Verfahren zum Abαleich eines Empfanαsschwinαkreises eines Transponders in einem RFID System

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich eines Empfangsschwing¬ kreises eines Transponders in einem RFID System auf Resonanz zu der Fre- quenz des von einem Lesegerät erzeugten Abfragesignals, wobei der Emp¬ fangsschwingkreises aus mindestens einer Induktivität und aus mindestens einer Kapazität besteht.

Bei der Identifikation von Personen, Tieren und Objekten hat sich in den letzten Jahren ein System bewährt, bei dem ein stationäres bzw. tragbares Lesegerät einen mit dem zu identifizierenden Objekt verbundenen Trans¬ ponder über ein Wechselfeld mit Energie versorgt, woraufhin der Trans¬ ponder mit dem Aussenden der in ihm gespeicherten Daten antwortet. Aufgrund des verwendeten Frequenzbereichs spricht man auch von Radio- frequenz-ldentifikations-svstemen, kurz RFID.

Ein RFID- Transponder besteht im allgemeinen aus einer Antennenspule und einem integrierten Schaltkreis, der alle notwendigen elektronischen Schal¬ tungsblöcke, wie z. B. zur Spannungsversorgung, zur Taktgenerierung, zur Ablaufsteuerung und zur speicherung der für die Identifizierung notwendi¬ gen Daten, beinhaltet. Die zur Antennenspule parallel geschaltete Kapazität ist ebenfalls häufig Bestandteil des integrierten Schaltkreises, sie kann je¬ doch auch durch ein diskretes Bauelement gebildet werden.

Das RFID- Lesegerät besteht aus einem Schwingkreis mit einer Sendespule und einer Kapazität, der von einer Treiberstufe mit einem Signal mit einer im allgemeinen festen Frequenz, z.B.125 kHz angesteuert wird. Weiterhin enthält das Lesegerät elektronische Schaltungsblöcke, um die durch die Ab-

sorptionsmodulation vom Transponder gesendeten Daten zu erkennen und um Daten und Befehle, z. B. durch Modulation des Feldes, an den Transpon¬ der zu senden.

Lesegerät und Transponder bilden bei der Daten- bzw. bei der Energieüber- tragung einen lose gekoppelten Transformator. Deshalb ist die Energieüber¬ tragung relativ gering.

Die erzielbare Reichweite für die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten wird durch folgende Randbedingungen beeinflußt:

Sendeenergie (beschränkt durch gesetzliche Bestimmungen) • Spulenabmessungen

Störpegel der Umgebung

Übereinstimmung der Resonanzfrequenzen

Modulationshub

Spannungsverlust über den Gleichrichter • Verwendete Übertragungsverfahren

Damit auf der Seite des Transponders eine für seinen Betrieb ausreichende Spannung zur Verfügung steht, sollte der von der Antennenspule und der parallel geschalteten Kapazität gebildete Empfangsschwingkreis in Resonanz zur Übertragungsfrequenz betrieben werden.

Aufgrund der Toleranzen der Bauteile beim Herstellen des Transponders ist dies im Allgemeinen nicht sichergestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, um beim Be¬ trieb des Transponders den Empfangsschwingkreis auf Resonanz zu der Fre¬ quenz des Abfragesignals zu betreiben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Aufgabe ist es eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Die orteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Figur 1 Ablaufdiagramm des Verfahrens

Figur 2 Ablauf des Abgleiche gemäß einer ersten Aufgestaltung des

Verfahrens

Figur 3 Ablauf des Abgleichs gemäß einen zweiten Aufgestaltung des

Verfahrens

Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens;

Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung einer zwei¬ ten Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens;

Figur 6 zeigt die Änderung der Spulenspannung v _C0IL1/2 beim Ablauf des Abgleichs;

Figur 7 zeigt die Änderung der Ausgangsspannung der Filterstufe beim Ablauf des Abgleichs;

Figur 8 zeigt die Änderung der Gesamtkapazität des Empfangs¬ schwingkreises beim Ablauf des Abgleichs;

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figuren erläutert.

Beispielsweise in der Anwendung in Form einer wegfahrsperre ergeben sich durch die kleine um das Zündschloß herum angeordnete Sendespule extrem

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ungünstige Übertragungsbedingungen. Darum gilt es, das System auf mini¬ male Verluste hin zu optimieren. Entscheidend ist dabei:

Gleiche Resonanzfrequenz von Basisstation und Transponder • zeltlich optimierte Übertragungsprotokolle • Minimale Verluste bei der Energieübertragung

Maximaler Modulationshub bei der Datenübertragung zur Basisstation

(Read) optimierte Datenübertragung zum Transponder (Send)

Damit trotz des geringen von der Basisstation gesendeten elektromagneti- sehen Feldes die Energie für den Betrieb des Transponders und für die Übertragung der Daten ausreicht, sollten die Resonanzfrequenzen überein¬ stimmen. Dieses ist fertigungstechnisch aufgrund der Bauteiletoleranzen der Kondensatoren, spulen usw. nicht realisierbar.

im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, bei dem sich der Transpon- der während der Initialisierungsphase auf die Resonanzfrequenz der Basis¬ station abgleicht.

Es wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem sich der Transponder während der Initialisierungsphase auf die Resonanzfrequenz der Basisstation ab¬ gleicht. Dieses geschieht, indem stufenförmig Kondensatoren an den LC- Schwingkreis hinzu geschaltet und auf den maximalen Spannungswert ein¬ justiert werden. Dabei wird die Spulenspannung veoil mittels eines Tiefpas¬ ses gleichgerichtet und geglättet. Diese Spannung vtp,1 wird gespeichert. Anschließend werden in gleichmäßigen Schritten Kondensatoren parallel zu dem LC-schwingkreis geschaltet, wodurch sich die Resonanzfrequenz und somit auch die induzierte Spannung bzw. tp verändert. Diese neue vtp,2- Spannung wird mittels eines Komparators mit der vorherigen vtp,l vergli¬ chen. Sobald Vtp,n+1 kleiner als vtp,n ist, wird dieses registriert und der Kondensatorwert von vtp,n (Maximalwert) hinzu geschaltet. Dieser aktive selbstabglelch der Resonanzfrequenz wird bei jeder Initialisierung durchge- führt, kann aber auch angesprochen werden, indem von der Basisstation eines spezielle Sequenz zu dem Transponder gesendet wird. Bild 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah¬ rens. Bild 9 zeigt die Änderung der Spannungen beim Ablauf des Abgleichs.

vorteil: bessere Energieübertragung -> höhere Versorgungsspannung + größerer Modulationshub (im schwachen Feld) -> größere Funktionsreich¬ weite

Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens. Der Verfahrensschritt "Abgleich" ist in den Figuren 2 und 3 detailliert dargestellt. Zunächst wird der Ablauf des Verfahrens gemäß Figuren 1 und 2 beschrieben.

Nach dem Beginn des Empfangs eines Abfragesignals und nachdem der in¬ tegrierte Schaltkreis durch Rücksetzen in einen definierten Ausgangszu¬ stand gesetzt wurde, wird die Spulenspannung Vcoil gleichgerichtet und mittels eines Tiefpasses geglättet. Die so erzeugte Spannung vtp. wird vorläufig als Referenzwert in einem Speicher SP abgelegt. Anschließend werden in gleichmäßigen schritten Kondensatoren cn parallel zu dem LC- schwingkreis des Empfangsschwingkreises geschaltet. Dadurch verändert sich seine Resonanzfrequenz und somit die induzierte Spulenspannung coil und schließlich auch die gleichgerichtete und geglättete Spannung tp. Durch Hinzuschalten eines ersten Kondensators C1 ändert sich mit der Reso¬ nanzfrequenz des Empfangsschwingkreises auch die zur Auswertung heran¬ gezogene Spannung Vtp. Diese neue, geänderte, in einem zweiten Zeit¬ punkt vorliegende Spannung Vtp,2 wird mittels eines Komparators mit der vorherigen, im Speicher abgelegten Spannung vtp.1 verglichen, ist die im zweiten Zeitpunkt vorliegende Spannung vtp,2 größer als der im Speicher abgelegte wert, so wird die neue Spannung vtp, 2 anstatt der vorherigen Spannung vtp. in den Speicher geschrieben, der nächste Kondensator hin¬ zu geschaltet und der ergleich mit dem neuen Wertepaar, der neuen, drit- ten Spannung vtp, 3 und dem im Speicher abgelegten Wert der zweiten Spannung Vtp,2, wiederholt.

ist die im zweiten Zeitpunkt vorliegende Spannung vtp,2 kleiner als der im Speicher abgelegte Wert bedeutet das, daß die aktuell eingestellte Frequenz des Empfangsschwingkreises sich relativ zum zuvor eingestellten Wert von der Resonanzfrequenz zum Abfragesignal weg bewegt. Dann wird die Ein¬ stellung der Kondensatoren, die zu dem im Speicher abgelegten wert der Spannung vtp geführt hat, zum Empfangsschwingkreis hinzu geschaltet und der Abgleich beendet.

lm Allgemeinen wird der Abgleich solange durchgeführt bis die momentan anliegenden Spannung Vtp,n + 1 kleiner als der im Speicher abgelegte wert von vtp,n ist. Wird dieser Zustand registriert, so wird der Abgleich abgebro¬ chen und der Kondensatorwert, der zu der im Speicher abgelegten span- nung vtp,n ⁽ Maximalwert) geführt hat, zum Empfangsschwingkreises hinzu geschaltet.

Dieser aktive selbstabgleich Empfangsschwingkreises auf Resonanz zur Fre¬ quenz des Abfragesignals wird bei jeder Initialisierung durchgeführt, kann aber auch angesprochen werden, indem von der Basisstation eines spezielle Sequenz zu dem Transponder gesendet wird.

in einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens, der in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist, wird der gesamte Bereich des Abgleichs zunächst vollständig durchlaufen. Am Ende werden die Kondensatoren zum Empfangsschwing¬ kreises hinzu geschaltet, für die die maximale gleichgerichtete und geglät- tete Spannung tp im Speicher abgelegt wurde.

Nach dem Beginn des Empfangs eines Abfragesignals und nachdem der in¬ tegrierte Schaltkreis durch Rücksetzen in einen definierten Ausgangszu¬ stand gesetzt wurde, wird die Spulenspannung Vcoil gleichgerichtet und mittels eines Tiefpasses geglättet. Die so erzeugte Spannung Vtp,1 wird vorläufig als Referenzwert in einem ersten Speicher SP abgelegt, in einem zweiten Speicher wird eine die Konfiguration der Kondensatoren cn ein¬ deutig beschreibende Bezugsnummer abgelegt. Anschließend werden in gleichmäßigen schritten Kondensatoren cn parallel zu dem LC-schwingkreis des Empfangsschwingkreises geschaltet. Dadurch verändert sich seine Reso- nanzfrequenz und somit die induzierte Spulenspannung vcoil und schlie߬ lich auch die gleichgerichtete und geglättete Spannung Vtp. Durch Hinzu¬ schalten eines ersten Kondensators C1 ändert sich mit der Resonanzfre¬ quenz des Empfangsschwingkreises auch die zur Auswertung herangezoge¬ ne Spannung Vtp. Diese neue, geänderte, in einem zweiten Zeitpunkt vor- liegende Spannung Vtp,2 wird mittels eines Komparators mit der vorheri¬ gen, im Speicher abgelegten Spannung vtp,1 verglichen, ist die im zweiten Zeitpunkt vorliegende Spannung vtp,2 größer als der im Speicher abgelegte Wert, so wird die neue Spannung vtp,2 anstatt der vorherigen Spannung vtp,1 und die neue, die Konfiguration der Kondensatoren cn eindeutig be-

schreibende Bezugsnummer in den Speicher geschrieben, der nächste Kon¬ densator hinzu geschaltet und der vergleich mit dem neuen Wertepaar, der neuen, dritten Spannung vtp,3 und dem im Speicher abgelegten Wert der zweiten Spannung vtp,2, wiederholt.

ist die im zweiten Zeitpunkt vorliegende Spannung Vtp, 2 kleiner als der im Speicher abgelegte Wert, so wird, ohne den Speicherinhalt zu verändern, der nächste Kondensator hinzu geschaltet und der vergleich mit dem neuen Wertepaar, der neuen, dritten Spannung Vtp,3 und dem im Speicher abge¬ legten Wert der zweiten Spannung Vtp,2, wiederholt.

Wurde der gesamte Bereich des Abgleichs vollständig durchlaufen, so wird die Konfiguration der Kondensatoren cn zum Empfangsschwingkreis hinzu geschaltet, die der im Speicher abgelegten Bezugsnummer entspricht.

Diese Methode des Abgleichs ist insbesondere dann vorzuziehen, wenn beim Einschalten des Abfragesignals bzw. beim Eintauchen des Transpon- ders in ein Abfragefeld ein bestimmtes zeitliches Verhalten des Transpon¬ ders gewünscht wird.

Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens im Blockschaltbild. Dieses weist zum Abgleich des Empfangsschwingkreises auf Resonanz zu der Frequenz des Abfragesi- gnals folgende Funktionseinheiten auf:

Der Empfangsschwingkreises des Transponders besteht aus mindestens ei¬ ner Induktivität und mindestens einer Kapazität und wird über das An¬ schlußpaar coiH/coil2 mit der Schaltungsanordnung verbunden. Diese be¬ steht aus einer Vielzahl von Kapazitäten, die durch ansteuerbare Schalter parallel zur Kapazität des Empfangsschwingkreis schaltbar sind — dargestellt in der Figur 4 durch den Schaltungsblock mit der Bezeichnung Adapt. Eben¬ falls mit dem Anschlußpaar CoiH/Coil2 ist ein Tiefpaßfilter verbunden — dar¬ gestellt in der Figur 4 durch den Schaltungsblock mit der Bezeichnung f ront2. Das Ausgangssignal Vtp des Tiefpaßfilters wird einer Komparatorstu- fe zugeführt — dargestellt in der Figur 4 durch den schaltungsbiock mit der Bezeichnung max_detect. in der Komparatorstufe wird das Ausgangssignal tp des Tiefpaßfilters mit dem dort gespeicherten, bisher aufgetretenen

Maximalwert verglichen. In Abhängigkeit von dessen Ausgangssignal ad- apt_out werden die Vielzahl von Kapazitäten adapt angesteuert.

Die Figur 5 zeigt die Schaltungsanordnung nochmals in einer verbesserten Darstellung. Es sind nur die Funktionseinheiten des Transponders darge- stellt, die zur Funktion des Abgleichs wesentlich beitragen. Der Empfangs¬ schwingkreis 1 des Transponders, bestehend aus mindestens einer Induktivi¬ tät und mindestens einer Kapazität, bildet mit dem nicht dargestellten Schwingkreis des Lesegeräts einen lose gekoppelten Transformator. Parallel zur Kapazität des Empfangsschwingkreises 1 sind eine Vielzahl von Kapazitä- ten 2, die durch ansteuerbare Schalter zur Kapazität des Empfangsschwing- kreiε hinzu schaltbar sind, angeordnet. Die Ansteuerung der Schalter erfolgt durch eine Steuerlogik 6. Die Steuerlogik 6 bekommt außerdem ein aus dem Abfragesignal erzeugtes Taktsignal zugeführt. Anhand dieses Taktsignals werden eine Vielzahl von Kapazitäten, die durch ansteuerbare Schalter parallel zur Kapazität des Empfangsschwingkreis schaltbar sind, stufen- und schrittweise angesteuert. Der Empfangsschwingkreis 1 ist weiterhin mit ei¬ ner Gleichrichterstufe 3 und einer Takterzeugerschaltung 7 verbunden. Das von der Gleichrichterstufe 3 gleichgerichtete Signal wird einer Filterstufe zur Glättung zugeführt. Die Filterstufe ist als Tiefpaßfilter ausgestaltet. Das derart gleichgerichtete und geglättete Signal wird dem Eingang eines Ma¬ ximumdetektors 5 zugeführt. Der Maximumdetektor vergleicht das an sei¬ nem Eingang anliegende Signal mit einer abgespeicherten Größe und über¬ nimmt den jeweils größeren in seinen Speicher. Dadurch enthält der Spei¬ cher des Maximumdetektors immer den größten Wert des gleichgerichte- ten und geglätteten Signals seit Beginn des Abgleichs. Der Maximumdetek¬ tor 5 ist mit der Steuerlogik 6 verbunden, so daß die Steuerlogik 6 den Ab¬ gleichvorgang beendet, wenn das am Eingang des Maximumdetektors 5 anliegende Signal kleiner wird als der in seinem Speicher abgelegte wert. Dann stellt die Steuerlogik 6 die schaltbaren Kondensatoren so ein, daß wieder der maximale Wert erzielt wird und zeigt an einem weiteren Aus¬ gang an daß der Abgleich beendet ist.

Die schaltbaren Kapazitäten bestehen vorteilhaft aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und eines Schalttransistors, wobei der Schalttransistor von der Steuerlogik angesteuert wird. Jeweils ein Paar von gleich dimensio- nierten Kondensatoren werden von der Steuerlogik angesteuert, wobei die

erste Reihenschaltung von Kondensator und Schalttransistors jeweils den ersten Anschluß des Empfangsschwingkreis mit dem Massepotential verbin¬ det und die zweite Reihenschaltung von Kondensator und Schalttransistors den zweiten Anschluß des Empfangsschwingkreis mit dem Massepotential verbindet.

in den Figuren 6 und 7 sind die Änderungen der Spulenspannung des Emp¬ fangsschwingkreises (Figur 6) und die damit verbundene Änderung der Aus¬ gangsspannung der Filterstufe (Figur 7) dargestellt. In der Figur 8 sieht man die Änderung der Gesamtkapazität des Empfangsschwingkreises, die durch das Hinzuschalten der schaltbaren Kondensatoren ci-cn hervorgerufen wird. Die Zeitachsen der Figuren 6 bis 8 sind identisch.

in einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Steuerlogik einen n-stufigen Dualzähler, dessen Ausgänge n Paare von Kondensatoren/Schaltern ansteu¬ ern. Die werte der einzelnen Paare der Kondensatoren sind dabei so ge- wählt, daß sie paarweise binär gewichtet abgestuft sind und somit einen weiten Wertebereich abdecken. Beispielsweise würde ein vierstufiger binä¬ rer Zähler an seinen Ausgängen 4 Paare von Kondensatoren ansteuern. Die Kapazitäten entsprechen dann den jeweils zugeordneten zählerstufen und betragen ein-, zwei-, vier- und achtfache eines Grundwert, beispielsweise 10 pF. Mit einer solchen Anordnung kann der Empfangsschwingkreis neben seiner Grundeinstellung in 15 stufen verändert werden.

in einer weiteren Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind alle Konden¬ satoren gleich groß ausgebildet, sie können dann direkt angesteuert wer¬ den oder zu Gruppen zusammen geschaltet sein, die den oben beschriebe- nen binär gewichteten werten entsprechen.

Durch das zuvor beschriebene Verfahren und die dazugehörige Schaltungs¬ anordnung ist es möglich, den Empfangsschwingkreis eines Transponders auf Resonanz zur Frequenz zum Abfragesignal abzustimmen. Dieser Abgleich kann bei jeder Inbetriebnahme des Transponders erfolgen, oder auch durch ein vorgegebenes Kommando vom Lesegerät ausgelöst werden. Auch zum einmaligen, fabrikmäßigen Abgleich auf eine vorgegebene Frequenz um die Bauteiletoleranzen des Empfangsschwingkreises auszugleichen können Ver¬ fahren und schaltuπgsanordnung eingesetzt werden. Dann wird die durch

einen einmaligen Abgleich ermittelte Einstellung, z.B. der Zählerstand des die Schalter der Kondensatoren ansteuernden Zählers, in einem Festwert¬ speicher des Transponders dauerhaft abgespeichert und bei jeder Initialisie¬ rung wieder zur Ansteuerung der Kondensatoren verwendet.