DE4107311A1 - Verfahren zur drahtlosen uebertragung von daten auf einen datentraeger - Google Patents

Verfahren zur drahtlosen uebertragung von daten auf einen datentraeger

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten auf einen eine Halbleiterschal­ tung aufweisenden Datenträger, insbesondere Chip- oder IC-Karte, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens.
In den letzten Jahren sind zunehmend sogenannte Chip- Karten oder IC-Karten in Gebrauch, wobei hierunter Da­ tenträger zu verstehen sind, die sowohl die bekannten Kreditkarten für Geldausgabeautomaten, Kartentelefone und andere Endgeräte der Kommunikationstechnik als auch Identifikationskarten für die Zugangskontrolle von si­ cherheitsempfindlichen Bereichen umfassen. Solche IC- Karten enthalten eine mechanisch geschützte integrierte Halbleiterschaltung mit einem nichtflüchtigen Speicher, der personenbezogene und/oder nichtpersonenbezogene Da­ ten enthält. Zum Auslesen der gespeicherten Daten und - gegebenenfalls in geänderter Form - zum Einlesen von Daten ist eine Steuerlogik erforderlich. In der Regel ist für den auf der IC-Karte untergebrachten Schalt­ kreis keine eigene Stromversorgung vorgesehen, sondern die zum Auslesen der Information erforderliche Strom­ versorgung wird durch das jeweilige Lesegerät, das die gespeicherte Information ausliest, drahtlos durchge­ führt, beispielsweise induktiv oder kapazitiv. Gleich­ zeitig erfolgt auch die Datenübertragung drahtlos durch geeignete Modulation der Spannungsversorgung, so daß beispielsweise durch Feldbedämpfung der Schaltkreis Da­ ten zum Lesegerät übertragen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten auf einen Datenträger der genannten Art anzugeben, das ein­ fach durchzuführen ist und zum Betrieb wenig Energie benötigt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Hiernach besteht das Wesen der Erfindung darin, zur Da­ tenübertragung mittels des Hochfrequenzfeldes eine Am­ plitudentastung vorzunehmen. Hierbei liegt die Informa­ tion in der Anzahl der Perioden des Hochfrequenzfeldes zwischen zwei Sendepausen. Dies ermöglicht verschiedene Vereinbarungen für die zu übertragenden Daten zu tref­ fen. Neben der Übertragung der logischen Pegel "0" und "1" können Kommandobefehle oder Startsequenzen übertra­ gen werden. Dadurch, daß während der Sendepausen das Taktsignal ruht, wird der Energieverbrauch minimiert. Das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren erlaubt eine sehr einfache Ansteuerung des Senders, wonach ein Rechtecksignal zur Ansteuerung der Senderspule ausrei­ chend ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird zwecks Zuordnung der Perioden­ anzahl der zwischen zwei Sendepausen gesendeten Peri­ oden des Hochfrequenzfeldes zu den Logikpegeln bzw. den Kommandobefehlen diese Periodenanzahl mit disjunkten Zahlenbereichen verglichen, wobei jeweils jedem Zahlen­ bereich ein Logikpegel bzw. ein Kommandobefehl zugeord­ net ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders sicheres Übertragungsverfahren, da zur Identifizierung der In­ formation anhand der Periodenanzahl dieselbe nicht ge­ nau einem einzigen Zahlenwert entsprechen muß, sondern nur einem bestimmten, zusammenhängenden Zahlenbereich zuordenbar sein muß.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung sind die Sendepausen kurz gegenüber den Sende­ zeiten, so daß zur Überbrückung des Spannungsausfalles nur ein Speicherkondensator mit geringer Kapazität er­ forderlich ist.
Das für den Zähler sowie die Steuereinheit erforder­ liche Taktsignal kann einerseits gemäß einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung aus dem empfangenen Hochfre­ quenzfeld abgeleitet werden oder andererseits bei einer anderen Ausführungsform aus einem Oszillatorsignal ge­ wonnen werden.
Die weitere genannte Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 6 und 7 gelöst.
Gemäß Patentanspruch 6 steuert die Empfangseinheit sowohl einen Spannungsdetektor als auch eine Takterzeu­ gungseinrichtung. Der Spannungsdetektor detektiert die Sendepausen, während die Takterzeugungseinrichtung aus dem Empfangssignal ein Taktsignal für einen Zähler und der Steuereinheit erzeugt. Darüberhinaus steuert der Spannungsdetektor die Takterzeugungseinrichtung sowie den Zähler und eine Auswerteeinheit an. Diese Auswerteeinheit generiert aus den von dem Zähler ihr zugeführten Zählerstände die Daten und führt sie der Steuereinheit zu. Die Daten werden dann in einem Spei­ cher, beispielsweise einem EEROM-Speicher abgespei­ chert.
Dagegen wird gemäß Patentanspruch 7 das Taktsignal aus einem Oszillatorsignal abgeleitet, wobei lediglich zum Ein- und Ausschalten der Takterzeugungseinrichtung die­ selbe von dem Spannungsdetektor angesteuert wird.
Da zur Überbrückung des Spannungsausfalles nur ein Speicherkondensator mit geringer Kapazität erforderlich ist, wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Schaltungsanordnung dieser Kondensator als On-Chip-Kondensator mit der Halbleiterschaltung als integrierte Schaltung ausgeführt.
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zei­ gen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Datenträgers mit einem Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Daten­ übertragung,
Fig. 3 ein weiteres Impulsdiagramm zur Erläute­ rung der Funktionsweise der erfindungs­ gemäßen Schaltung,
Fig. 4 weitere Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Variante des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1.
Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer integrier­ ten Schaltung 1, wie sie beispielsweise in einer IC- Karte implantiert ist. Über ein Lese- oder Steuergerät 9 mit einem ein Hochfrequenzfeld 10 erzeugenden Hochfrequenzsender 9a erfolgt das drahtlose Auslesen (Lesemodus) der auf einem EEPROM-Speicher 8 abgelegten Information. Über dieses Lesegerät 9 sind auch Daten in den genannten Speicher 8 einzuschreiben (Schreibmodus), wozu die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient, dessen Ausführungsbeispiel mit dem Bezugszeichen 1a be­ zeichnet ist. Diese Schaltungsanordnung 1a zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens entschlüsselt die in dem Hochfrequenzfeld 10 enthaltene Information und führt sie der Steuereinheit 7, beispielsweise einem Mikroprozessor zu, weshalb diese Schaltungsanordnung 1a auch als Decoder bezeichnet werden kann. Die zum Aus­ lesen erforderlichen Funktionseinheiten sind in dieser Fig. 1 nicht dargestellt.
Die IC-Karte ist zur Energie- und Datenübertragung in­ duktiv mit dem Lesegerät 9 über das Hochfrequenzfeld 10 gekoppelt. Hierzu enthält eine Empfangseinheit 2 einen Resonanzkreis 2a, deren Ausgangssignal einer Spannungsversorgungseinheit 11 zugeführt wird, die ihrerseits die erforderliche Betriebsspannung für die einzelnen Komponenten der IC-Karte zur Verfügung stellt.
Zusätzlich wird das Ausgangssignal der Empfangseinheit 2 sowohl einem Spannungsdetektor 3 als auch einer Takterzeugungseinheit 4 zugeführt. Die Takterzeugungs­ einheit 4 erzeugt aus dem zugeführten Empfangssignal den Systemtakt und führt ihn einem Zähler 5 und der Steuereinheit 7 zu. Der Spannungsdetektor 3, die Tak­ terzeugungseinheit 4, der Zähler 5 sowie eine Auswerte­ einheit 6 bilden den oben schon genannten Decoder 1a, während dieser Decoder 1a zusammen mit der Empfangsein­ heit 2, der Spannungsversorgungseinheit 11, der Steuereinheit 7 und dem Speicher 8 die integrierte Schaltung 1 der IC-Karte bilden.
Anstatt den Takt aus dem empfangenen Hochfrequenzfeld 10 abzuleiten, kann er auch mittels eines Oszillators 4a gemäß Fig. 5 erzeugt werden. Hierzu wird lediglich das Oszillatorsignal der Takterzeugungseinheit 4 zuge­ führt, eine direkte Verbindung zur Empfangseinheit 2 ist daher nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, zur Über­ tragung von Daten von dem Sender 9 auf die IC-Karte das Hochfrequenzfeld 10 zu takten, also in gewissen Ab­ ständen aus- und wieder einzuschalten, wobei die ko­ dierte Information in der Anzahl der gesendeten Peri­ oden des Hochfrequenzfeldes 10 zwischen zwei Sende­ pausen liegt. So kann beispielsweise die Vereinbarung getroffen werden, daß bei Übermittlung von 8 bis 15 Perioden eine logische "0" und bei Übermittlung von 16 bis 23 Perioden eine logische "1" vorliegen soll. Der Decoder 1a kann somit durch Zählen der zwischen zwei Sendepausen übermittelten Perioden die übermittelte In­ formation entschlüsseln. Es sind auch weitere Codierun­ gen zur Übermittlung zusätzlicher Informationen denk­ bar, beispielsweise für Startsequenzen oder Kommando­ befehle. Von Vorteil ist es, bei diesem Verfahren die OFF-Zeit kurz gegenüber der ON-Zeit zu wählen, so be­ trägt beispielsweise bei einer Feldfrequenz von 125 kHz eine 10-Perioden umfassende OFF-Zeit 80 usec.
Die Diagramme a bis d der Fig. 2 zeigen die Übermitt­ lung einer "0"-Sequenz. Hierbei zeigt das Diagramm a das von dem Sender 9a des Lesegerätes 9 erzeugte Hoch­ frequenzfeld 10, das durch Ansteuerung der Sendespule mit einem Rechtecksignal zustande kommt. Hiernach wird der Sender 9a nach 10 Perioden abgeschaltet, und nach 10 Perioden wieder eingeschaltet. Eine Pause dauert also 10 Perioden. Das Diagramm b zeigt den Spannungs­ verlauf an dem Schwingkreis 2a der Empfangseinheit 2. Hiernach ist die Schwingkreisspannung während der Sen­ dezeiten konstant, nimmt jedoch während der Sendepausen einen gedämpften Verlauf an. Das Diagramm c zeigt nun die aus der Kurve nach dem Diagramm b gleichgerichtete Hüllkurve zur Dektektierung der Abschaltzeitpunkte des Hochfrequenzfeldes 10. Die Abschaltzeitpunkte werden über eine Leitung 12 (Fig. 1) als Reset-Signal dem Zähler 5 und als Latch-Signal der Auswerteeinheit 6 zu­ geführt. Weiterhin dient dieses Signal der Takterzeu­ gungseinrichtung 4 zum Stoppen des Taktes über eine Leitung 18 gemäß Fig. 1, siehe hierzu auch Fig. 3, Diagramm a und d, wo die Zeitpunkte t1, t3 und t5 diese Abschaltzeitpunkte markieren. Aus der pulsierenden Gleichspannung nach dem Diagramm c der Fig. 2 wird eine gepufferte Versorgungsspannung mittels der Spannungsversorgungseinheit 11 und dem On-Chip-Konden­ sator C erzeugt, wie sie im Diagramm d dargestellt ist. Somit kann der Spannungsausfall während der Sendepausen mit der On-Chip-Kapazität bewirkt werden, da während der Sendepausen kein Takt erzeugt wird und lediglich die zum Abschaltzeitpunkt des Hochfrequenzfeldes auf­ gelaufenen Zählerstände des Zählers 5 in der Auswerte­ einheit 6 festgehalten werden müssen. Somit kommt der integrierte Schaltkreis 1 der IC-Karte ohne externe Elemente, beispielsweise Stützkondensatoren für die Spannungsversorgung aus.
Wie schon erwähnt wurde, werden die bis zu einem Aus­ schaltzeitpunkt des Hochfrequenzfeldes 10 aufgelaufenen Zählerstände des Zählers 5 zwecks späterer Auswertung in der Auswerteeinheit 6 gespeichert. Hierzu ist der Zähler 5 gemäß Fig. 1 über Leitungen 14 mit der Aus­ werteeinheit 6 verbunden. Setzt das Hochfrequenzfeld 10 wieder ein - siehe Zeitpunkte t2, t4 und t6 gemäß Fig. 3a und d -, wird der Zähler 5 zurückgesetzt und beginnt von neuem wieder hochzuzählen.
Die Fig. 3a zeigt nochmals das Prinzip der Datenüber­ tragung mittels des Hochfrequenzfeldes 10. Hiernach wird das Hochfrequenzfeld 10 zu einem Zeitpunkt t1 aus­ geschaltet und wird erst, beispielsweise nach 10 Peri­ oden zum Zeitpunkt t2 wieder eingeschaltet. Die Ein­ schaltdauer beträgt dann beispielsweise 16 bis 23 Peri­ oden, weshalb dies eine Übertragung einer logischen "1" bedeutet. Zum Zeitpunkt t3 wird das Feld wieder für 10 Perioden abgeschaltet, so daß es zum Zeitpunkt t4 durch die Empfangseinheit 2 wieder detektierbar ist. Nun bleibt aber zur Übermittlung einer logischen "0" das Hochfrequenzfeld nur 8 bis 15 Perioden lang eingeschal­ tet, wird also zum Zeitpunkt ts abgeschaltet und erst nach 10 weiteren Perioden, also zum Zeitpunkt t6 wieder eingeschaltet. Das zu dieser Übertragung der logischen "1" und "0" gehörende Steuersignal (CLK-ENABLE) für den Takt zeigt die Fig. 3d, wonach während dieser Sen­ depausen kein Taktsignal erzeugt wird.
Die integrierte Schaltung 1 nach Fig. 1 muß zwei Be­ triebsarten, nämlich den Lesemodus und den Schreibmodus unterscheiden. Hierzu dient das RD/WR-Signal, das über eine Leitung 15 von der Auswerteeinheit 6 der Steuereinheit 7 zugeführt wird. Hiernach muß der Steuereinheit 7 mitgeteilt werden, ob die auf dem Spei­ cher 8 abgelegten Daten zum Lesegerät 9 gesendet werden müssen, oder ob von diesem Lesegerät 9 Daten zu empfan­ gen sind. Beginnt nach einer Unterbrechung der Sender 9a zu einem Zeitpunkt t1 wieder zu senden, wird der Zähler auf 0 zurückgesetzt und das Signal auf der Lei­ tung 15 auf H-Pegel gesetzt. Dies bedeutet, daß die Steuereinheit 7 zur Aufnahme von Daten bereit ist. Er­ folgt keine erneute Abschaltung des Hochfrequenzfeldes 10 zählt der Zähler bis Zählerstand 24 und setzt dann auf der Leitung 15 den H-Pegel wieder zurück. Da die Übertragung eines logischen "1"-Wertes maximal 23 Peri­ oden dauern kann, kann also nach 24 Perioden keine In­ formation übermittelt werden. Dies ist in der Fig. 4a und b dargestellt. Schaltet jedoch das Hochfrequenzfeld 10 zum Zeitpunkt t3 gemäß der Fig. 3 ab, wird der bis zu diesem Zeitpunkt erreichte Zählerstand in der Aus­ werteeinheit 6 festgehalten. Schaltet sich der Takt zum Zeitpunkt t4 wieder ein, erfolgt die Weiterverarbeitung dieses Zählerstandes, indem nun eine logische "1" de­ tektiert wird. Nun wird ein Strobe-Befehl auf der Leitung 17 erzeugt, so daß die auf der Datenleitung 16 ge­ mäß Fig. 3b anliegende Information von der Steuerein­ heit 7 in den Speicher 8 übernommen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine sichere Übertragung der Daten auch bei wechselnden Abständen zum Lesegerät 9 auf die integrierte Schaltung 1. Insbe­ sondere ist die eingesetzte Frequenz unkritisch, so daß sie aus einem weiten Frequenzbereich gewählt werden kann.
Die in Fig. 1 dargestellte integrierte Schaltung 1 für eine IC-Karte ist in vielfältiger Weise auch in Identi­ fikationssystemen einsetzbar, wobei weitere in Fig. 1 nicht dargestellte Funktionen, beispielsweise eine Uhr installierbar sind.
Wie schon darauf hingewiesen wurde, ist der Stromver­ brauch für die integrierte Schaltung 1 nach Fig. 1 sehr gering, insbesondere wenn die Schaltung als CMOS- Schaltung realisiert wird. Somit kann der aktuelle Zu­ stand der Schaltung während der Sendepausen mit einem relativ kleinen On-Chip-Kondensator gehalten werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Daten auf einen eine Halbleiterschaltung (1) aufweisenden Daten­ träger, insbesondere Chip- oder IC-Karte, wobei aus ei­ nem Hochfrequenzfeld (10), in das der Datenträger ge­ bracht wird, die Versorgungsspannung der Halbleiter­ schaltung (1) erzeugt wird, gekennzeichnet durch fol­ gende Merkmale:
  • a) zur Übertragung von Logikpegeln und Kommandobefeh­ len wird das Hochfrequenzfeld (10) derart ein- und ausgeschaltet, daß die Dauer der Sendepausen kon­ stant ist, jedoch die Sendedauer in Abhängigkeit der zu übertragenden Logikpegel und Kommandobe­ fehle jeweils unterschiedlich lang ist,
  • b) die Sendedauer bestimmt sich aus der Anzahl der gesendeten Perioden des Hochfrequenzfeldes (10),
  • c) zur Rückgewinnung der mit dem Hochfrequenzfeld (10) gesendeten Daten wird die Anzahl der zwischen zwei Sendepausen empfangenen Perioden des Hochfre­ quenzfeldes (10) festgestellt, gespeichert und ausgewertet,
  • d) Zur Bestimmung der Periodenanzahl wird ausschließ­ lich während der Sendezeiten ein Taktsignal er­ zeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Zuordnung der Periodenanzahl der zwischen zwei Sendepausen gesendeten Perioden des Hochfrequenz­ feldes (10) zu den Logikpegeln bzw. den Kommandobefeh­ len die besagte Periodenanzahl mit disjunkten Zahlenbe­ reichen verglichen wird, wobei jeweils jedem Zahlenbe­ reich ein Logikpegel bzw. ein Kommandobefehl zugeordnet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendepausen kurz gegenüber den Sendezeiten sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Hochfrequenzfeld (10) ein Taktsignal gewonnen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Taktsignales ein Oszillator vorgesehen ist.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleiter­ schaltung (1) eine Steuereinheit (7) mit einem Speicher (8) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) zur Detektion des Hochfrequenzfeldes (10) ist eine Empfangseinheit (2) vorgesehen, die die empfange­ nen Signale einem Spannungsdetektor (3), einer Takterzeugungseinheit (4) sowie einer Spannungs­ versorgungseinheit (11) zuführt,
  • b) ferner ist ein Zähler (5) sowie eine Auswerteein­ heit (6) vorgesehen,
  • c) die Takterzeugungseinheit (4) führt dem Zähler (5) und der Steuereinheit (7) ein Taktsignal zu,
  • d) der Spannungsdetektor (3) steuert in Abhängigkeit des getakteten Hochfrequenzfeldes (10) die Takterzeugungseinheit (4) und führt dem Zähler (5) bzw. der Auswerteeinheit (6) ein Reset- bzw. Latch-Signal zu,
  • e) der Zähler (5) führt seine Zählerstände zur Aus­ wertung der Auswerteeinheit (6) zu, die ihrerseits die aus den Zählerständen generierten Daten an die Steuereinheit (7) weiterleitet.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, wobei die Halb­ leiterschaltung (1) eine Steuereinheit (7) mit einem Speicher (8) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • a) zur Detektion des Hochfrequenzfeldes (10) ist eine Empfangseinheit (2) vorgesehen, die die empfange­ nen Signale einem Spannungsdetektor (3) und einer Spannungsversorgungseinheit (11) zuführt,
  • b) ferner ist ein Zähler (5) sowie eine Auswerteein­ heit (6) vorgesehen,
  • c) weiterhin ist eine Takterzeugungseinheit (4) vor­ gesehen, die mittels des Oszillators (4a) ein Taktsignal erzeugt, das dem Zähler (5) und der Steuereinheit (7) zugeführt wird,
  • d) der Spannungsdetektor (3) steuert in Abhängigkeit des getakteten Hochfrequenzfeldes (10) die Takter­ zeugungseinheit (4) und führt dem Zähler (5) bzw. der Auswerteeinheit (6) ein Reset- bzw. Latch- Signal zu,
  • e) der Zähler (5) führt seine Zählerstände zur Aus­ wertung der Auswerteeinheit (6) zu, die ihrerseits die aus den Zählerständen generierten Daten an die Steuereinheit (7) weiterleitet.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Versorgungs­ spannung der Spannungsversorgungseinheit (11) ein Spei­ cherkondensator (C) zugeordnet ist, der als On-Chip- Kondensator mit der als integrierte Schaltung ausge­ führte Halbleiterschaltung (1) integriert ist.
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