. Der Strom durch die Spule 2 setzt sich auch in diesem Ausführungsbeispiel aus dem Strom IS durch die Last 3 und dem Strom IH durch die Hauptschaltungskomponente 1 zusammen. Der Stromverbrauch durch den Demodulator 12 und die Takterkennungsvorrichtung 9 ist dabei vernachlässigbar.
  • Ein weiterer Unterschied besteht in der Ansteuerung der steuerbaren Last 3. Während im Ausführungsbeispiel von 1 sowohl eine Ansteuerung von der Modulationssteuerung 4 als auch von der Stromverbrauchssteuerung 5 erfolgte, ist im Ausführungsbeispiel von 2 vorgesehen, daß die Stromverbrauchssteuerung 5 die Modulationssteuerung 4 ansteuert, die wiederum mit der steuerbaren Last 3 verbunden ist. Die Ansteuerung durch die Modulationssteuerung 4 erfolgt dabei in der Weise, daß sowohl die zu sendenden Daten als auch die Vorgabe von der Stromverbrauchssteuerung 5 zu einem gemeinsamen Steuersignal zusammengefaßt werden.
  • Der gesamte Ablauf ist besonders übersichtlich anhand des Signaldiagramms von 3 darstellbar. Untereinander ist die logische Darstellung des zu sendenden Signals SEND DATA gezeigt, darunter der Strom IH durch die Hauptschaltungskomponente 1, darunter der Strom IS durch die steuerbare Last 3 und ganz unten in der 3 die Spannung ULAB über dem Koppelelement, also der Spule 2. Der Zeitpunkt, zu dem Daten gesendet werden sollen, ist in der Hauptschaltungskomponente 1 im Voraus bekannt. In ausreichend großem zeitlichen Abstand vor dem Senden der ersten Daten wird der Strom IH durch die Hauptschaltungskomponente 1 um einen Betrag EH, den sogenannten Energiehub, abgesenkt. Gleichzeitig wird der Strom IS durch die steuerbare Last 3 um den gleichen Betrag EH erhöht. An der Spule 2 ergibt sich dadurch keine Änderung, wie anhand der Spannung ULAB zu erkennen ist.
  • Wenn nun eine logische 1 gesendet werden soll, wird die Last verringert und entsprechend der Strom IS durch die Last 3 abgesenkt. Da der Strom IH durch die Hauptschaltungskomponente 1 gleich bleibt, macht sich dies durch eine Stromänderung in der Spule 2 und damit auch in einer Änderung der Spannung ULAB über den Anschlüssen LA und LB der Spule bemerkbar. Die Absenkung des Stroms IS durch die Last 3 erfolgt dabei in dem Maß, wie eine Erhöhung der Spannung ULAB zulässig ist, d. h. ein Wert Umax darf nicht überschritten werden. Indem, wie in einer vorteilhaften Ausführung vorgesehen ist, immer eine möglichst starke Entlastung vorgesehen ist, ist die Modulationsamplitude so groß wie möglich und Fehler bei der Datenübertragung werden vermieden. Gleichzeitig ist immer eine reichweitenoptimierte Betriebsweise gewährleistet.
  • Nach dem Zeitabschnitt, in dem das Senden der Daten erfolgt, werden durch die Stromverbrauchssteuerung 5 die abgeschalteten Funktionseinheiten wieder zugeschaltet, sowie die Taktfrequenz CLK erhöht. Gleichzeitig wird der Strom IS durch die steuerbare Last 3 reduziert, so daß im Folgenden der Normalbetriebszustand wieder hergestellt ist. Zum Empfangen und Verarbeiten von Daten stehen nun wieder sämtliche Funktionseinheiten bei maximaler Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Verfügung.
    • 1
    Hauptschaltungskomponente
    2
    Koppelelement
    3
    steuerbare Last
    4
    Modulationssteuerung
    5
    Stromverbrauchssteuerung
    6
    Funktionseinheiten
    8
    Gleichrichter
    9
    Takterkennungsvorrichtung
    10
    Teiler
    11
    Nachlaufsynchronisationsvorrichtung
    12
    Demodulator
    13
    Datensignal
    14
    Datensignal
    LA, LB
    Spulenanschlüsse
    IS
    Strom durch die Last 3
    IH
    Strom durch die Hauptschaltungskomponenten 1
    ULAB
    Spannung über dem Koppelelement 2

Claims (9)

  1. Kontaktloser Datenträger mit – einer Hauptschaltungskomponente (1), – einem Koppelelement (2) und – einer steuerbaren Last (3), die der Hauptschaltungskomponente (1) parallel geschaltet ist, – wobei die Hauptschaltungskomponente (1) eine Modulationssteuerung (4) aufweist, durch die die steuerbare Last (3) zur Lastmoderation verringerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromverbrauchssteuerung (5) vorgesehen ist, durch die der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente (1) verringerbar und zur Herstellung eines gleichbleibenden Gesamtstromverbrauchs die steuerbare Last (3) vergrößerbar ist.
  2. Kontaktloser Datenträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente (1) für eine Verringerung der Taktfrequenz verringerbar ist.
  3. Kontaktloser Datenträger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung des Stromverbrauchs der Hauptschaltungskomponente (1) durch Abschaltung zeitweise, insbesondere bei der Rücksendung von Daten nicht gebrauchter Funktionseinheiten erfolgt .
  4. Kontaktloser Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verringerung der Last (3) durch die Modulationssteuerung (4) soweit erfolgt, bis eine vorbestimmte maximale zulässige Spannung an dem Koppelelement (2) erreicht ist.
  5. Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Last (3) mit den Anschlüssen (LA, LB) des Koppelelementes (2) verbunden ist.
  6. Kontaktloser Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Last an Gleichspannungsausgängen eines Gleichrichters (8) angeschlossen ist.
  7. Kontaktloser Datenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Takterkennungsvorrichtung (9) mit einem nachgeschalteten Teiler (10) zur Bereitstellung einer Taktfrequenz für die Hauptschaltungskomponente (1) vorgesehen ist, wobei mit dem Teiler (10) eine Nachlaufsynchronisationsvorrichtung (11) verbunden ist zur Justierung der Taktfrequenz.
  8. Verfahren zum Betrieb eines kontaktlosen Datenträgers, bei dem einer Hauptschaltungskomponente (1) eine steuerbare Last (3) parallel geschaltet ist und bei dem eine Rücksendung von Daten durch Entlastungsmodulation erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß – in einem Normalbetriebszustand die steuerbare Last (3) auf einen ersten niedrigen Wert eingestellt ist, – vor einer Lastmodulation zum Senden von Daten der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente (1) reduziert und gleichzeitig die Last (3) vergrößert wird zur Herstellung eines gleichbleibenden Gesamtstromverbrauchs, – zur Lastmodulation zum Senden von Daten die steuerbare Last (3) in Abhängigkeit der zu sendenden Daten verringert wird und – nach dem Senden von Daten der Stromverbrauch der Hauptschaltungskomponente (1) wieder erhöht und die Last auf den ersten Wert verringert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste wert einer Abschaltung der Last (3) entspricht.
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