Коммуникационное устройство для установления канала передачи данных между интеллектуальными устройствами
Изобретение относится к использованию коммуникационных элементов, автоматически устанавливающих каналы передачи данных между интеллектуальными устройствами при приближении их друг к другу. Достигаемый технический результат - создание устройства с уменьшенным потреблением энергии. Коммуникационное устройство для автоматического установления канала передачи данных между двумя интеллектуальными устройствами (10, 20, 30) содержит: катушку (13, 23, 33), являющуюся частью передающего колебательного контура (50) и предназначенную для осуществления бесконтактного обмена данными; коммуникационный элемент (12, 22), соединенный с катушкой и компонентом (11, 21) обработки данных интеллектуального устройства и выполненный с возможностью передачи посредством катушки сигналов поисковых запросов и приема ответа на такой сигнал от другого интеллектуального устройства; измерительное устройство (14, 24), предназначенное для контроля параметра передающего колебательного контура и выполненное с возможностью выдачи управляющего сигнала при определении изменения контролируемого параметра; коммутационное устройство (15, 25), соединенное с измерительным устройством и коммуникационным элементом и выполненное с возможностью включения коммуникационного элемента при получении от измерительного устройства управляющего сигнала. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к использованию коммуникационных элементов, автоматически устанавливающих каналы передачи данных между пригодными для осуществления передачи данных интеллектуальными устройствами, причем установление канала или каналов передачи данных начинается при приближении друг к другу двух интеллектуальных устройств. Подход к автоматическому установлению канала передачи данных между интеллектуальными устройствами описан в спецификации ECMA/TC32/TG19/2003/12 Европейской ассоциации производителей компьютерного оборудования, в которой соответствующая технология беспроводной связи в ближнем поле обозначена английским термином Near Field Communication (сокращенно NFC). Основная задача этого подхода состоит в максимальном упрощении для пользователя процесса установления канала передачи данных между интеллектуальными устройствами. Для решения указанной задачи канал передачи данных между двумя устройствами указанного типа, каждое из которых поддерживает протокол NFC, устанавливается автоматически после сближения этих устройств друг с другом на определенное расстояние, обычно на расстояние менее 0,2 м. При этом одно из интеллектуальных устройств (инициирующее процесс установления соединения устройство) в режиме поиска передает поисковый запрос, а второе интеллектуальное устройство (подчиненное устройство) отвечает на этот запрос. В процессе непосредственно следующего за этим обмена данными оба интеллектуальных устройства согласуют между собой режим передачи данных, в котором впоследствии и осуществляется обмен данными между компонентами обработки данных соответствующих интеллектуальных устройств.
Обнаружение других интеллектуальных устройств, находящихся в зоне действия протокола NFC, осуществляется в режиме поиска посредством регулярной передачи поисковых запросов. Для передачи поисковых запросов предусмотрены следующие параметры: несущая частота передатчика 13,56 МГц, напряженность магнитного поля от 1,5 до 7,5 А/м. Следствием необходимости обеспечения вышеуказанной минимально допустимой напряженности магнитного поля является то, что поддерживающими протокол NFC устройствами постоянно потребляется сравнительно большая мощность. Такое повышенное энергопотребление приводит к сокращению продолжительности (автономной) эксплуатации устройств с ограниченными энергоресурсами, прежде всего устройств с батарейным питанием. Для сведения к минимуму указанного нежелательного эффекта интеллектуальные устройства могут иметь коммутационное устройство, позволяющее пользователю самому переключать поддерживающее протокол NFC устройство в режим поиска. Однако такое техническое решение находится в противоречии с основной целью технологии NFC, заключающейся в максимально возможном упрощении для пользователя процесса установления соединения, поскольку оно требует от пользователя дополнительного управления по меньшей мере функцией включения/выключения вышеуказанного режима.
В стандартах ISO/IEC 14443 и ISO/IEC 15693 описан способ установления считывающим устройством канала передачи данных с другим интеллектуальным устройством (бесконтактной карточкой со встроенной микросхемой (чип-картой) / транспондером радиочастотной идентификации). Для этого считывающее устройство периодически, до тех пор пока в зоне действия считывающего устройства не будет обнаружено интеллектуальное устройство, с высокой напряженностью поля (например от 1,5 до 7,5 А/м по стандарту ISO/IEC 14443) передает сигнал поискового запроса "REQUEST".
Из патентной заявки DE 10206676 известно управляемое посредством транспондера коммутационное устройство, которое практически не потребляет электроэнергии до получения команды на срабатывание, иными словами, на осуществление переключения. Для этой цели коммутируемое устройство имеет катушку, включенную в колебательный контур, который в режиме обнаружения функционирует в качестве в основном ненагруженного чистого колебательного контура. При этом резонансная частота колебательного контура контролируется специальным устройством контроля частоты. С приближением транспондера, соответственно катушки транспондера к работающей в режиме обнаружения катушке резонансная частота колебательного контура изменяется. Изменение частоты регистрируется устройством контроля частоты, которое при этом выдает сигнал переключения, по которому включается коммутируемое устройство. Вышеописанным известным техническим решением предусматривается непосредственное переключение из режима обнаружения в режим передачи данных, т.е. непосредственное, не имеющее промежуточных стадий включение интеллектуального устройства посредством носителя катушки, выполняющего прежде всего функцию переключательного элемента.
В основу настоящего изобретения была положена задача создания коммуникационного устройства для автоматического установления канала передачи данных между интеллектуальными устройствами, поддерживающими автоматическое установление такого канала, которое без ущерба для удобства пользования обладало бы как можно меньшим потреблением энергии.
Указанная задача решается с помощью устройства, охарактеризованного в главном пункте формулы изобретения. Предлагаемое в изобретении коммуникационное устройство содержит коммуникационный элемент с катушкой для передачи сигналов поисковых запросов, причем режим передачи сигналов поисковых запросов включается лишь после определения измерительным устройством изменения состояния передающего колебательного контура, построенного на основе вышеуказанной катушки. Передающий колебательный контур и измерительное устройство могут работать с минимальным энергопотреблением, а передача сигналов поисковых запросов, необходимых для обнаружения присутствия соответствующих интеллектуальных устройств, может осуществляться лишь тогда, когда имеются основания полагать, что в зоне действия катушки может находиться другое интеллектуальное устройство. Такой подход позволяет существенно уменьшить потребность коммуникационного устройства в энергии. По вышеуказанной причине предлагаемое в изобретении техническое решение в особенности подходит для интеллектуальных устройств с ограниченными энергоресурсами, например для устройств с батарейным питанием. В наиболее предпочтительном варианте обращение с интеллектуальным устройством, оснащенным выполненным в соответствии с изобретением коммуникационным устройством, ничем не отличается от обращения с устройствами, постоянно передающими поисковые запросы. Работающее устройство не требует внимания пользователя. В предпочтительном варианте осуществления изобретения от эксплуатирующего в предлагаемом в изобретении коммуникационном устройстве пользователя не требуется никаких действий и после обнаружения присутствия другого интеллектуального устройства, в процессе установления канала передачи данных.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для осуществления передачи данных после включения коммуникационного элемента в колебательный контур подключается дополнительное омическое сопротивление, позволяющее с уменьшением добротности передающего колебательного контура расширить его полосу пропускания.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении коммуникационного устройства после его включения на колебательный контур путем включения в него пригодных для этой цели дополнительных элементов оказывается воздействие, приводящее к изменению резонансной частоты. Таким путем обеспечивается дополнительная защита иных интеллектуальных устройств, также поддерживающих функцию автоматического установления канала передачи данных, от помех, обусловленных работой рассматриваемого устройства в режиме поиска.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении коммуникационного устройства измерительное устройство включается лишь периодически. Такой подход позволяет дополнительно уменьшить потребность коммуникационного устройства в энергии. Для обеспечения периодичности такого включения в коммуникационном устройстве целесообразно предусмотреть таймер, причем результаты измерений целесообразно оценивать путем их сравнения со средним значением результатов предыдущих измерений.
Измерительное устройство предпочтительно имеет два генератора колебательных сигналов, один из которых соединен с катушкой. Помимо этого измерительное устройство может иметь схемные компоненты для генерирования управляющего сигнала для коммутационного устройства на основе соотношения фаз этих колебательных сигналов или производных от них сигналов. Такой подход позволяет сравнительно малыми средствами обеспечить высокую точность контроля состояния передающего колебательного контура и благодаря этому надежность обнаружения находящихся в зоне действия катушки других устройств.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - структура и конструкция интеллектуальных устройств, поддерживающих функцию автоматического установления канала передачи данных,
на фиг.2 - упрощенная эквивалентная схема коммуникационного устройства,
на фиг.3 - блок-схема алгоритма работы коммуникационного устройства,
на фиг.4 - блок-схема алгоритма работы снабженного таймером коммуникационного устройства,
на фиг.5 - первый вариант схемотехнической реализации измерительного блока с использованием схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ),
на фиг.6 - характеристики некоторых внутренних сигналов измерительного блока при приближении к нему другого устройства,
на фиг.7 - второй вариант схемотехнической реализации измерительного блока с использованием схемы ФАПЧ и
на фиг.8 - схемотехническая реализация функциональных блоков дифференцирования напряжения и порогового переключателя, показанных на фиг.5 или 7.
На фиг.1 изображены различные варианты выполнения интеллектуальных устройств 10, 20, 30. Каждое из этих устройств поддерживает функцию обмена данными с одним из других интеллектуальных устройств 10, 20, 30 посредством катушки 13, 23, 33. Все интеллектуальные устройства 10, 20, 30, ниже также сокращенно называемые просто устройствами, не имеют принципиальных конструктивных различий и включают компонент 11, 21, 31 обработки данных и коммуникационное устройство 1, 2, 3.
"Интеллект" (развитые логико-информационные возможности) устройств 10, 20, 30 в основном обеспечивает компонент 11, 21, 31 обработки данных, который содержит центральный процессор для осуществления операций по обработке данных. Помимо этого компонентом 11, 21, 31 обработки данных в существенной степени определяется внешний вид устройств 10, 20, 30. Как условно показано на фиг.1, устройство 10, 20, 30 может быть выполнено, например, в виде портативного компьютера 11, мобильного телефона 21 или имеющего чип 31 транспондера радиочастотной идентификации, размещенного, например, на бесконтактной чип-карте 30. Различные предусмотренные изобретением варианты выполнения устройств не исчерпываются перечисленными выше. Так, например, в дополнение к описанным выше вариантам устройство 10, 20, 30 может быть выполнено, например, в виде наручных часов, в виде имеющего электронные компоненты предмета одежды, например куртки, или в виде стационарного считывающего устройства системы продажи билетов или контроля доступа.
Каждое из коммуникационных устройств 1, 2, 3 имеет коммуникационный элемент 12, 22, соединенную с этим элементом 12, 22 катушку 13, 23, 33, соединенное с этой катушкой измерительное устройство 14, 24, а также соединенное с компонентом 11, 21 обработки данных, коммуникационным элементом 12, 22 и измерительным устройством 14, 24 коммутационное устройство 15, 25. На практике коммуникационное устройство 1, 2, 3 и компонент 11, 21 обработки данных выполняются, как правило, в виде единого конструктивного блока, расположенного, например, внутри корпуса портативного компьютера 11 или мобильного телефона 21 либо встроенного в чип 31 чип-карты 30.
Коммуникационный элемент 12, 22 предназначен для обнаружения присутствия в зоне действия катушки 13, 23, 33 другого устройства 10, 20, 30. Этот коммуникационный элемент 12, 22 имеет средства для выполнения программ и может быть выполнен в виде отдельного блока. После обнаружения другого устройства 10, 20, 30 коммуникационный элемент 12, 22 автоматически устанавливает с обнаруженным устройством канал передачи данных, по которому впоследствии может осуществляться обмен данными компонентами 11, 21, 31 обработки данных соответствующих устройств. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения коммуникационный элемент 12, 22 поддерживает либо протокол NFC, описанный в указанной выше публикации ECMA/TC32-TG19/2003/12 Европейской ассоциации производителей компьютерного оборудования, либо другой протокол бесконтактной передачи данных, например, описанный в стандартах ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15699 и ISO/IEC 18000-3.
Катушка 13, 23, 33 имеет обычную конструкцию и известным образом обеспечивает возможность бесконтактного обмена данными с соответствующим устройством 10, 20, 30. Эта катушка обычно представляет собой неотъемлемую часть устройства 10, 20, 30, что наглядно иллюстрирует приведенное на чертеже условное изображение чип-карты 30. Предусмотренная в коммуникационном устройстве 1, 2, 3 катушка 13, 23, 33 включена в передающий колебательный контур 50, имеющий определенную характерную резонансную частоту, которая может зависеть от режима работы устройства 10, 20, 30.
Измерительное устройство 14, 24 соединено с катушкой 13, 23, 33 и регистрирует состояние, т.е. значение одного из параметров, имеющего катушку 13, 23, 33 передающего колебательного контура 50. Тип катушки может, в частности, соответствовать описанному в вышеуказанной заявке DE 10206676.
Коммутационное устройство 15, 25 служит для включения и выключения коммуникационного элемента 12, 22 и измерительного устройства 14, 24. При этом включение и выключение одного или обоих компонентов 12, 22, соответственно 14, 24 может осуществляться опосредованно, посредством компонента 11, 21 обработки данных. Помимо этого коммутационное устройство 15, 25 служит для подключения и отключения отдельных элементов измерительного устройства 14, 24. В дополнение к этому коммутационное устройство 15, 25 может коммутировать и иные, не показанные на чертеже компоненты устройства 10, 20, 30.
На фиг.2 в упрощенном виде изображена эквивалентная схема устройства 10, 20, 30. Из всех элементов компонента 11, 22 обработки данных, которым определяется внешний вид устройства 10, 20, на чертеже обозначен лишь управляемый пользователем выключатель 40 питания (выключатель типа "включено-выключено"), посредством которого осуществляется включение и выключение подачи энергии от основного источника 41 питания устройства 10, 20. В качестве основного источника 41 питания может использоваться, в частности, батарея или аккумуляторная батарея. Однако в качестве основного источника 41 питания, прежде всего в случае стационарных считывающих устройств, может использоваться сетевое напряжение. При этом наличие выключателя 40 питания зависит от конкретного варианта выполнения устройства, причем в некоторых вариантах выполнения последнего, например при выполнении последнего в виде чип-карты 30, выключатель 40 питания может и отсутствовать. Такое устройство 30 должно быть либо включено постоянно, либо включаться иными средствами, согласованными с конструктивными особенностями этого устройства.
Коммутационное устройство 15, 25 содержит два переключателя 42, 44, управляемых исполнительным органом 43, а при необходимости - и таймер 45. Исполнительный орган 43 и таймер 45 соединены с основным источником 41 питания. Первый переключатель 42 расположен между основным источником 41 питания и коммуникационным элементом 12, 22, а второй переключатель 44 - между основным источником 41 питания и измерительным устройством 14, 25. Второй переключатель 44 управляется таймером 45, который для этого соединен с исполнительным органом 43 и получает от последнего сигнал переключения. Как условно обозначено на чертеже соединительной линией 146, посредством первого переключателя 42 помимо коммуникационного элемента 12, 22 могут включаться и выключаться и иные, не показанные на чертеже компоненты соответствующего устройства 10, 20, 30. Все конструктивные элементы коммутационного устройства 15, 25 могут быть выполнены в виде отдельных элементов, в виде электрических схем или же в виде программ. Помимо этого в предпочтительном варианте осуществления изобретения исполнительный орган 43 и таймер 45 обладают определенным интеллектом (развитой логикой) и пригодны для выполнения программ.
Существенным элементом измерительного устройства 14, 24 является измерительный блок 46, выполненный с возможностью его включения и выключения переключателем 44 коммутационного устройства 15, 25. Этот измерительный блок 46 также соединен с исполнительным органом 43 коммутационного устройства 15, 25, а также посредством переключателя 47 - с катушкой 13, 23. Переключатель 47 управляется исполнительным органом 43. При этом он соединяет катушку 13, 23 либо с измерительным блоком 46, либо с коммуникационным элементом 12, 22. Помимо этого катушка 13, 23 соединена с коммуникационным элементом 12, 22. По аналогии с описанным выше коммутационным устройством 15, 25 конструктивные элементы измерительного устройства 14, 24 могут быть выполнены в виде отдельных элементов, в виде электрических схем или в виде программ. В предпочтительном варианте осуществления изобретения измерительный блок 46 также обладает определенным интеллектом (развитой логикой) и пригоден для выполнения программ. В вариантах выполнения устройства, имеющих наибольшие ограничения по энергоемкости, например при его выполнении в виде чип-карты 30, измерительное устройство может не предусматриваться. Подобное устройство 30 может быть обнаружено другими устройствами 10, 20, но само не может обнаруживать другие устройства 10, 20, 30.
Параллельно катушке 13, 23 подключен конденсатор 48, который во взаимодействии с катушкой 13, 23 образует передающий колебательный контур 50. Передающий колебательный контур 50 может подключаться к коммуникационному элементу 12 или к измерительному блоку 46 посредством переключателя 47. Параллельно передающему колебательному контуру 50, после переключателя 47, если смотреть со стороны контура 50, может быть предусмотрен дополнительный конденсатор 51 и резистор 52. Оба элемента 51, 52 могут подключаться к передающему колебательному контуру 50 переключателем 47. При этом конденсатор 51 обеспечивает изменение резонансной частоты передающего колебательного контура 50, а резистор 52 обеспечивает увеличение полосы пропускания колебательного контура с одновременным уменьшением его добротности. Указанные пассивные конструктивные элементы 47, 49, 51, 52 могут быть выполнены в виде отдельных конструктивных элементов или же в виде блоков, обеспечивающих заданное изменение параметров колебательного контура.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, пригодном прежде всего для устройств 10, 20, имеющих достаточные энергоресурсы, измерительный блок 46 выполнен в виде генератора качающейся частоты, постоянно варьирующего измерительную частоту в пределах заданного частотного диапазона. Этот заданный частотный диапазон покрывает по меньшей мере одну частоту, на которую настроено другое устройство 10, 20, 30.
На фиг.3 приведена блок-схема алгоритма работы устройства 10, 20, 30 в первом возможном режиме. По аналогии с показанной на фиг.2 схемой это устройство при необходимости имеет конденсатор 51 и сопротивление 52, позволяющие изменять параметры передающего колебательного контура 50.
Работа устройства 10, 20, 30 начинается с его включения на шаге 100, например, выключателем 40 питания, включающим подачу на устройство питания от основного источника 41. При таком включении включается и исполнительный орган 43. Он переключает переключатель 47 в положение, в котором последний соединяет катушку 13, 23, 33 с коммуникационным элементом 12, 22. Одновременно с этим переключатель 47 на шаге 102 включает в передающий колебательный контур 50 дополнительный резистор 52, а на шаге 104 - еще и дополнительный конденсатор 51 (при его наличии).
Подключение дополнительного резистора 52 приводит к снижению добротности Q передающего колебательного контура 50 и одновременно с этим, поскольку добротность Q и полоса В пропускания связаны взаимозависимостью В≈1/Q, к увеличению доступной для использования при передаче данных полосы В пропускания передающего колебательного контура 50.
Подключение дополнительного конденсатора 51 приводит к снижению резонансной частоты передающего колебательного контура 50 до пригодной для передачи данных частоты, например до частоты 13,56 МГц. Такое изменение параметров колебательного контура делает работающее в режиме передачи данных коммуникационное устройство 1, 2, 3 нечувствительным к помехам, обусловленным магнитными полями работающих в режиме обнаружения, иными словами, с более высокой резонансной частотой, соседних с ним устройств 10, 20, 30 того же типа.
На последующем шаге 106 исполнительным органом 43 включается коммуникационный элемент 12, 22. Сразу после включения коммуникационный элемент 12, 22 переходит в режим поиска и начинает посредством катушки 13, 23, 33 циклически передавать сигнал поискового запроса с тем, чтобы получить от необязательно присутствующего в зоне действия катушки 13, 23, 33 другого устройства 10, 20, 30 ответ на этот запрос.
При наличии в зоне действия катушки 13, 23, 33 другого устройства 10, 20, 30 последнее реагирует на принятый сигнал поискового запроса путем передачи ответа на этот запрос, по получении которого коммуникационный элемент 12, 22 коммуникационного устройства 1, 2, 3 переключается в режим передачи данных. После этого на шаге 108 получившее ответ на свой запрос устройство с использованием пригодного для этой цели протокола, например одного из указанных выше протоколов (NFC, 14443, ...), устанавливает канал передачи данных, соединяющий его с компонентом 11, 21, 31 обработки данных ответившего устройства 10, 20, 30.
На следующем за установлением канала передачи данных шаге 110 компонент 11, 21, 31 обработки данных получившего ответ устройства посредством катушки 13, 23, 33 известным методом осуществляет обмен данными с соответствующим компонентом 11, 21, 31 обработки данных ответившего устройства.
Исполнительный орган 43 ожидает происходящего на шаге 114 завершения обмена данными между компонентами 11, 21, 31 обработки данных соответствующих устройств 10, 20, 30. Факт завершения обмена данными может быть установлен либо посредством получения соответствующего сигнала от компонента 11 обработки данных или коммуникационного элемента 12, либо в ходе циклического осуществления исполнительным органом 43 соответствующей контрольной операции. Коммуникационный элемент 12, 22 может быть соединен с таймером 45 и исполнительным органом 43 независимо от переключателя 42.
После окончания обмена данными коммуникационное устройство 1, 2, 3 переключается исполнительным органом 42 в режим обнаружения.
Для этого на шаге 116 исполнительный орган 43 переключением переключателя 42 отключает коммуникационный элемент 12, 22 от основного источника 41 питания.
После этого исполнительный орган 43 посредством переключателя 47 соединяет измерительный блок 46 с передающим колебательным контуром 50. Затем посредством соответствующих переключателей от передающего колебательного контура 50 на шагах 120, 122 отключаются дополнительный резистор 52 и при необходимости конденсатор 51. Вследствие отключения дополнительного резистора 52 добротность передающего колебательного контура 50 снова приходит в соответствие добротности Q0 ненагруженного контура, в идеальном случае определяемой лишь индуктивностью катушки 13, 23, 33, емкостью 48 колебательного контура и входным сопротивлением катушки 13, 23, 33. С повышением добротности Q0 расширяется и зона обнаружения, в пределах которой работающим в режиме обнаружения устройством могут обнаруживаться другие расположенные поблизости устройства 10, 20, 30.
Возможное отключение конденсатора 51 позволяет при необходимости повысить частоту колебательного контура 50, а тем самым и измерительную частоту измерительного блока 46 до частоты, относящейся, например, к диапазону от 13,56 до 17 МГц. Такой подход позволяет исключить или уменьшить воздействие, оказываемое на измерительный блок 46 другими находящимися поблизости интеллектуальными устройствами, работающими в режиме обмена данными, иными словами, в режиме передачи данных. Поскольку в противном случае сигналы других считывающих устройств могли бы ошибочно интерпретироваться как признак приближения интеллектуального устройства, меры по целенаправленному уменьшению возможности распознавания сигналов других считывающих устройств являются оправданными. Одновременно с этим такой подход позволяет работающему в режиме обнаружения устройству не создавать помех необязательно находящимся вблизи него другим устройствам 10, 20, 30, работающим в режиме передачи данных.
На последующем шаге 124 исполнительный орган 43 посредством переключателя 44 включает измерительный блок 46, что необходимо для переключения устройства в режим обнаружения.
После включения измерительный блок 46 начинает контролировать определенный параметр передающего колебательного контура 50. В качестве контролируемого параметра может использоваться резонансная частота передающего колебательного контура 50, работающего в резонансном режиме. Появление катушки 13, 23, 33 другого устройства 10, 20, 30 в зоне обнаружения работающей в таком режиме катушки 13, 23, 33 приводит к изменению резонансной частоты передающего колебательного контура 50, которое на шаге 132 регистрируется измерительным блоком 46. В другом варианте в качестве контролируемого / измеряемого параметра может использоваться полное сопротивление передающего колебательного контура 50, работающего в резонансном режиме.
При регистрации измерительным блоком 46 изменения контролируемого параметра колебательного контура этим блоком передается соответствующий управляющий сигнал в исполнительный орган 43, по получению которого этот орган 43 начинает последовательное осуществление шагов вышеописанного алгоритма начиная с шага 102, иными словами, переключает устройство в режим поиска, соответственно в режим передачи данных.
В случае поддержки измерительным устройством 46 качающейся частоты этим устройством может осуществляться контроль заданного параметра колебательного контура во всем соответствующем диапазоне качания частоты. Этот диапазон задается таким, чтобы в него попадали по меньшей мере резонансные частоты устройств тех типов, с которыми предполагается устанавливать канал передачи данных. При использовании устройств 30 с резонансной частотой, составляющей приблизительно 13,56 МГц, может использоваться диапазон качания частоты от 13 до 18 МГц. При обнаружении на любой из частот этого диапазона изменения контролируемого параметра колебательного контура измерительным блоком 46 передается в исполнительный орган 43 управляющий сигнал на последовательное осуществление шагов алгоритма начиная с шага 102.
На фиг.4 приведена блок-схема другого алгоритма работы показанного на фиг.2 коммуникационного устройства. Этот алгоритм может использоваться либо в другом варианте осуществления изобретения, либо в дополнение к алгоритму, описанному выше со ссылкой на фиг.3. Предпосылкой для осуществления показанного на фиг.4 алгоритма является наличие у устройства 10, 20, 30 условно изображенного на фиг.2 таймера 45.
В соответствии с этим алгоритмом эксплуатация устройства 10, 20 также начинается на шаге 100 с его включения, например, выключателем 40 питания, включающим подачу на устройство питания от основного источника 41 питания.
Непосредственно после включения коммуникационное устройство 1, 2, 3 переходит в режим поиска. Для этого исполнительным органом 43 на шаге 202 включается коммуникационный элемент 12, 22, который после своего включения на шаге 204 путем циклической передачи сигналов поисковых запросов начинает проверять наличие в зоне действия катушки 13, 23, 33 другого устройства 10, 20, 30.
При получении на шаге 204 от другого устройства 10, 20, 30 ответа на переданный сигнал поискового запроса коммуникационное устройство 1, 2, 3 после установления канала передачи данных, соединяющего передавшее запрос устройство с ответившим устройством 10, 20, 30, переключается в режим передачи данных и на шаге 208 осуществляет обмен данными с обнаруженным устройством 10, 20, 30.
При неполучении ответа на сигнал поискового запроса коммуникационный элемент 12, 22 на шаге 206 выключается исполнительным органом 43.
Затем исполнительным органом 43 включается таймер 45, который после этого в рамках режима работы с циклическими включениями и выключениями путем соответствующего управления переключателем 44 на шаге 210 на заданное время включает измерительный блок 46. После своего включения измерительный блок 46 на шаге 212 измеряет контролируемый параметр колебательного контура и сохраняет его измеренное значение. На шаге 214 измерительным блоком на основе всех ранее определенных и сохраненных измеренных значений определяется среднее значение.
На шаге 216 это среднее значение сравнивается измерительным блоком с последним полученным на шаге 212 измеренным значением. При соответствии измеренного значения среднему значению считается установленным, что в зоне обнаружения передающего колебательного контура 50 отсутствуют другие устройства 10, 20, 30. В этом случае измерительный блок 46 не осуществляет каких-либо дальнейших операций и на шаге 218 выключается по таймеру 45. После выключения измерительный блок 46 остается выключенным до завершения обратного отсчета заданной длительности нахождения этого блока в выключенном состоянии, осуществляемого таймером 45 на шаге 220. Указанную длительность целесообразно задавать превышающей длительность нахождения измерительного блока 46 во включенном состоянии, иными словами, превышающей длительность промежутка времени, в течение которого этим блоком 46 осуществляются измерения.
Во время нахождения измерительного блока в выключенном состоянии все устройство 10, 20 может быть выключено на шаге 222, например, посредством выключателя 40 питания. Выключение устройства приводит к завершению алгоритма на шаге 224.
При истечении заданной длительности нахождения измерительного блока в выключенном состоянии до выключения устройства целиком измерительный блок 46 снова включается таймером 45 посредством переключателя 44, и шаги алгоритма начиная с шага 210 выполняются повторно в описанной выше последовательности.
При выявлении в процессе осуществляемого на шаге 216 сравнения несоответствия между последним измеренным значением и средним значением на шаге 226 считается установленным, что в зоне обнаружения передающего колебательного контура 50 присутствует другое устройство 10, 20, 30. При этом измерительным блоком 46 передается в исполнительный орган 43 соответствующий управляющий сигнал, по которому исполнительный орган 43 переключает коммуникационное устройство 1, 2, 3 в режим поиска. Для этой цели он на шаге 228 посредством переключателя 44 выключает измерительный блок 46 и на шаге 230 посредством переключателя 42 включает коммуникационный элемент 12, 22.
Затем коммуникационный элемент 12, 22 в соответствии с приведенным выше описанием переключается в режим передачи данных, в котором на шаге 208 и происходит обмен данными между компонентами 11, 21 обработки данных обоих устройств.
На фиг.5 изображен первый вариант схемотехнической реализации измерительного блока 46 с использованием схемы ФАПЧ. Понятие ФАПЧ, или фазовой автоподстройки частоты, означает, что имеющий одну частоту сигнал так подстраивается под сигнал с опорной частотой, что соотношение фаз обоих сигналов становится постоянным. В первом варианте выполнения измерительного блока 46 он имеет первый генератор 60, генерирующий сигнал с частотой f1 и передающий его в первый делитель 61 частоты, выполненный в виде целочисленного или двоичного делителя и осуществляющий деление частоты с коэффициентом N деления. Прерывистыми линиями условно обозначено подключение к первому генератору 60 катушки 13, 23. Это подключение может быть выполнено по аналогии с фиг.2 посредством переключателя 47 и общей массы. Конкретная реализация подключения зависит от схемотехнических особенностей схемы применяемого генератора, а также от схемотехнических особенностей коммуникационного элемента 12, 22 (выходного каскада передатчика). Известны, например, схемы генераторов, например генераторы Колпитца, у которых вывод катушки 13, 23 со стороны переменного тока может соединяться с массой. В этом случае переключатель 47 может быть выполнен с возможностью управления подключением к измерительному блоку 46, соответственно отключением от последнего лишь одного из выводов катушки, например, по аналогии со схемой, показанной на фиг.2.
В другом варианте выполнения схемы генератора 60 может потребоваться соединить второй вывод катушки не с массой, а с питающим напряжением (например, при использовании генератора, построенного по схеме Колпитца). В этом случае может потребоваться наличие второго, не показанного на чертеже переключателя 47b.
Известны и генераторы, схемы которых предусматривают соединение со схемой генератора 60 обоих выводов катушки. И в этом случае для переключения катушки 13, 23 между измерительным блоком 46 и коммуникационным элементом 12, 22 может потребоваться не показанный на чертеже дополнительный переключатель 47b.
Также показанное на фиг.2 подключение измерительного блока 46 к переключателю 44, обеспечивающему включение и выключение этого блока 46, не отображено на фиг.5, поскольку на фиг.5 для упрощения не показана схема подвода энергии к отдельным компонентам измерительного блока 46.
Помимо этого измерительный блок 46 имеет второй генератор 62, генерирующий сигнал с частотой f2 и подающий его во второй делитель 63 частоты, осуществляющий деление частоты с коэффициентом М деления. Этот второй делитель 63 частоты выполнен аналогично первому делителю 61 частоты и с выходной стороны соединен с одним из входов фазового компаратора 64. К другому входу этого фазового компаратора 64 подключен выход первого делителя 61 частоты. После фазового компаратора 64 подключен фильтр 65 нижних частот (ФНЧ), подающий напряжение U как на вход второго генератора 62, так и на вход блока 66 дифференцирования напряжения. С выходной стороны блок 66 дифференцирования напряжения соединен со входом порогового переключателя 67, обеспечивающего на своем выходе управляющее напряжение Us для показанного на фиг.2 исполнительного органа 43. Компоненты 60, 61, 62, 63, 64 и 65 измерительного блока 46 образуют модифицированную схему ФАПЧ, принцип работы которой во взаимодействии с компонентами 66 и 67 более подробно пояснен ниже.
Первый генератор 60 выполнен в виде LC-генератора, причем частота выдаваемого им сигнала определяется индуктивностью L катушки 13, 23. Путем надлежащего подбора определяющей частоту емкости С первый генератор 60 настраивается таким образом, чтобы при отсутствии другого устройства 10, 20, 30 он генерировал сигнал с частотой, соответствующей применяемой в режиме обнаружения несущей частоте передатчика. Для повышения частоты при необходимости может применяться конденсатор 51. Первый делитель 61 частоты делит частоту f1 выходного сигнала первого генератора 60 с использованием коэффициента N деления и таким путем получает сигнал с частотой f1/N.
Поскольку деление частоты является предпочтительным, но не обязательным, первый делитель 61 частоты может и не предусматриваться, соответственно коэффициент N деления может быть равен единице.
Второй генератор 62 выполнен в виде генератора, управляемого напряжением (ГУН), что позволяет поставить частоту f2 генерируемого вторым генератором 62 сигнала в зависимость от подаваемого напряжения U. Сигнал с частотой f2 преобразуется вторым делителем 63 частоты в сигнал с частотой f2/M. По аналогии с первым делителем 61 частоты второй делитель 63 частоты также может и не предусматриваться, соответственно коэффициент М деления может быть равен единице. Выдаваемые делителями 61 и 63 частоты сигналы подаются в фазовый компаратор 64, который сравнивает их друг с другом и по результатам сравнения выдает в фильтр 65 нижних частот сигнал, характеризующий сдвиг фаз. Фильтр 65 нижних частот подавляет высокочастотные составляющие сигнала, делая выдаваемое этим фильтром 65 напряжение U пригодным для его использования в качестве управляющего напряжения для второго генератора 62. Регулирующие свойства схемы ФАПЧ позволяют автоматически подстраивать частоты f2 второго генератора 62 таким образом, чтобы соблюдалось следующее условие: f2=f1·M/N, соответственно чтобы точно соблюдалось постоянное соотношение фаз обоих генераторов 60 и 62.
В предпочтительном варианте выполнения измерительного блока первым делителем 61 частоты используется коэффициент N деления N>1, а вторым делителем 63 частоты - коэффициент М деления М=1. Такой подход позволяет второму генератору 62 работать на более низкой по сравнению с первым генератором 60 частоте и не создавать своим сигналом помех работе устройства 10, 20, 30. При, например, N=2 второй генератор 62 может работать на частоте f2=6,78 МГц. В наиболее предпочтительном варианте коэффициенты N и М деления, используемые делителями 61 и 63 частоты, имеют нецелочисленное соотношение, например M/N=5/6. При этом частота f2 второго генератора 62 может задаваться такой, чтобы в том числе и возможные высшие гармоники второй частоты f2, а также паразитное излучение второго генератора 62 не создавали воздействующих на катушку 13, 23 помех на частотах, близких к рабочим частотам катушки, поскольку именно подобные помехи наиболее негативно сказываются на работоспособности устройства. При этом несущественно, больше ли единицы соотношение M/N или меньше.
При нахождении измерительного блока 46 в настроенном состоянии, иными словами, при точном соблюдении постоянного соотношения фаз сигналов обоих делителей 61 и 63 частоты, выдаваемое фильтром 65 нижних частот напряжение U является постоянным. С приближением к катушке 13, 23 другого устройства 10, 20, 30 воздействие индуктивно связанного полного сопротивления другого устройства 10, 20, 30 приводит к измерению фазы и, при необходимости, частоты первого генератора 60, а тем самым и к сдвигу фаз между обоими входными сигналами фазового компаратора 64. Следствием вышеуказанного является изменение выдаваемого фильтром 65 нижних частот напряжения U, приводящее к изменению частоты f2 и фазы выходного сигнала второго генератора 62, прекращающемуся лишь с возвратом к поддержанию постоянного соотношения фаз выходных сигналов обоих генераторов 60 и 62. Осуществляемый вышеописанным путем процесс подстройки частоты f2 второго генератора 62 и основанного на регистрации рассогласования фаз обнаружения другого устройства 10, 20, 30 более подробно пояснен ниже со ссылкой на фиг.6.
На фиг.6 изображены характеристики нескольких внутренних сигналов измерительного блока 46 при приближении к нему другого устройства 10, 20, 30. На всех диаграммах по абсциссе в одинаковом масштабе отложено время t, что делает возможным непосредственное сравнение характеристик различных сигналов. На верхней из показанных на фиг.6 диаграмм показано изменение выдаваемого фильтром 65 нижних частот напряжения U в зависимости от времени, иными словами, по ординате отложено напряжение U. По ординате средней диаграммы отложено изменение в зависимости от времени напряжения dU/dt, определяемого блоком 66 дифференцирования напряжения и выдаваемого на пороговый переключатель 67. По ординате нижней диаграммы отложено выдаваемое пороговым переключателем 67 управляющее напряжение Us.
На фиг.8 изображен вариант выполнения функциональных блоков 66, 67.
В этом варианте фильтр нижних частот образован элементами R4, R5, С2, причем на минусовой вход усилителя V1 подается среднее значение элементарного (частичного) напряжения от U с большой постоянной времени (например, 1 с). На плюсовой вход усилителя V1 через элементы R1, R2, R3 также подается частичное напряжение от U.
При сопровождающем приближение катушки 13, 23, 33 резком, например, падении напряжения U напряжение на плюсовом входе усилителя краткосрочно падает ниже напряжения на его минусовом входе, в результате чего до момента выхода напряжения на минусовом входе на новое (среднее) значение усилителем выдается сигнал Us переключения.
При приближении катушки 13, 23, 33 напряжение U может либо увеличиваться, либо уменьшаться. Точная характеристика изменения напряжения зависит от используемой электрической схемы (фиг.5, 7) и особенностей ее практической реализации.
Начиная с момента t=t1 приближение другого устройства влечет за собой описанное выше изменение напряжения U фильтра 65 нижних частот, которое до этого момента оставалось постоянным. Это изменение проявляется в изображенном на показанной на фиг.6 верхней диаграмме скачкообразном увеличении напряжения U, которое, достигнув более высокого уровня, далее остается неизменным. Поскольку напряжение U может изменяться на сравнительно малую величину, для управления пороговым переключателем 67 используется не само напряжение U, а сигнал dU/dt, характеризующий изменение напряжения в зависимости от времени. Как показано на средней диаграмме, непосредственно после момента t=t1 этот сигнал достигает явно выраженного максимума, хорошо пригодного для дальнейшей обработки. Этот максимум превышает порог срабатывания порогового переключателя 67, обозначенный прерывистой горизонтальной линией. Таким образом обеспечивается срабатывание порогового переключателя 67 и выдача им показанного на нижней диаграмме импульса прямоугольной формы. Вследствие конечности процесса возрастания напряжения U, а также вследствие того, что на обработку сигнала пороговому переключателю 67 требуется некоторое время, прямоугольный импульс управляющего напряжения Us начинает выдаваться с небольшой временной задержкой относительно момента t=t1. Этот прямоугольный импульс выдается измерительным блоком 46 в исполнительный орган 43 в целях дальнейшей обработки.
На фиг.7 изображен второй вариант схемотехнической реализации измерительного блока 46 с использованием схемы ФАПЧ. Конструкция этого блока в основном аналогична первому варианту. Однако в отличие от первого варианта выполнения измерительного блока 46 в этом втором варианте второй генератор 62 выполнен не в виде генератора, управляемого напряжением, а в виде генератора со стабильной частотой. При этом в виде управляемого напряжением LC-генератора выполнен первый генератор 60. В этом варианте подстройка частоты f1 осуществляется посредством зависимой от напряжения емкости, которой наряду с индуктивностью катушки 13, 23 определяется частота f1 первого генератора 60. Следствием иного выполнения генераторов 60 и 62 является измененная схема подключения отдельных компонентов измерительного блока 46, и в частности соединение выхода фильтра 65 нижних частот со входом первого генератора 60. Ко второму генератору 62 входные сигналы не подводятся. Измененной электрической схемой обусловлен описанный ниже иной принцип работы выполненного по второму варианту измерительного блока.
При помощи аналогового механизма регулирования, описанного выше применительно к первому варианту выполнения измерительного блока, частота f1 первого генератора 60 поддерживается постоянной, причем значение этой частоты определяется частотой f2 второго генератора 62 и коэффициентами N и М деления, используемыми делителями 61 и 63 частоты. При этом путем надлежащего подбора частоты f2 и коэффициентов N и М деления можно прежде всего обеспечить постоянное соответствие частоты f1 первого генератора 60 используемой в режиме обнаружения несущей частоте передатчика. При приближении другого устройства 10, 20, 30 частота f1 первого генератора 60 не меняется, несмотря на индуктивно связанное полное сопротивление. Тем не менее, при приближении другого устройства 10, 20, 30 происходит поддающееся обнаружению изменение напряжения U, поскольку подстройка первого генератора 60 осуществляется при помощи напряжения U, и тем самым компенсируется расстройка первого генератора 60. На основе напряжения U описанным выше образом формируется сигнал управления для исполнительного органа 43.
В показанном на фиг.2 варианте измерительный блок 46 и коммуникационный элемент 12, 22 выполнены в виде самостоятельных схемотехнических элементов. Необходимый в таком варианте переключатель 47, переключающий катушку 13, 23 между измерительным блоком 46 и коммуникационным элементом 12, 22, должен быть рассчитан на высокие напряжения и большую мощность. При резонансном повышении напряжения на катушке 13, 23 могут возникать высокие высокочастотные напряжения, достигающие нескольких сотен вольт. В зависимости от излучаемой мощности для коммутации подобных сигналов могут в некоторых случаях требоваться дорогостоящие и сложные схемы. По указанной причине в модифицированном варианте осуществления изобретения выходной каскад коммуникационного элемента, предпочтительно выполненный в виде транзисторной схемы, при условии обеспечения надлежащей коммутации рабочей точки, усиления и обратной связи выходного сигнала может использоваться в том числе и в качестве первого генератора 60, соответственно второго генератора 62. Подобные выходные каскады при наличии в них соответствующей обратной связи в принципе склонны к возникновению в них колебаний.
Измерительный блок 46 имеет высокий порог чувствительности, позволяющий регистрировать даже малейшие изменения фазы. При использовании измерительного блока 46 и катушки 13, 23 с соответствующими рабочими параметрами другие устройства 10, 20, 30 можно обнаруживать даже на больших расстояниях, достигающих нескольких метров. Такой подход позволяет использовать измерительный блок 46, например, для защиты выставленных на продажу товаров от кражи. В этом случае выдаваемое пороговым переключателем 67 управляющее напряжение Us может использоваться для включения сигнала тревоги. На выставленные на продажу товары могут наноситься, например, радиочастотные этикетки, имеющие колебательный контур без чипа и обычно рассчитанные на работу на частоте 8,2 МГц. Могут использоваться и магнитно-акустические этикетки, обычно работающие в частотном диапазоне до 60 кГц.
На основной идее изобретения, заключающейся в том, что коммуникационный элемент, автоматически устанавливающий канал передачи данных, соединяющий этот коммуникационный элемент с соответствующим однотипным другим коммуникационным элементом, можно включать лишь после обнаружения такого другого коммуникационного элемента, могут быть основаны различные варианты осуществления изобретения. При этом с сохранением полностью одинаковой функциональности конструкция интеллектуальных устройств 10, 20, 30 может отличаться от описанных выше вариантов. Такие отличия могут выражаться прежде всего в замене описанных выше конструктивных элементов обладающими аналогичной функциональностью иными узлами или схемами. Помимо этого с сохранением той же функциональности структура предусмотренных изобретением интеллектуальных устройств, коммуникационных элементов, коммутационного устройства, измерительного устройства и компонентов обработки данных также может отличаться от указанной в приведенном выше описании. Прежде всего функции исполнительного органа 43, таймера 45 и измерительного блока 46 могут быть полностью или частично реализованы в виде программ, выполняемых центральным процессором устройства 10, 20, 30. Возможны и до определенной степени упрощенные варианты осуществления изобретения. Так, например, резонансная частота передающего колебательного контура 50 в режиме поиска может не изменяться, что делает излишним дополнительный конденсатор 51.
1. Коммуникационное устройство для установления канала передачи данных между интеллектуальными устройствами, содержащее
катушку (13, 23, 33), являющуюся частью передающего колебательного контура (50) и предназначенную для осуществления бесконтактного обмена данными,
коммуникационный элемент (12, 22), соединенный с катушкой (13, 23, 33) и компонентом (11, 21) обработки данных интеллектуального устройства (10, 20, 30) и выполненный с возможностью передачи посредством катушки (13, 23, 33) сигналов поисковых запросов и приема ответа на такой сигнал от другого интеллектуального устройства (10, 20, 30),
измерительное устройство (14, 24), предназначенное для контроля параметра передающего колебательного контура (50) и выполненное с возможностью выдачи управляющего сигнала при определении изменения контролируемого параметра, и
коммутационное устройство (15, 25), соединенное с измерительным устройством (14, 24) и коммуникационным элементом (12, 22) и выполненное с возможностью включения коммуникационного элемента (12, 22) при получении от измерительного устройства (14, 24) управляющего сигнала.
2. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет компонент (52), включаемый в передающий колебательный контур (50) посредством переключателя (47) и вызывающий расширение полосы пропускания колебательного контура (50).
3. Коммуникационное устройство по п.2, отличающееся тем, что компонент (52) представляет собой резисторный элемент.
4. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет компонент (51), включаемый в передающий колебательный контур (50) посредством переключателя (47) и вызывающий изменение резонансной частоты колебательного контура (50).
5. Коммуникационное устройство по п.4, отличающееся тем, что компонент (51) обеспечивает уменьшение резонансной частоты.
6. Коммуникационное устройство по п.4, отличающееся тем, что компонент (51) содержит конденсатор.
7. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство (14) выполнено с возможностью качания частоты измерений в заданном частотном диапазоне.
8. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутационное устройство (15, 25) имеет таймер (45), обеспечивающий циклическое включение и выключение измерительного устройства (14, 24).
9. Коммуникационное устройство по п.8, отличающееся тем, что задаваемая таймером (45) длительность нахождения измерительного устройства (14, 24) во включенном состоянии меньше длительности его нахождения в выключенном состоянии.
10. Коммуникационное устройство по п.8, отличающееся тем, что измерительное устройство (14, 24) выполнено с возможностью сохранения измеренного значения контролируемого параметра, полученного во время циклической фазы включения.
11. Коммуникационное устройство по п.8, отличающееся тем, что измерительное устройство (14, 24) выполнено с возможностью выдачи в коммутационное устройство (15, 25) управляющего сигнала в случае отклонения измеренного значения от среднего значения, определенного на основе измеренных значений, сохраненных в фазах включения.
12. Коммуникационное устройство по п.8, отличающееся тем, что при включении интеллектуального устройства (10, 20, 30) сначала включается коммуникационный элемент (12, 22) и выключается измерительное устройство (14, 24).
13. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство (14, 24) имеет первый генератор (60), по меньшей мере периодически соединяемый с катушкой (13, 23, 33) и предназначенный для генерирования первого колебательного сигнала, и второй генератор (62) для генерирования второго колебательного сигнала.
14. Коммуникационное устройство по п.13, отличающееся тем, что измерительное устройство (14, 24) имеет схемные компоненты (64, 65, 66, 67) для генерирования управляющего сигнала для коммутационного устройства (15, 25) на основе соотношения фаз первого и второго колебательных сигналов или производных от них сигналов.
15. Способ включения коммуникационного элемента, выполненного таким образом, чтобы с применением катушки (13, 23, 33), являющейся частью передающего колебательного контура (50), автоматически устанавливать канал передачи данных с интеллектуальным устройством (10, 20, 30), также содержащим коммуникационный элемент (12, 22) и катушку (13, 23, 33), включающий в себя следующие шаги:
при помощи измерительного устройства (14, 24) контролируют параметр передающего колебательного контура (50),
при изменении контролируемого параметра генерируют управляющий сигнал, и
на основании этого управляющего сигнала посредством коммутационного устройства (15, 25) включают коммуникационный элемент (12, 22).
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что в процессе контроля параметра осуществляют качание частоты измерений измерительного блока (46) в заданном частотном диапазоне.
