DE69334175T2

DE69334175T2 - Multimode-identifizierungssystem

Info

Publication number: DE69334175T2
Application number: DE69334175T
Authority: DE
Inventors: Michael L. Corona Beigel; Nathaniel New York POLISH; Robert E. Pacific Palisades MALM
Original assignee: Avid Identification Systems Inc
Current assignee: Avid Identification Systems Inc
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: WO1994020941A1; EP0688454A4; AU673350B2; ES2098199T3; AU3798093A; ES2098199T1; PT688454E; EP0688454A1; GR970300010T1; US5235326A; KR100294766B1; JPH08510871A; DE688454T1; ATE374985T1; DE69334175D1; DK0688454T3; EP0688454B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf zusammenwirkende Erkennungssysteme (die ihre elektronischen Anfänge im 2. Weltkrieg als Freund-oder-Feind-Identifizierungssysteme hatten), bei denen die Identifizierungsstelle und das zu identifizierende Objekt beim Erkennungsprozess nach einem vorgegebenen Schema zusammenarbeiten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Systeme, die gattungsgemäß aus einem Abfrage/Antwortgerät (oder „Leser") bestehen, das induktiv an ein Übertragungs- und Antwortsystem (oder „Marke") gekoppelt ist, wobei der Leser zur Identifizierungsstelle gehört und die Marke dem zu identifizierenden Objekt zugeordnet ist.
Derartige Systeme werden verwendet oder bieten die Möglichkeit zur Verwendung beim Identifizieren von Fischen, Vögeln, Säugetieren oder leblosen Objekten wie Kreditkarten. Zu den interessanteren Anwendungsmöglichkeiten gehören Objekte von geringer Größe, was bedeutet, dass das Übertragungs- und Antwortsystem winzig sein muss. In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Marke dauerhaft am Objekt zu befestigen, was eine Implantation der Vorrichtung in das Gewebe von Lebewesen und irgendwo unter der Oberfläche lebloser Objekte bedeutet. In den meisten Fällen schließt eine Implantation der Marke in das Objekt die Verwendung herkömmlicher Energiequellen zum Betreiben der Marke aus. Sonnenlicht durchdringt gewöhnlich die Oberfläche des Objekts nicht. Chemische Quellen wie Batterien erschöpfen sich und können nicht leicht ersetzt werden. Radioaktive Quellen könnten inakzeptable Risiken für das der Identifikation unterzogene Objekt bergen. Ein viele Jahre lang erfolgreich praktiziertes Vorgehen beim Betreiben der Marke besteht darin, die Marke mittels eines vom Leser erzeugten Magnetwechselfeldes mit Energie zu versorgen. Dieses Vorgehen führt zu einer kleinen, äußerst zuverlässigen Marke mit unbegrenzter Lebensdauer und ist zur Zeit das Vorgehen der Wahl.
Bei vielen Anwendungsformen geben Bequemlichkeit und Nutzwert vor, dass der Leser mitführbar sein muss, woraus sich die Verwendung von Batterien zum Versorgen der Einheit mit Leistung erklärt. Jedoch stellen Größe und Gewicht von Batterien mit der erforderlichen Kapazität zur Durchführung der Identifizierungsfunktion in vernünftigen Bereichen ohne Unterbrechung eine Herausforderung für das ganze Konzept der Mitführbarkeit dar. Das Doppelziel Benutzerfreundlichkeit und Systemleistung ist in der Vergangenheit Gegenstand unbehaglicher Kompromisse gewesen. Es besteht eine Notwendigkeit, die jüngsten Fortschritte in der Technologie für die Gestaltung energiesparender Systeme nutzbar zu machen, um das volle Potential von Erkennungssystemen auf der Basis von induktiver Kopplung zu verwirklichen.
Zum Minimieren des mit dem Implantieren der Marke in lebende Kreaturen verbundenen Traumas und auch in Sachen Bequemlichkeit und Nutzwert sollte die Marke so klein sein, dass sie eher mittels eines spritzenartigen Instrumentes als durch Chirurgie implantiert werden kann. Dieses Vorgehen hat sich in gegenwärtigen Systemen bestätigt und wird wahrscheinlich in Zukunft weiterhin das Implantationsverfahren der Wahl bleiben. Die Größe der heutigen Marken ist angebracht, was die größeren Prüflinge angeht. Eine Größenreduktion ist allerdings notwendig, wenn die Marken mit den kleineren Säugetieren, Vögeln und Fischen verwendet werden sollen.
Da Identifizierungssysteme dieses Typs immer mehr werden und sich die Benutzer mehren, wird es wichtig, dieses sich ändernde Umfeld bei der Gestaltung von Identifizierungsvorrichtungen der nächsten Generation zu beachten. Neuere Lesermodelle sollten imstande sein, ältere Markenmodelle zu lesen. Privat- und Sicherheitsinteressen der Benutzer müssen respektiert werden – ein Benutzer sollte nicht imstande sein, die Marken eines anderen Benutzers zu lesen. Und schließlich muss es in dieser computergesteuerten Welt möglich sein, Leser bequem mit Computern zu verbinden.
Das Multimode-Identifizierungssystem setzt sich aus Lesern und Marken zusammen, wobei ein in unmittelbarer Nähe einer Marke und induktiv daran gekoppelter Leser in Übereinstimmung mit einem festgeschriebenen Prozess die Marke abfragen und eine Antwort davon erhalten kann, wenn die Marke zu einer bestimmten Kategorie von Marken gehört. Die Antwort besteht aus einem für die Marke einzigartigen Identifikationscode zusammen mit Daten, die von in die Marke integrierten Sensoren geliefert werden.
Die Marken bestehen aus Kondensatoren, Induktionsspulen, Transistoren und evtl. anderen Festkörperbauteilen, die in Formen gepackt sind, die zur Befestigung an oder Implantation in lebendigen oder leblosen Objekten angepasst sind. Die Grundausstattung einer Marke besteht aus einer eng gewickelten Leiterspule, die unter Ansprechen auf ein durch einen Leser erzeugtes und durch die Spule hindurchgehendes reversierendes Abfragemagnetfeld eine Spannung über ihre Anschlüsse entwickelt; einem Kondensator, der parallel zu der Spule ist, wobei die Kombination bei einer bestimmten Abfragemagneffeldfrequenz in Resonanz ist; einem Wandler von Wechselstrom zu Gleichstrom, der den Schwingkreis überbrückt, der Wechselstromleistung aus dem Magnetfeld extrahiert und Gleichstromleistung an alle Markenschaltungen liefert; einer Steuerschaltung (oder Mikroprozessor), die sämtliche Funktionen in der Marke steuert; einem Taktgenerator, der das induzierte Signal über den Schwingkreis verwendet, um sämtliche benötigten Taktsignale für Markenfunktionen zu generieren; einem Schwellendetektor, der ein Rückstellsignal an die Steuerschaltung bereitstellt, wenn die Ausgangsspannung des Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlers einen Pegel erreicht, der zum Betrieb der ganzen Markenschaltung ausreicht; einem für die Steuerschaltung zugänglichen Permanentspeicher, der den Markenidentifikationscode enthält; Sensoren zum Messen von Umgebungsparametern wie Temperatur, Stoß und Schwingung und, im Falle von lebenden Markenträgern, Blutzuckerspiegel und pH-Faktor; einem A/D-Wandler, der selektiv an jeden der Sensoren angeschlossen werden kann, um die analogen Sensorausgaben in digitale Darstellungen umzusetzen; und einer Schwingkreis-Belastungseinrichtung, die es der Steuerschaltung ermöglicht, in Übereinstimmung mit einem seriellen Bitstrom, der den Markenidentifikationscode und die Umgebungsdaten umfasst, eine wechselnde Belastung auf dem Schwingkreis zu platzieren.
Die Marke besteht körperlich aus einem Halbleiterchip, in dem die Vorrichtungen und Schaltungstechnik der Marke einschließlich des Abstimmkondensators aufgenommen sind, und einer eng gewickelten Leiterspule, die an den Halbleiterchip angefügt ist, wobei die Kombination in einem Glasrohr oder anderen geeigneten Behälter luftdicht eingeschlossen ist.
Die tragbare Version des Lesers ist zum Betrieb mit Batterien geeignet. Bei Festinstallationen ist der Leser zum Betrieb mit Wechselstromquellen geeignet.
Eine eng gewickelte Leiterspule in dem Leser stellt das Mittel zur induktiven Kopplung des Lesers an die Spule in einer Marke bereit, wenn die zwei Einheiten in unmittelbarer Nähe zueinander sind. Kondensatoren sind mit der Spule in Reihe geschaltet, um einen Schaltkreis zu schaffen, der mit derselben Frequenz schwingt wie der Schwingkreis in der zu lesenden Marke. Es sind Vorkehrungen für die nahezu unverzögerte Auswahl von Kapazitäts- oder Spuleninduktanzwerten getroffen, so dass die Eigenfrequenz des Lesers so ausgewählt werden kann, dass sie zur Eigenfrequenz der Marke passt.
Ein ausgeglichener zweiseitiger Spulentreiber, der von einem Taktgenerator mit einem periodischen Signal geeigneter Frequenz versorgt wird, treibt den Leser-Schwingkreis bei der Eigenfrequenz. Der Taktgenerator liefert auch sämtliche Taktsignale, die im Betrieb des Lesers benötigt werden.
Wenn der Leser und die Marke in unmittelbarer Nähe zueinander und induktiv aneinander gekoppelt sind, wird die Spannungsamplitude über die Leserspule gemäß dem an den Markenschwingkreis modulierten Belastungsmuster angelegt, wenn die Marke auf eine Abfrage von dem Leser antwortet. Diese Amplitudenveränderung, die ein Messwert der von der Marke aus dem reversierenden Magnetfeld entnommenen Leistung ist, wird mittels eines Hüllkurvendetektors erfasst.
Das Signal-Rausch-Verhältnis des Hüllkurvendetektorsignals wird durch geeignetes Filtern maximiert und das Signal dann durch einen A/D-Wandler digitalisiert. Das digitalisierte Hüllkurvendetektorsignal wird an einen Mikroprozessor geliefert, der die von der Marke zu dem Leser übertragenen Daten extrahiert.
Zum Lesen von Marken, die Informationen übertragen, indem sie bewirken, dass sich die Spannung über die Leserspule hinweg in Phase und/oder Frequenz sowie Amplitude verändert, wird eine andere Ausführungsform der Erfindung bevorzugt. Ein auf die Treiberfrequenz der Leserspule abgestimmter Sperrfilter wird für den Hüllkurvendetektor eingesetzt, und das Ausgangssignal von dem Sperrfilter wird digitalisiert und an den Mikroprozessor geliefert, der die Daten aus dem Signal herauszieht. Der Zweck des Sperrfilters besteht darin, das riesige Steuersignal zu unterdrücken, das in dem Spulensignal vorhanden ist, und dadurch den geforderten Dynamikbereich des A/D-Wandlers zu verkleinern.
Der Mikroprozessor interpretiert die Daten und bringt sie in eine zur Anzeige an den Benutzer geeignete Form. Der Mikroprozessor liefert ferner Audiosignale und/oder künstliche Sprache, die dazu gedacht sind, den Benutzer beim Gebrauch des Lesers zu informieren und zu führen.
Der Leser kann zum Betrieb in vielen verschiedenen Funktionsweisen ausgelegt sein, und zwar mittels Hardware- und Firmwareschaltern, die durch in einem Nur-Lese-Speicher innerhalb des Lesers enthaltene Modussteuerdaten betätigt werden. Zu den Parametern, die durch Modussteuerdaten gesteuert werden können, zählen Betriebsfrequenz, Demodulationsprotokolle, Fehlerprüfprotokolle, Markenkategorien und Suchablaufsteuerung unter den Markenkategorien.
Die Markenkategorie ist eine Gruppe von Marken, zu deren Erkennung der Leser in der Lage ist. Ein Markenkategoriecode kann Marken einer bestimmten Ausführung, Marken von einem bestimmten Hersteller, von bestimmten Benutzergruppen benutzte Marken, zur Identifizierung bestimmter Spezies von Objekten benutzte Marken etc. kennzeichnen. Somit kann eine Funktionsweise, die eine einzelne Markenkategorie spezifiziert, den Leser auf das Erkennen von Antworten von Marken einer bestimmten Ausführung von einem bestimmten Hersteller beschränken, die von einer bestimmten Benutzergruppe zur Identifikation bestimmter Spezies benutzt werden.
Die Modussteuerdaten können mehr als eine Markenkategorie spezifizieren, in welchem Fall dem Leser das Erkennen eines erweiterten Bestands von Marken gestattet ist. Wenn die Modussteuerdaten mehr als eine Markenkategorie spezifizieren, dann fragt der Leser entweder sämtliche Kategorien gleichzeitig ab oder geht der Reihe nach von einer Kategorie zur nächsten, bis alle Kategorien abgefragt sind, an welchem Punkt sich der Abfrageprozess wiederholt.
Beim Absuchen eines Objekts nach einer Marke wird der Leser über die Oberfläche des Objekts bewegt, bis entweder eine Markenantwort empfangen wird oder die Oberfläche des Objekts, wo sich die Marke befinden könnte, vollständig abgetastet ist. Die Bestimmung durch den Leser, dass eine zu einer freigegebenen Kategorie gehörende Marke antwortet, erfolgt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (Erkennungszeit), nachdem der Leser anfängt zu übertragen. Wenn der Leser innerhalb der Erkennungszeit keine Antwort erhält, schaltet der Leser ab, um Batterieleistung zu sparen. Der Leser schaltet wieder an und führt noch eine Abfrage durch, nachdem eine zweite bestimmte Zeitspanne (die Umpositionierungszeit) vergangen ist. Diese Umpositionierungszeit ist lang genug, dass der Leser zu einer neuen Stelle auf der Oberfläche des Objekts bewegt werden kann. Dieser An-/Abschaltvorgang ist ein sehr effektives Mittel zum Erhalten der Batterieleistung in dem Leser.
Die US 3,859,624 offenbart eine elektronische Erkennungsmarke für ein elektronisches Erkennungssystem, wobei die Marke alle Merkmale des oberbegrifflichen Teils des Anspruches 1 aufweist. In dieser Marke wird das modulierte Signal von dem Transmitter verwendet, um die Marke zuerst durch eine Empfangsspulen- und Gleichrichterschaltung anzuregen, die einen Kondensator lädt. Nach vollständigem Laden des Kondensators hört die Marke auf, Leistung aufzunehmen, und der Kondensator entlädt dann zur Markenschaltung, um die Transponderelektronik mit Leistung zu versorgen. Auf diese Art System wird allgemein als Halbduplex-RFID-System Bezug genommen. Halbduplex-RFID- Systeme empfangen jedoch nicht gleichzeitig ein Lesesignal von einem Abfragesender und decodieren zur selben Zeit das Signal von der Erkennungsmarke. Stattdessen wird der Prozess in periodischen Schritten wiederholt.
Die US 4,924,210 offenbart ein Verfahren zur Übermittlung von Informationen zwischen einer Marke und einem Leser eines elektronischen Erkennungssystems, wobei das Verfahren die Schritte des oberbegrifflichen Teils von Anspruch 4 durchführt. Dabei werden unterschiedliche Protokolle oder Funktionsweisen verschiedener Arten von Datenträgern angesprochen. Jedoch arbeiten alle Datenträger auf derselben Art von Signal, und es gibt keinen Hinweis, dass die Protokolle irgendetwas anderes als verschiedene Klassifizierungen sein könnten; diese Art von Protokoll bezieht sich mehr auf die Art, wie Daten in einer Speichervorrichtung gespeichert werden, z. B. wo sich Daten auf einer CD oder in einer speziellen Art von RAM-Speichervorrichtung befinden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Marke für ein Identifizierungssystem, das Leser und Marken umfasst, wobei die Marke dem Leser ermöglicht, die Markenbotschaft auf der Basis einer Einmalübertragung zu lesen, und dem Leser dadurch gestattet, Batterieleistung zu sparen, indem er sich unmittelbar nach der Einmalübertragung selbst abschaltet. Noch eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines geeigneten Verfahrens dafür.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine elektronische Erkennungsmarke gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 4. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Funktionsblockdiagramm des Multimode-Identifizierungssystems einschließlich Leser und Marke.
2 ist eine Seitenansicht einer zur Implantation ausgelegten Marke, bei der ein Teil des umschließenden Behälters weggeschnitten ist.
3 ist eine Querschnittansicht einer zur Implantation ausgelegten Marke in einer Ebene quer zur Längsachse der Marke.
4A ist das Flussdiagramm der viermaligen „Zeichen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
4B ist das Flussdiagramm der viermaligen verzögerten „Zeichen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
5A ist das Flussdiagramm der viermaligen „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
5B ist das Flussdiagramm der viermaligen verzögerten „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
6A ist das Flussdiagramm der „Zeichen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in einer ersten Ausführungsform des Lesers durchgeführt wird.
6B ist das Flussdiagramm der „Zeichen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in einer zweiten Ausführungsform des Lesers durchgeführt wird.
7A ist das Flussdiagramm der „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in einer ersten Ausführungsform des Lesers durchgeführt wird.
7B ist das Flussdiagramm der „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in einer zweiten Ausführungsform des Lesers durchgeführt wird.
8 ist das Flussdiagramm der Kalibrierungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
9 ist das Flussdiagramm der Arbeitsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
10 ist das Flussdiagramm der Bitraten-(Daten-)Unterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
11 ist das Flussdiagramm der Nachrichtenwiederherstellungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
12 ist das Flussdiagramm der Nachrichtenverarbeitungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
13 ist das Flussdiagramm der Anschaltroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
14 ist das Flussdiagramm der T₁-Unterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
15 ist das Flussdiagramm der Bitraten-(Steuerung-)Unterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
16 ist das Flussdiagramm der Spulenabschalt-Unterbrechungsroutine, die von dem Mikroprozessor in dem Leser durchgeführt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 ist das Funktionsblockdiagramm für einen induktiv gekoppelten Leser 100 und eine Marke 200 gezeigt. Der Leser 100 fragt die Marke 200 ab, indem er mittels der gewickelten Drahtspule 110 ein reversierendes Magnetfeld 10 erzeugt. Die mittels eines einpoligen Umschalterpaars 130 auswählbar entweder mit dem Kondensatorenpaar 120 oder 125 in Reihe angeordnete Spule 110 wird von dem abgeglichenen zweiseitigen Spulentreiber 135 mit einem von dem Taktgenerator 140 gelieferten periodischen Signal von geeigneter Frequenz angesteuert. Typischerweise liegt die Treiberfrequenz im Bereich von 100 kHz bis 400 kHz.
Der Taktgenerator 140 besteht aus einem kristallgesteuerten Oszillator und Frequenzteilerketten üblicher Ausführung. Die Oszillatorfrequenz ist so gewählt, dass sämtliche benötigten Treiberfrequenzen durch ganzzahlige Teilungen erhalten werden können. Weitere ganzzahlige Teilungen jeder Treiberfrequenz stellen Rechteckwellen-Taktsignale mit den folgenden Frequenzen bereit: viermal „Zeichen"-Frequenz; viermal „Leerstellen"-Frequenz; „Zeichen"-Frequenz; „Leerstellen"-Frequenz; Bitrate (Daten); und Bitrate (Steuerung). Die Taktsignale werden derart erhalten, dass die Übergänge von niedrig auf hoch sämtlicher Signale außer dem Bitraten-(Steuerungs-)Signal zu bestimmten Zeitpunkten zusammenfallen. Der Übergang von niedrig auf hoch des Bitraten-(Steuerungs-) Signals geht dem des Bitraten-(Daten-)Signals um mindestens einen Zyklus der Treiberfrequenz voran.
Der Taktgenerator 140 schließt den Nutzzyklustaktgeber ein, der ein Rechteckwellen-Taktsignal erzeugt, das die Erregung der Leserspule 110 bewirkt, wenn das Signal hoch ist. Das Signal bleibt lange genug hoch, um die von einer Marke zu übermittelnden Informationen auf der speziell verwendeten Treiberfrequenz zu empfangen. Das Signal bleibt lange genug niedrig, damit der Leser 100 in eine neue Leseposition bewegt werden kann. Der Nutzzyklustaktgeber erzeugt das „Spulenabschalt"-Unterbrechungssignal an den Mikroprozessor 170, wenn das von ihm generierte Taktsignal niedrig wird.
Mit dem Betreiben der Leserspule 110 mit einem Nutzzyklus wird bezweckt, die Batterieleistung zu erhalten und längere Arbeitsperioden zwischen dem Aufladen oder Austauschen der Batterie zu erreichen.
Der Nutzzyklustaktgeber wird von dem Mikroprozessor 170 immer dann auf niedrig gesetzt, wenn der Mikroprozessor einen Zustand erkennt, der einen fehlerhaften Lesevorgang anzeigt.
Der Nutzzyklustaktgeber schaltet sich nur ein, wenn der Leserstromschalter an ist und der benutzerbetätigte „Lesen"-Auslöseschalter 142 geschlossen ist. Das Freigeben des „Lesen"-Impulses setzt den Nutzzyklustaktgeber erst dann außer Betrieb, wenn der normale Übergang von hoch auf niedrig erfolgt.
Die Zeit T wird im Taktgenerator 140 durch einen Zähler aufrechterhalten, der Zyklen der Treiberfrequenz zählt, wenn das Nutzzyklustaktgebersignal hoch ist. Jedes Mal, wenn das Nutzzyklustaktgebersignal von hoch auf niedrig geht, wird der Zähler zurückgestellt. Der Mikroprozessor 170 kann mit dem Steuerbus 187 und dem Datenbus 190 auf den T-Zähler zugreifen.
Der T-Zähler liefert ein Unterbrechungssignal an den Mikroprozessor 170, wenn T gleich T₁ ist, wobei T₁ die Zeit ist, die die Leserspulenspannung benötigt, um sich innerhalb etwa 0,1 % ihrer gleichmäßigen Dauerspannung anzunähern. Wenn die T₁-Unterbrechung erfolgt, beginnt die Signalverarbeitung im Leser.
Ein typisches Modell für abgeglichene Treiber, die zum Antrieb der Spule 110 und Kondensatoren 120 oder 125 geeignet sind, ist die im Handel erhältliche integrierte Schaltung SI995ODY mit einem komplementären Paar Metalloxid-Silicium-Leistungs-Feldeffekttransistoren (Leistungs-MOSFETS).
Die zwei Kondensatoren mit jedem Spulenpaar haben die gleiche Kapazität, die so gewählt ist, dass die Kombination von Spule und Kondensatorenpaar eine Reihenresonanzschaltung mit einer gewünschten Treiberfrequenz bildet.
Wenn sich die Marke 200 nahe am Leser 100 befindet und induktiv daran gekoppelt ist, zieht sie Leistung aus dem Magnetwechselfeld 10, das die Leserspule 110 mit der eng gewickelten Leiterspule 210 parallel zum Kondensator 220 aufbaut, wobei die Kombination einen Schwingkreis bei einer der Treiberfrequenzen des Lesers bildet. Die veränderbare Belastung 230 ist über die Spulen-Kondensator-Kombination angelegt und liefert dadurch ein Mittel zum Variieren der Belastung an dem abgeglichenen Spulentreiber 135 im Leser 100 als Ergebnis der induktiven Kopplung der Leser- und Markenspulen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die veränderbare Belastung 230 ohmisch, wodurch die größtmögliche Wirksamkeit bei der Leistungsaufnahme aus dem Umkehrmagnetfeld und bei der Kommunikation mit dem Leser erzielt wird. Andere weniger wünschenswerte Ausführungsformen könnten induktive, kapazitive oder eine Kombination aus induktiven, kapazitiven und resistiven Belastungen verwenden.
Die Kommunikationsfähigkeit zwischen dem Leser 100 und der Marke 200 hängt entscheidend von den Eigenschaften der Leserspule 110 und der Markenspule 210 ab. Die Anzahl von Windungen bei der Leserspule sollte so groß wie möglich sein, so dass das von der Leserspule erzeugte Magnetfeld so groß wie möglich ist. Andererseits darf der Widerstand der Leserspule 110 (proportional zur Windungsanzahl) nicht so groß werden, dass er im Wesentlichen falsch an die Treiberimpedanz angepasst ist und dadurch die Leistungsübertragung an die Marke behindert. Die bevorzugte Ausführungsform der Leserspule ist auf einen ovalen Kunststoffkern gewickelt und ca. 117,5 mm (4 5/8'') lang mal 95,3 mm (3 3/4'') breit. Die Spule weist 90 bis 100 Drahtwindungen mit einem Durchmesser von 0,32 mm auf (28er Draht), was eine Spule mit einer Induktanz von ca. 2,3 mH und einem Widerstand von ca. 7,6 Ω ergibt.
Die Anzahl der Windungen auf der Markenspule 210 sollte ebenfalls so groß wie möglich sein, um die induktiv erzeugte Spannung auf der Spule zu maximieren. Auch hierbei muss die Anzahl der Windungen mit Bedacht gewählt werden, damit die Leistungsübertragung zwischen Leser und Marke nicht ungünstig beeinflusst wird.
Die an der Spule 210 auftretende Wechselspannung, die ein Ergebnis der induktiven Kopplung an die Leserspule 110 ist, wird mittels des AC/DC-Wandlers und Spannungsreglers 235, der die gesamte von der Markenschaltung benötigte Leistung liefert, in Gleichstrom umgewandelt. Die an der Spule 210 auftretende Wechselspannung versorgt den Taktgenerator 240, der alle von der Markenschaltung benötigten Taktsignale liefert, mit einer Bezugsfrequenz. Eine andere Ausführungsform verwendet die Wechselspulenspannung zur Stabilisierung eines spannungsgesteuerten Oszillators, der dann als Quelle für sämtliche Taktsignale dienen würde.
Die Steuerschaltung 245 steuert alle Operationen, die von der Markenschaltung durchgeführt werden. Ein Taktsignal für die Steuerschaltung 245 wird vom Taktgenerator 240 geliefert. Der Schwellendetektor 250 erzeugt ein Signal, wenn die Spannung vom AC/DC-Wandler und Spannungsregler 235 den Wert erreicht, der für den zuverlässigen Betrieb der Markenschaltung erforderlich ist. Das Signal vom Schwellendetektor 250 dient zur Rückstellung der Steuerschaltung, die eine vorbestimmte Zeitspanne abwartet (die von einem Taktzykluszähler in der Steuerschaltung bestimmt wird) und dann die Übertragung von Informationen an den Leser auslöst. Die Übertragungsverzögerung kann auch mit einer einfachen analogen Zeitgeberschaltung bewerkstelligt werden. Die vorbestimmte Übertragungsverzögerung hat den Zweck, dass der mit dem Anlegen einer Spannung an den Leser-Schwingkreis 110, 120/125 verbundene Übergang bis zu dem Punkt abfallen kann, wo die Leistungsaufnahme durch die Marke vom Leser erfasst werden kann. Der Leser ist dadurch imstande, Informationen aus dem Leistungsabsorptionssignal herauszuziehen, sobald die Marke mit der Übertragung beginnt, was es unnötig macht, das Lesermagnetfeld länger als für die Dauer einer einzelnen Nachrichtenübertragung anzuregen und schnell abzuschalten, falls eine Marke nicht erfasst werden kann.
Der Schwellendetektor ist ein einfacher Schaltkreis, der eine Zener-Diode als Bezugsspannung verwendet.
Eine Nachricht wird von der Steuerschaltung übertragen, indem ein Zwei-Pegel-Signal entsprechend einem Nachrichtenbitmuster an die veränderbare Belastung 230 angelegt wird. In der bevorzugten Ausführungsform besteht eine Nachricht aus einem 10-Bit-Synchronisierungscode, einem 24-Bit-Markenkategoriecode, einem 56-Bit-Identifikationscode, einem 16-Bit-Fehlererkennungscode basierend auf der 16-Bit-Prüfsumme nach CCITT-Standard und zum Schluss noch einer vorbestimmten Anzahl von 8-Bit-Sensordatenwörtern. Die Prüfsumme gestattet den Nachweis von bis zu 16 Bitfehlern in dem Teil der Nachricht, der aus dem Markenkategoriecode und dem Identifikationscode besteht. Jedes der Sensorwörter überträgt sein eigenes Paritätsbit und gestattet dadurch eine Einzelfehlererkennung in jedem der Sensordatenwörter.
Die Steuerschaltung ruft alles bis auf den Sensordatenteil der Nachricht aus dem Permanentspeicher 255 ab. In der in 1 gezeigten Ausführungsform erlangt die Steuerschaltung die Messfühlerdaten, indem sie veranlasst, dass der Sensorselektor 260 den A/D-Wandler 265 zuerst mit dem Temperatursensor 270 und dann mit einem pH-Sensor 275 oder anderen gewünschten Sensor verbindet.
Liegt keine Nachrichtenübertragung von der Steuerschaltung 245 vor, ruht die veränderbare Belastung 230 und belastet den Schwingkreis 210, 220 nur unmerklich. Wenn die Steuerschaltung eine Nachricht über die Leitung 238 an die veränderbare Belastung 230 überträgt, legt die veränderbare Belastung in Übereinstimmung mit einer Frequenzumschaltungs-(FSK-)Technik eine Belastung an den Schwingkreis 210, 220 an. Ein Nachrichtenbit "1" veranlasst die Wahl eines „Zeichen"-Frequenzsignals. Eine "0" wählt ein „Leerstellen"-Frequenzsignal. Die Wahl des „Zeichen"-Frequenzsignals veranlasst, dass die Belastung ein- oder ausgeschaltet wird, je nachdem, ob das „Zeichen"-Frequenzsignal hoch oder niedrig ist. In ähnlicher Weise veranlasst das „Leerstellen"-Frequenzsignal die Ein- oder Ausschaltung der Belastung in Abhängigkeit vom hohen oder niedrigen Zustand des „Leerstellen"-Frequenzsignals. Die „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellensignale werden von der Lesertreiberfrequenz abgeleitet und vom Taktgenerator 240 über Leitungen 242 an die veränderbare Belastung 230 geliefert.
Da die „Zeichen" und „Leerstellen"-Frequenzen mit der Magnetfeldtreiberfrequenz phasenkohärent sind, kann der Leser die Informationen aus dem Leistungsabsorptionssignal mittels einer kohärenten Demodulationstechnik in vorteilhafter Weise herausziehen und dadurch die verbesserte Kommunikationsfähigkeit kohärenter Frequenzumschaltung (CFSK) im Vergleich zur nicht kohärenten Frequenzumschaltung (NCFSK) realisieren.
Die „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzen sind klein genug gewählt, dass die sich aus der Amplitudenmodulation des Treiberfrequenzsignals ergebenden Seitenbänder vom Leser-Schwingkreis 110, 120/125 nicht um mehr als etwa 3 dB gegenüber der Treiberfrequenz abgeschwächt werden. Der Abstand zwischen „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzen sollte idealerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Bitrate sein, wobei die ganze Zahl bevorzugt ≥ 2 ist. Für eine Treiberfrequenz von 400 kHz und eine Bitrate von 5 kHz sind typische Werte für die „Zeichen"- und die „Leerstellen"-Frequenz 50 kHz bzw. 40 kHz. Es sei darauf hingewiesen, dass die Differenz von 10 kHz gleich dem ganzzahligen Zweifachen der Bitrate ist.
Für einen Fachmann wird offenkundig sein, dass auch andere Modulationstechniken verwendet werden könnten. Beispielsweise könnte Ein-Aus-Tastung (OOK) verwendet werden, wobei die veränderbare Belastung 230 die Belastung ausschaltet, wenn eine "0" übertragen wird und die Belastung ein- und ausschaltet, wenn eine "1" übertragen wird (oder umgekehrt), je nachdem, ob eine Rechteckwelle mit vorbestimmter Frequenz vom Taktgeber 240 hoch oder niedrig ist.
Auch eine Phasenverschiebungsverschlüsselung (PSK) in voll-kohärenter (CPSK) oder unterschiedlich-kohärenter (DCPSK) Version könnte verwendet werden. Eine kohärente Phasenverschiebungsverschlüsselung würde sich ergeben, wenn die veränderbare Belastung 230 die Belastung in Übereinstimmung damit ein- oder ausschalten würde, ob die oben beschriebene Rechteckwelle hoch bzw. niedrig war, als eine "0" übertragen wurde, und die Belastung ein- oder ausschalten würde, wenn die Rechteckwelle niedrig bzw. hoch war, als eine "1" übertragen wurde (oder umgekehrt).
Eine unterschiedlich-kohärente Phasenverschiebungsverschlüsselung würde sich ergeben, wenn die veränderbare Belastung 230 die Belastung genauso ein- und ausschalten würde wie bei der vorhergehenden Bitperiode, wenn eine "0" übertragen wird und entgegengesetzt, wenn eine "1" übertragen wird.
Die Markenschaltung für Marken des Implantationstyps ist so gepackt, dass sie in eine zylindrische Kapsel passt, die aus einem inerten Material wie Glas besteht. Eine Seitenansicht der in einer Schnittansicht der Kapsel 290 positionierten Markenschaltung ist in 2 gezeigt. Eine Querschnitt-Endansicht der Marke 200 ist in 3 gezeigt. Der Kondensator 220 ist in einem Substrat ausgebildet, das als Träger für die Spule 210 dient. Die Spule 210 ist durch ein Vergussmaterial 292, das den Raum zwischen der Spule und dem Substrat einnimmt, unbeweglich zu dem Kondensatorsubstrat 220 gehalten. Die Markenschaltung, mit Ausnahme der Spule 210 und des Kondensators 220, ist eine mittels Goldbumps an den Kondensator 220 angefügte und elektrisch damit verbundene integrierte Schaltung 280. Die Markenschaltung kann durch ein inertes Fluid 295 in der Kapsel abgefedert sein.
In einer alternativen Ausführungsform der Marke sind die Markenschaltung 280 und der Kondensator 220 in demselben Substrat verarbeitet, wodurch das Zusammensetzen der Marke vereinfacht wird.
In noch einer anderen Ausführungsform der Marke sind die Markenschaltung 280, der Kondensator 220 und die Spule 210 in demselben Substrat verarbeitet, wobei die Spule ein auf der Oberfläche des Substrats liegender spiralförmig gewendelter Leiter ist.
Die Amplitude der Treiberfrequenzspannung über die Leserspule 110 wird durch die Veränderung der Markenleistungsaufnahme aus dem Leserspulen-Magnetfeld moduliert, das sich aus der Veränderung der Belastung des Markenschwingkreises 210, 220 ergibt, die durch die Nachricht herbeigeführt wird, die die Steuerschaltung 245 in die veränderbare Belastung 230 einspeist. Die Amplitudenmodulation wird von dem aus einer Diodenbrücke bestehenden Hüllkurvendetektor 145 aus der Leserspulenspannung herausgenommen, und das sich über den interessierenden Modulationsfrequenzen erstreckende Rauschen wird mittels des Tiefpassfilters 150 entfernt. Die Sperrfrequenz des Tiefpassfilters 150 liegt zwischen der niedrigsten Treiberfrequenz, zu deren Gebrauch der Leser ausgelegt ist und der höchsten der „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzen. Typische Treiberfrequenzen sind 400 kHz und 125 kHz. Typische „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzen für die 400-kHz-Treiberfrequenz sind 50 kHz und 40 kHz. Unter diesen Umständen sollte die Sperrfrequenz über 50 kHz und möglichst weit unter 125 kHz gelegt sein, um die größtmögliche Dämpfung der Treiberfrequenz zu erhalten, ohne eine größere Dämpfung als etwa 1 dB in der 50-kHz-„Zeichen"-Frequenz zu verursachen.
Das Ausgangssignal vom Tiefpassfilter 150 wird durch den Gleichstromabschalter 155 hindurch zum Analog-Digital-Wandler 165 transportiert. Der Zweck des Gleichstromabschalters 155 ist es, den Gleichstromanteil wegzunehmen, so dass die Wechselstromanteile den gesamten Eingangsbereich des A/D-Wandlers 165 einnehmen können. Der Gleichstromabschalter kann so einfach sein wie der in 1 gezeigte Schaltkreis – der Kondensator 158 ist durch den Schalter 160 mit Erde verbunden. Der Schalter 160 wird durch den Mikroprozessor 170 gesteuert. Während der Anfangsphase der Erregung der Leserspule 110 bleibt der Kondensator 158 durch den Schalter 160 geerdet. Wenn die Leserspulenspannung sich dem bleibenden Zustand annähert, wird der Schalter 160 geöffnet, und der Eingang in den A/D-Wandler 165 ist null, weil die Spannung über den Kondensator 158 derjenigen aus dem Tiefpassfilter 150 heraus gleichkommt, und die zwei Spannungen nun in Gegenreihenschaltung angeordnet sind.
Der A/D-Wandler 165 tastet die Eingangswellenform zu Zeiten entsprechend den steigenden Übergängen der viermaligen „Zeichen"-Frequenz- und der viermaligen „Leerstellen"-Frequenztaktsignale ab, die vom Taktgenerator 140 bereitgestellt werden, wodurch 10-Bit-Digitaldarstellungen der Eingangsabtastungen erzeugt werden. Die „Viermal"-Tastraten liefern vier Abtastungen während jedes Zyklus der „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzen, was die anschließenden Verarbeitungsoperationen erleichtert.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird verwendet, wenn zu identifizierende Marken jene einschließen, die Informationen übertragen, indem sie bewirken, dass die Phase oder Frequenz der Leserspulenspannung sich verändert. Ein Beispiel für derartige Marken sind solche, die einem reversierenden Abfragemagnetfeld mit einem FSK- oder PSK-Signal antworten, nachdem das Feld abgeschaltet ist. Solche Signale würden den Hüllkurvendetektor 145 und Tiefpassfilter 150 nicht überstehen, und folglich ist ein anderes Demodulationsmittel zum Empfangen dieser Signale erforderlich.
In der alternativen Ausführungsform der Erfindung sind der Hüllkurvendetektor 145, das Tiefpassfilter 150 und der Gleichstromabschalter 155 durch ein auf die Treiberfrequenz der Leserspule 110 abgestimmtes Sperrfilter ersetzt, und der Mikroprozessor 170 führt den gesamten Signaldemodulationsprozess durch. Durch richtiges Programmieren des Mikroprozessors kann die komplette Skala von Amplituden-, Phasen- und Frequenzmodulationsformaten in dem Leser 100 untergebracht werden. Der Zweck des Sperrfilters ist es, den Treiberfrequenzanteil der Wechselspulenspannung zu unterdrücken und dadurch die Verwendung eines A/D-Wandlers mit einem kleineren Dynamikbereich zu gestatten.
In jeder Ausführungsform erhält der Mikroprozessor 170 die vom A/D-Wandler 165 digitalisierten Abtastungen, sobald sie verfügbar sind, und speichert sie im Arbeitsspeicher. Die Markenidentifikationsdaten, die sich aus diesen Informationen zusammen mit Betriebsinformationen ableiten, werden auf einer alphanumerischen Anzeige 175 optisch angezeigt. Dieselben Informationen erhält der Benutzer hörbar in Form von Audiosignalen und/oder künstliche Sprache über die Audioschnittstelle 180 und den Lautsprecher 185. Der Mikroprozessor übt die Steuerung des Taktgenerators 140, des Gleichstromabschalters 155, der alphanumerischen Anzeige 175 und der Audioschnittstelle 180 über den Steuerbus 187 aus. Der Datenaustausch zwischen dem Mikroprozessor 170 und dem Taktgenerator 140, dem A/D-Wandler 165, der alphanumerischen Anzeige 175 und der Audioschnittstelle 180 erfolgt über den Datenbus 190.
Ein externer Digitalrechner 195 kann über die Standard-RS-232-Datenübertragungsverbindung 197 die Steuerung des Mikroprozessors 170 vornehmen und Daten mit ihm austauschen.
Die Routinen zum Speichern der A/D-Wandlerdaten im Mikroprozessorspeicher sind durch die Flussdiagramme definiert, die in 4A und 5A für die erste Ausführungsform mit dem Hüllkurvendetektor gezeigt sind. Die Routinen werden durch Mikroprozessorunterbrechungen ausgelöst, die durch dieselben Taktsignale erzeugt werden, welche die Abtastung in dem A/D-Wandler 165 steuern.
Die in 4A gezeigte Routine wird durch den ansteigenden Übergang des „4 × 'Zeichen'-Frequenz"-Taktsignals eingeleitet. Der Mikroprozessor führt die „Warte"-Operation 310 durch, bis die digitalisierte Abtastung vom A/D-Wandler 165 verfügbar ist und führt dann die Operation 320 durch. In dieser Routine sind J Speicherzellen zur Abtastungsspeicherung verfügbar, wobei J gleich 4f_m/R ist, f_m die „Zeichen"-Frequenz ist und R die Bitrate ist. Die Speicherzellen sind hier durch die ganzen Zahlen zwischen 0 und (J-1) gekennzeichnet. Die Operation 320 besteht aus zwei Schritten. Das Speicheradressregister wird um 1 erhöht und anschließend eine Modulo-J-Operation ausgeführt. Dann wird die neue Abtastung an der in dem Speicheradressregister enthaltenen Adresse gespeichert, wo sich zuvor die älteste Abtastung befand.
Eine ähnliche Routine wird in Übereinstimmung mit dem in 5A gezeigten Flussdiagramm durch den ansteigenden Übergang des „4 × 'Leerstellen'-Frequenz"-Taktsignals eingeleitet. Die Routine von 5A unterscheidet sich von der Routine von 4A nur dadurch, dass ein anderer Speicherraum involviert ist. Die Routine von 5A bezieht K Speicherzellen ein, wobei K gleich 4f_s/R und f_s die „Leerstellen"-Frequenz ist. Die Speicherzellen für diese Routine sind durch die ganzen Zahlen von 0 bis (K-1) gekennzeichnet.
Der Mikroprozessor ist ein herkömmlicher digitaler Prozessor, wie z. B. ein Motorola 68030 oder Intel 80386, der zum Betrieb mit einer Taktrate zwischen 15 und 30 MHz geeignet und imstande ist, die soeben beschriebenen sowie die anschließend noch beschriebenen Operationen durchzuführen. Das Taktsignal für den Mikroprozessor 170 wird vom Taktgenerator 140 geliefert.
Wenn die antwortende Marke die vorher erörterte bevorzugte Ausführungsform ist, bilden die in dem Mikroprozessorspeicher gespeicherten Abtastungen eine digitale Darstellung eines frequenzumgeschalteten Signals. Der entscheidende Schritt beim Extrahieren des Informationsgehaltes aus dem Signal, d. h. der Nachrichtenbits, ist das Berechnen von Schätzwerten der relativen Wahrscheinlichkeiten, dass während einer gegebenen Zeitspanne entweder eine „Zeichen"- oder „Leerstellen"-Frequenz übertragen wurde. Die effektivste Art, diese Aufgabe zu erfüllen, wenn das empfangene Signal mit weißem Rauschen gestört ist, ist das Kreuzkorrelieren des empfangenen Signals mit Repliken der „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzsignale, die bei nicht vorhandenem Rauschen empfangen würden. Die Kreuzkorrelationen sind die gewünschten Schätzwerte der relativen Wahrscheinlichkeiten.
Der Mikroprozessor 170 berechnet Kreuzkorrelationen in Übereinstimmung mit den in 6A und 7A gezeigten Unterbrechungsroutinen. Die in 6A gezeigte Routine wird durch die steigenden Übergänge eines Rechteckwellen-Taktsignals mit einer Frequenz gleich der „Zeichen"-Frequenz ausgelöst. Die Berechnungen 350 verwenden die im Arbeitsspeicher als Ergebnis der in 4A gezeigten Routine gespeicherten Daten. Das Ergebnis der Berechnungen 350 ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass während der Zeitspanne von t-1/R bis t eine „Zeichen"-Frequenz übertragen wurde, wobei t der gegenwärtige Zeitpunkt ist. Um die Rechenanforderungen an den Mikroprozessor 170 zu erleichtern, wird eine Rechteckwellenannäherung an die „Zeichen"-Frequenzreplik verwendet.
Die Gleichung 352 spezifiziert die erforderlichen Berechnungen zum Erhalt der gleichphasigen Kreuzkorrelation M_i des empfangenen Signals, wenn die „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik eine Sinuswellen-Grundfrequenz aufweist. Die Gleichung 354 spezifiziert die erforderlichen Berechnungen zum Erhalt der phasenverschobenen Kreuzkorrelation M_q des empfangenen Signals, wenn die „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik eine Cosinuswellen-Grundfrequenz aufweist. Die Menge m(n) in den Gleichungen bezeichnet die am Speicherplatz n gespeicherte empfangene „Zeichen"-Frequenzsignalabtastung. Die Menge int(n) bezeichnet den ganzzahligen Teil von n.
Die Menge M_i ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine „Sinus"-Rechteckwellenreplik empfangen wurde. Die Menge M_q ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine „Cosinus"-Rechteckwellenreplik empfangen wurde. Die Gleichung 356 spezifiziert die erforderlichen Berechnungen zum Erhalt von M, ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine Rechteckwellenreplik irgendeiner Phase empfangen wurde. Der Faktor f_s dient Normierungszwecken und wird in Verbindung mit der in 7A gezeigten Routine noch näher erörtert. Die durch die Gleichung 358 definierte Menge D wird in Verbindung mit der folgenden Diskussion von 7A noch erörtert.
Im Anschluss an die Berechnungen 350 erfolgt eine Bestimmung 359 dahingehend, ob das „Kalibrieren"-Kennzeichen als Ergebnis dessen gesetzt ist, dass der Benutzer der Anlage den „Kalibrieren"-Momentschalter 144 (1) gedrückt hat. Wenn dies so ist, wird die Kalibrierungsroutine durchgeführt. Andernfalls wird die Arbeitsroutine ausgeführt. Diese zwei Routinen werden ein wenig später in Verbindung mit 8 und 9 noch erörtert.
Der Mikroprozessor 170 berechnet die Kreuzkorrelationen des empfangenen Signals mit den „Leerstellen"-Frequenzrepliken mittels der in 7A gezeigten Routine. Die Routine wird durch die steigenden Übergänge eines Rechteckwellen-Taktsignals ausgelöst, das eine Frequenz gleich der „Leerstellen"-Frequenz aufweist. Die Berechnungen 360 ergeben einen Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass während der Zeitspanne von t-1/R bis t eine „Leerstellen"-Frequenz übertragen wurde. Genau wie bei den „Zeichen"-Frequenzkreuzkorrelationen wird eine Rechteckwellenannäherung an die „Leerstellen"-Frequenzreplik verwendet.
Die durch die Gleichungen 362, 364 bzw. 366 definierten Mengen S_i, S_q und S entsprechen den ähnlich definierten Mengen von 6A, wobei die „Leerstellen"-Frequenzreplik für die „Zeichen"-Frequenzreplik eingesetzt ist. Die Menge s(n) bezeichnet die am Speicherplatz n gespeicherte empfangene „Leerstellen"-Frequenzsignalabtastung. Die Menge S_i ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine „Sinus"-Rechteckwellenreplik mit einer Frequenz gleich der „Leerstellen"-Frequenz empfangen wurde. Die Menge S_q ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine „Cosinus"-Rechteckwellenreplik empfangen wurde. Die Menge S ist ein Schätzwert der relativen Wahrscheinlichkeit, dass eine Rechteckwellenreplik irgendeiner Phase empfangen wurde. In jenen Fällen, wo die steigenden Übergänge der „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenztaktsignale zusammenfallen, wird zuerst die in 7A gezeigte Routine durchgeführt, weil die berechneten „S"-Daten benötigt werden, um einige der in 6A gezeigten Berechnungen durchzuführen.
Eine „Zeichen"-Frequenzkreuzkorrelation bezieht empfangene 4f_m/R-Signalabtastungen ein, während eine „Leerstellen"-Frequenzkreuzkorrelation 4f_s/R-Abtastungen einbezieht. Um die durch M und S dargestellten relativen Wahrscheinlichkeiten in derselben Größenordnung anzuordnen, sind die Faktoren f_s und f_m in die Gleichungen 356 und 366 gemäß 6A und 7A mit aufgenommen. Beide Mengen scheinen dadurch auf derselben Anzahl von empfangenen Signalabtastungen zu basieren – 4f_mf_s/R.
Eine geeignete Menge zum Abschätzen der Wahrscheinlichkeit, dass eher eine „Zeichen"-Frequenz als eine „Leerstellen"-Frequenz empfangen wurde, ist D = M – S, die Frequenzumschaltungs-(FSK-)Version von Gleichung 358 in 6A. Wenn D > 0 ist, begünstigen die relativen Wahrscheinlichkeiten M und S den Schluss, dass eher die „Zeichen"-Frequenz als die „Leerstellen"-Frequenz empfangen wurde. Wenn D < 0 ist, begünstigen die relativen Wahrscheinlichkeiten den Umkehrschluss.
Der Leser 100 kann auch zum Lesen von Marken konfiguriert sein, die Ein-Aus-Tastung (OOK) oder Phasenverschiebungsverschlüsselung (PSK) verwenden. Die „Leerstellen"-Frequenzunterbrechung wird abgeschaltet, wenn diese zwei Modulationstechniken verwendende Marken gelesen werden, weil die Informationen mit einer einzigen Frequenz befördert werden (worauf der Einfachheit halber als „Zeichen"-Frequenz Bezug genommen werden wird). Die entsprechenden Ausdrücke für D sind in Gleichung 358 gemäß 6A mit „OOK" und „PSK" gekennzeichnet. Die Menge L ist idealerweise gleich dem halben Wert M bei nicht vorhandenem Rauschen. Die Mengen U_i und U_q sind jeweils die gleichphasigen Komponenten und Blindkomponenten M_i und M_q für irgendeine repräsentative Bitperiode. Ihr Gebrauch in der Gleichung für D ergibt ein positives D, wenn das während einer Bitperiode empfangene Signal dieselbe Phase aufweist wie das während der repräsentativen Bitperiode empfangene Signal. Ein negatives D kommt heraus, wenn das während einer Bitperiode empfangene Signal die entgegengesetzte Phase zu derjenigen des während der repräsentativen Bitperiode empfangenen Signals aufweist.
In der alternativen Ausführungsform des Demodulationsprozesses (die den Hüllkurvendetektor 145, Tiefpassfilter 150 und Gleichstromabschalter gemäß 1 durch ein Sperrfilter ersetzt), ist die empfangene Wellenform am besten durch komplexwertige Abtastungen dargestellt, wobei jeder Abtastungswert aus einem realen Teil und einem imaginären Teil besteht. Die realen Abtastungswerte werden erhalten, wie zuvor in Verbindung mit 4A und 5A beschrieben. Die imaginären Abtastungswerte werden durch Abtasten der empfangenen Wellenform ¼ Zyklus der Treiberfrequenz nach Erhalten der realen Abtastungswerte erhalten. Die imaginären Abtastungswerte werden in separaten Speicherräumen gespeichert, wie in 4B und 5B näher erläutert. Die in 4B und 5B gezeigten Routinen sind identisch mit den in 4A und 5A gezeigten, außer dass sie unterschiedliche Speicherräume einbeziehen.
Der Kreuzkorrelationsprozess, der zum Extrahieren des Informationsgehaltes aus dem empfangenen Signal verwendet wird, ist etwas komplizierter, wenn das empfangene Signal und die Repliken der möglichen empfangenen Signale durch komplexe Werte dargestellt sind. Die interessierenden Mengen sind die Kreuzkorrelationen des komplexen Signals und der zusammengesetzten Zugeordneten der Repliken.
Der Prozess ist in 6B für eine „Zeichen"-Frequenzreplikkorrelation definiert. Die Berechnungen 370 verwenden die Daten, die als Ergebnis der in 4A und 4B gezeigten Routinen in den Speicherräumen j und j' gespeichert sind.
Die Gleichung 372 definiert die Kreuzkorrelation des realen Teils des empfangenen Signals mit dem realen Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik. Der reale Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik ist eine Rechteckwelle mit einer Sinuswellen-Grundfrequenz.
Die Gleichung 374 definiert die Kreuzkorrelation des imaginären Teils des empfangenen Signals mit dem imaginären Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik. Der imaginäre Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik ist eine Rechteckwelle mit einer Cosinusgrundfrequenz.
Die Gleichung 376 definiert die Kreuzkorrelation des realen Teils des empfangenen Signals mit dem imaginären Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 378 definiert die Kreuzkorrelation des imaginären Teils des empfangenen Signals mit dem realen Teil der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 380 definiert den realen Teil der Kreuzkorrelation des komplexen Signals mit dem zusammengesetzten Zugeordneten der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 382 definiert den imaginären Teil der Kreuzkorrelation des komplexen Signals mit dem zusammengesetzten Zugeordneten der „Zeichen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichungen 384 und 386 sind dieselben wie die Gleichungen 356 bzw. 358 der 6A. Der restliche Teil der Routine gemäß 6B ist derselbe wie der entsprechende Teil der Routine gemäß 6A.
Der Mikroprozessor 170 berechnet die komplexe Kreuzkorrelation des komplexen empfangenen Signals mit der komplexen „Leerstellen"-Frequenzreplik in Übereinstimmung mit den in 7B gegebenen Gleichungen 390. Die Berechnungen 390 verwenden die Daten, die als Ergebnis der in 5A und 5B gezeigten Routinen in den Speicherräumen k und k' gespeichert sind.
Die Gleichung 392 definiert die Kreuzkorrelation des realen Teils des empfangenen Signals mit dem realen Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik. Der reale Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik ist eine Rechteckwelle mit einer Sinuswellen-Grundfrequenz.
Die Gleichung 393 definiert die Kreuzkorrelation des imaginären Teils des empfangenen Signals mit dem imaginären Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik. Der imaginäre Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik ist eine Rechteckwelle mit einer Cosinusgrundfrequenz.
Die Gleichung 394 definiert die Kreuzkorrelation des realen Teils des empfangenen Signals mit dem imaginären Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 395 definiert die Kreuzkorrelation des imaginären Teils des empfangenen Signals mit dem realen Teil der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 396 definiert den realen Teil der Kreuzkorrelation des komplexen Signals mit dem zusammengesetzten Zugeordneten der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 397 definiert den imaginären Teil der Kreuzkorrelation des komplexen Signals mit dem zusammengesetzten Zugeordneten der „Leerstellen"-Frequenz-Rechteckwellenreplik.
Die Gleichung 398 ist dieselbe wie die Gleichung 366 gemäß 7A.
Die in 8 gezeigte Kalibrierungsroutine ermittelt, welches die Rauschschwelle des Leser-Empfangsschaltsystems ist und setzt eine geeignete Schwelle zur Entscheidung, ob gerade ein Signal von der Marke empfangen wird. Diese Routine wird vom Mikroprozessor 170 am Schluss der „Zeichen"-Frequenzunterbrechungsroutine durchgeführt, wenn der Bediener der Anlage den „Kalibrieren"-Momentschalter 144 (1) gedrückt hat und dadurch veranlasst, dass der Mikroprozessor das „Kalibrieren"-Kennzeichen setzt. Normalerweise würde die Bedienperson die Anlage jeden Tag vor Gebrauch oder bei Wechsel des Einsatzorts kalibrieren.
Der Mikroprozessor führt die Prüfung 410 durch, um festzustellen, ob das „Rauschen berechnen"-Kennzeichen gesetzt ist. Dieses Kennzeichen wird zurückgesetzt, wenn Leistung zum Leser 100 eingeschaltet wird, und jedes Mal, wenn der Nutzzyklustaktgeber zurückgesetzt wird. Somit führt der Mikroprozessor zum ersten Mal während der Kalibrierungsroutine die Operation 420 durch, die daraus besteht, dass M in das M_a-Register eingegeben und das „Rauschen berechnen"-Kennzeichen gesetzt wird. Bei anschließenden Durchläufen durch die Kalibrierungsroutine führt der Mikroprozessor die Operation 430 durch, die nach vielen Wiederholungen einen M_a-Wert ergibt, der eine geglättete Version von M ist. Der Faktor 64 legt die Zeitspanne, in der die M-Daten geglättet werden, und den Glättungsgrad fest. Das Ziel hierbei ist, einen Schätzwert des Durchschnittswertes der Rauschamplitude zu erhalten, der innerhalb etwa 5 % des tatsächlichen Durchschnittswertes liegt.
Als Nächstes führt der Mikroprozessor die Operation 440 durch, die daraus besteht, die vom Taktgenerator 140 gehaltene Zeit T zu lesen. Wenn der Mikroprozessor durch die Prüfung 450 befindet, dass T größer ist als T₂, die erforderliche Zeit zum Erzielen des gewünschten Glättungsbetrags, wird die Operation 460 durchgeführt. Die empfangene Signalerfassungsschwelle H wird an irgendeinem Vielfachen des Rauschpegels M_a festgelegt. Der Faktor 8, der in der Gleichung für H erscheint, begrenzt die falschen Signalerfassungen auf eine einigermaßen niedrige Zahl, während er die Wahrscheinlichkeit der Erfassung an einem einigermaßen hohen Wert aufrechterhält.
Der Nutzzyklustaktgeber im Taktgenerator 140 wird dann zurückgesetzt, was bewirkt, dass sämtliche Kennzeichen einschließlich des „Kalibrieren"-Kennzeichens und des „Rauschen berechnen"-Kennzeichens zurückgesetzt werden. Das „Kalibrieren"-Kennzeichen wird zurückgesetzt, um so dem Mikroprozessor 170 an der nächsten „Zeichen"-Frequenzunterbrechung zu signalisieren, dass die Arbeitsroutine durchgeführt werden sollte (siehe 6, Operation 359).
Die bei 420 und 460 gezeigten besonderen Zahlen entsprechen der bestimmten Ausführungsform der hierin beschriebenen Erfindung. Andere Zahlen könnten die Zwecke der Erfindung ebenfalls erfüllen, wenn sie hinsichtlich der oben angegebenen Richtlinien gewählt werden.
Zum Erreichen der größtmöglichen Genauigkeit beim Extrahieren der Nachrichtenbits aus dem empfangenen Signal muss die Kreuzkorrelation des empfangenen Signals und der Replik Signalabtastungen aus nur einer Bitperiode einbeziehen. Die in 9 gezeigte Arbeitsroutine ermöglicht es dem Mikroprozessor 170, das Vorhandensein eines Markensignals zu erkennen und die Empfangsoperationen mit dem durch die Marke festgelegten Bittakt zu synchronisieren.
Ein „Signal"-Kennzeichen bezeichnet das Vorhandensein eines Signals von einer Marke. Das „Signal"-Kennzeichen wird jedes Mal zurückgesetzt, wenn das Nutzzyklustaktgebersignal im Taktgenerator 140 niedrig wird. Dadurch stellt der Mikroprozessor 170 beim Durchführen der Prüfung 500 in 9 fest, dass das Signalkennzeichen niedrig ist und führt die Prüfung 510 durch. Wenn der Mikroprozessor durch die Prüfung 500 bestimmt, dass der Absolutwert von M – S (FSK) oder M (OOK oder PSK) die Nachweisschwelle H nicht übersteigt, zieht er den Schluss, dass ein Signal nicht vorhanden ist und vollzieht die Operation 514, Lesen von T, und die Prüfung 516, Vergleichen von T mit einer vorbestimmten Zeit T₃. Wenn T größer ist als T₃, hat die Suche nach einer Marke an dem bestimmten Standort der Leserspule länger gedauert als sie sollte, wenn eine Marke an diesem Standort vorhanden wäre, und die Suche wird mittels Durchführung der Operation 518 abgebrochen. Wenn die Prüfung 510 das Vorhandensein eines Signals (und einer Marke) aufdeckt, wird die Operation 520, Setzen des „Signal"-Kennzeichens, durchgeführt.
Bei der nächsten Unterbrechung nach dem Setzen des „Signal"-Kennzeichens erkennt der Mikroprozessor durch die Prüfung 500, dass das „Signal"-Kennzeichen gesetzt ist, und führt die Prüfung 520 durch. Das „Bit sync"-Kennzeichen wurde ebenfalls zurückgesetzt, als das Nutzzyklustaktgebersignal niedrig wurde, und der Mikroprozessor rückt zur Prüfung 535 vor. Das „Sigmax"-Kennzeichen wurde ebenfalls zurückgesetzt, als das Nutzzyklustaktgebersignal niedrig wurde, und der Mikroprozessor rückt zur Prüfung 540 vor.
Die Signalerfassung tritt wahrscheinlich auf, wenn die Kreuzkorrelationsintervalle nicht richtig mit den empfangenen Bitperioden ausgerichtet sind. Die Korrelation des empfangenen Signals mit der/den Replik(en) sollte mit jeder aufeinanderfolgenden Unterbrechung zunehmen, während das Korrelationsintervall sich in Ausrichtung mit der empfangenen Bitperiode bewegt, und dann sollte die Korrelation anfangen abzunehmen, während das Korrelationsintervall sich aus der Ausrichtung herausbewegt. Der Mikroprozessor bestimmt mittels der Prüfung 540, wann die Bitausrichtung (oder Bitsynchronisation) stattfindet, indem er auf eine Abnahme der Korrelation prüft. Wenn der gerade gemessene Absolutwert M – S (bezeichnet durch den Index n) niedriger ist als der zuvor gemessene Wert (FSK) (bezeichnet durch den Index n-1) oder wenn der gerade gemessene Wert M niedriger ist als der zuvor gemessene Wert (OOK oder PSK), rückt der Mikroprozessor zur Operation 545 vor und setzt das „Sigmax"-Kennzeichen. Die Konstanten U_i, U_q und L (siehe 6, Gleichung 358) sind gegebene Werte, und die Menge W wird berechnet. Die Mengen U_id und U_qd sind gegebene Ausgangswerte.
An der nächsten „Zeichen"-Frequenzunterbrechung durchläuft der Mikroprozessor die Prüfungen 500, 530 und 535 und gelangt zur Operation 550. Für ein FSK-Signal ist die Menge WD positiv. Für ein OOK- oder auch ein PSK-Signal ist die Menge D positiv. Mit wiederholter Operation während künftiger Durchlaufe dieser Unterbrechungsroutine werden die Mengen schließlich negativ. Wenn dies geschieht, markiert die Unterbrechung die Taktsituation, wenn die Kreuzkorrelationsperioden die Hälfte eines Bits und die Hälfte des folgenden Bits einschließen. Dieses Ereignis wird dadurch markiert, dass die Operation 555 durchgeführt und das „Bit sync"-Kennzeichen gesetzt wird. Das C-Register wird aus Gründen, die bei Erörterung der Operation 560 und anschließenden Operationen offenkundig werden wird, gelöscht.
An der nächsten „Zeichen"-Frequenzunterbrechung durchläuft der Mikroprozessor die Prüfungen 500 und 530 und führt die Operation 560 durch, nämlich Heraufsetzen des C-Registers, das bei Durchführung der Operation 555 gelöscht wurde. Der Mikroprozessor führt dann die Operation 570 durch und prüft den Wert von C.
Das „Bit sync"-Kennzeichen wurde gesetzt, als sich die Kreuzkorrelationsintervalle ungefähr von der Mitte einer Bitperiode zur Mitte der nächsten erstreckten. Die Kreuzkorrelationsintervalle rücken mit jeder „Zeichen"-Frequenzunterbrechung („Zeichen"-Frequenz = 50 kHz) um 0,02 ms vor. Nach fünf Unterbrechungen sind die Kreuzkorrelationsintervalle dann um die Hälfte einer Bitperiode vorgerückt und ungefähr mit den Bitperioden ausgerichtet. Wenn C 4 erreicht, markiert somit die nächste „Zeichen”-Frequenzunterbrechung den Zeitpunkt, wo im Wesentlichen alle angesammelten Signalabtastungen einer Bitperiode entsprechen. Der Mikroprozessor führt dann die Operation 580 durch, die daraus besteht, die „Zeichen"- und „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungen zu deaktivieren, das Bitraten-(Daten-)Taktsignal im Taktgeber 140 zurückzustellen, so dass der nächste positive Übergang mit dem nächsten positiven Übergang des „Zeichen"-Frequenztaktsignals zusammenfällt, und die Bitraten-(Daten-)Unterbrechung zu aktivieren. Das P-Register, das in der in 10 gezeigten Bitraten-(Daten-)Unterbrechungsroutine verwendet wird, wird zurückgesetzt. Das in der in 11 gezeigten Nachrichtenwiederherstellungsroutine verwendete „Nachrichtenbit"-Kennzeichen wird gelöscht. Der Leser ist nun zum Auslesen der durch die Marke übertragenen Daten bereit.
Der der in 1 gezeigten Leserkonfiguration entsprechende Bitidentifizierungsprozess ist in 10 gezeigt. Er wird durch eine Unterbrechung ausgelöst, die durch das Bitraten-(Daten-)Taktsignal erzeugt wird, das zuvor mit dem eingehenden Signal synchronisiert wurde. Die erforderlichen Berechnungen 600 sind dieselben wie die zuvor in Verbindung mit 6 und 7 erörterten Berechnungen 350 und 360, außer dass die Mengen U_id und U_qd, die zuvor gemessenen M_i und M_q, den Phasenbezug durch Erhalten von D für unterschiedlichkohärente Phasenverschiebungsverschlüsselung (DPSK) herstellen.
Wenn der Mikroprozessor durch die Prüfung 610 bestimmt, dass D ≥ 0 ist, führt er die Operation 620 durch und identifiziert das empfangene Bit B als "1". Wenn der Mikroprozessor feststellt, dass D < 0 ist, identifiziert er das Bit als "0". Sämtliche empfangenen Bits werden zur anschließenden Verarbeitung im Arbeitsspeicher gespeichert.
Die Operation 640 setzt das P-Register herauf, wodurch eine Zählung der Anzahl von Bits beibehalten wird, die nach Stattfinden der Bitsynchronisation empfangen wurden.
Die abschließende Operation 650 bewirkt, dass der Mikroprozessor zu der in 11 gezeigten Nachrichtenwiederherstellungsroutine geht.
Der Bitidentifizierungsprozess, der der Ausführungsform des Lesers entspricht, wo ein Sperrfilter den Hüllkurvendetektor 145, das Tiefpassfilter 150 und den Gleichstromabschalter 155 ersetzt, ist der in 10 gezeigte und oben erörterte Prozess, außer dass die Gleichungen gemäß 6B und 7B anstelle derjenigen von 6A und 7A verwendet werden.
Die Wiederherstellung der Nachricht geht gemäß dem in 11 gezeigten Flussdiagramm vonstatten. Der Mikroprozessor 170 führt zuerst die Prüfung 700 durch und weil das „Nachrichtenbit"-Kennzeichen in der Operation 580 der in 9 gezeigten Arbeitsroutine zurückgesetzt wurde, geht er zur Prüfung 705 weiter, um zu sehen, ob die Anzahl von angesammelten Bits zur Verarbeitung ausreicht. Die Anzahl von benötigten Bits zum Festlegen des Beginns einer Nachricht wird mit dem Symbol P_s bezeichnet. Wenn die Zählung P gleich P_s ist, wird die Operation 710 durchgeführt, die ermittelt, ob die bis dahin angesammelten P_s-Bits einen „Nachricht starten"-Code bilden. Die in der Gleichung der Operation 710 verwendeten Symbole haben die folgenden Bedeutungen. Die Folge aus Nullen "0" und Einsen "1", die den „Nachricht starten"-Code bildet und dem ersten Nachrichtenbit vorangeht, ist (in umgekehrter Übertragungsfolge) durch A_p dargestellt, wobei p die Werte von 1 bis P_s annimmt. Das zu allerletzt erfasste Bit ist mit B_n bezeichnet. Das m Bitperioden zuvor erfasste Bit ist mit B_n-m bezeichnet. Die Pluszeichen bezeichnen Modulo-2-Additionen. Das Produktzeichen gibt an, dass die Mengen in Klammern miteinander zu verknüpfen sind. Wenn X gleich 1 ist, bilden die bis dahin angesammelten Bits den „Nachricht starten"-Code. Die Menge G wird während der Operation 720 gleich 0 gesetzt, was bedeutet, dass die empfangenen Bits richtig als Nullen "0" und Einsen "1" erkannt wurden.
Wenn X nicht gleich 1 ist, kann dies so sein, weil die Nullen "0" und Einsen "1" in der empfangenen Bitfolge vertauscht worden sind (weil eine Phasenmehrdeutigkeit von π-Radianten vorliegen mag). Um diese Möglichkeit zu prüfen, wird die Operation 725 durchgeführt, die dieselbe ist wie die Operation 710, außer dass die empfangenen Bits invertiert sind, wie durch die Querstriche über dem B_n-m angedeutet. Die Prüfung 730 wird an dem neuen X durchgeführt und wenn es gleich 1 ist, wurde der „Nachricht starten"-Code empfangen, aber die empfangenen Bits sind invertiert. Die Operation 735, bei der G gleich 1 gesetzt wird, wird durchgeführt, was besagt, dass die empfangenen Bits invertiert sind. Wenn eine der Prüfungen 715 und 730 erfolgreich ist, wird die Operation 740 durchgeführt, die das „Nachrichtenbit"-Kennzeichen setzt und das C-Register löscht.
Wenn keine der Prüfungen 715 und 730 erfolgreich ist, endet die Unterbrechungsroutine. Während der nächsten Unterbrechung wird das älteste Bit verworfen, das neue Bit wird hinzugefügt, und dieselben Prüfungen werden wiederholt. Dieser Prozess geht Unterbrechung für Unterbrechung weiter, bis der „Nachricht starten"-Code erkannt wird. Wenn die Startnachricht nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach Erfassung eines Signals erkannt wird, kann das Lesermagnetfeld abgeschaltet werden, um Batterieenergie zu sparen.
Unterbrechungen im Anschluss an die Erkennung des „Nachricht starten"-Codes gehen über die Prüfung 700 zur Operation 745 weiter, wo fehlerhafte Inversionen der Daten durch Modulo-2-Addition der Mengen B und G korrigiert werden. Die empfangenen Nachrichtenbits werden in der Operation 750 durch Heraufsetzen des C-Registers gezählt. Wenn die Prüfung 755 zeigt, dass die richtige Anzahl von Nachrichtenbits empfangen wurde, wird der Nutzzyklustaktgeber durch die Operation 760 zurückgesetzt, wodurch die Spannung von der Leserspule 110 genommen wird. Der Mikroprozessor wird dann in der Operation 765 angewiesen, zu der in 12 gezeigten Nachrichtenverarbeitungsroutine zu gehen.
Der Leser 100 kann angewiesen werden, mittels im Nur-Lese-Speicher in Form einer integrierten Schaltung, einer Widerstandsmatrix oder eines beliebigen anderen Mittels zum dauerhaften Speichern binärer Daten gespeicherter „Modus"-Daten nach einem Markentyp oder vielen verschiedenen Marken zu suchen. Zu den Modusdaten zählen Treiberfrequenz, Modulationsart (d. h. FSK, OOK, CPSK und DCPSK), „Zeichen"- und „Leerstellen"- Frequenzen, Bitrate, Datenverschlüsselung, falls vorhanden (z. B. Manchester oder verwandte Codierungstechniken), „Nachricht starten"-Code, Fehlererfassungsprozess (z. B. zyklische Redundanzprüfungen, Paritätskontrollen), Markentyp und alle Konstanten, die in die Firmware integriert sind, die die Funktionen des Lesers steuert.
Die in 12 gezeigte Nachrichtenverarbeitungsroutine ist von ziemlich beschränkter Bandbreite, einfach weil die Verschiedenheit der derzeit in Gebrauch befindlichen Marken ziemlich beschränkt ist. Wenn neue und verbesserte Markengestaltungen auftauchen, kann die Firmware, wie sie durch dieses Flussdiagramm dargestellt ist, so erweitert oder modifiziert werden, dass sie diese neuen und einzigartigen Merkmale enthält, sobald sie auftauchen. Dementsprechend sollte dieses Flussdiagramm eher als beispielhaft für die Möglichkeiten denn als vollständige und komplette Darstellung der Leistungsfähigkeiten der Erfindung begriffen werden.
Der Mikroprozessor 170 führt die Prüfung 800 durch, indem er ausgehend von den Modusdaten bestimmt, ob die Daten nach Manchester verschlüsselt sind. Falls dies so ist, wird die Prüfung 803 durchgeführt. Wenn die Anzahl von empfangenen Nachrichtenbits C gerade ist, wird das soeben empfangene Bit B_C in der Operation 804 mit dem zuvor empfangenen Bit B_C-1 verglichen. Bei der Manchester-Codierung müssen die zwei Bits unterschiedlich sein. Wenn sie gleich sind, ist ein Fehler bei der Übertragung aufgetreten, und der laufende „Lese"-Zyklus wird durch die Operation 806 durch Rücksetzen des Nutzzyklustaktgebers im Taktgenerator 140 beendet. Wenn die Bits nicht gleich sind, wird die Operation 808 durchgeführt, wobei das (C-1). Bit als C/2. Bit der Nachricht bestimmt wird.
Die Prüfung 810 wird bewerkstelligt, indem ausgehend von den Modusdaten bestimmt wird, ob die Nachricht chiffriert ist. Wenn dies so ist, enthalten die Modusdaten die notwendigen Informationen zum Dechiffrieren der Nachricht während der Operation 815. Zum Zwecke von Prüfungen 820 und 840 weisen die Modusdaten auch darauf hin, ob entweder zyklische Redundanzprüfungen oder Paritätskontrollen vorzunehmen sind. Die erforderlichen Daten zur Durchführung dieser Kontrollen während der Operationen 825 und 845 sind ebenfalls in den Modusdaten vorgesehen.
Falls die zyklische Redundanzprüfung oder die Paritätskontrolle fehlerhaft ist, bewirkt die Prüfung 830 bzw. die Prüfung 850 die Beendigung des laufenden „Lese"-Zyklus durch die Operation 806. Wenn die Kontrollen zufriedenstellend sind, geht der Mikroprozessor weiter zur Prüfung 835 und bestimmt durch Heranziehen der Modusdaten, ob der Markentyp in der Nachricht eingeschlossen ist. Falls dies so ist, wird in Prüfung 855 die Bestimmung dahingehend vorgenommen, ob der Markentyp zu denen mit Leseberechtigung gehört. Falls dies nicht so ist, wird der gegenwärtige „Lese"-Zyklus durch die Operation 806 abgebrochen. In einer anderen Ausführungsform würde der Leser wahlweise ermächtigt, eine Nachricht "Unberechtigte Marke erfasst" anzuzeigen.
Die letzte Operation der Routine ist 860, die zur Anzeige des Identifikationscodes für die Marke auf der Flüssigkristallanzeige 175 führt. Ferner wird veranlasst, dass der Lautsprecher 185 zwei "Piepsignale" eines Tons ausgibt.
Die Routine, die der Mikroprozessor ausführt, wenn vom Benutzer der Leserstromschalter betätigt wird, ist in 13 gezeigt. Die Operation 900 setzt den Mikroprozessor 170 zurück und bewirkt, dass er eine Initialisierungsprozedur durchführt. Während der Operation 902 erhält der Mikroprozessor vom Modusdaten-Nur-Lese-Speicher sämtliche erforderlichen Modusdaten, die zum Konfigurieren des Lesers 170 notwendig sind, um die Marken zu lesen, für die er leseberechtigt ist. Der Leser 170 wird während der Operation 904 konfiguriert.
Während der Operation 906 wird die Spule 110 angeregt und die Batteriespannung unter Belastung mit einer Bezugsspannung verglichen. Nach erfolgtem Vergleich wird die Spulenspannung abgeschaltet. Wenn der Spannungspegel während der Prüfung 908 für niedrig befunden wird, bewirkt die Operation 910, dass eine Nachricht „Spannung niedrig" auf der Flüssigkristallanzeige 175 angezeigt und für eine Sekunde das Aussenden eines schwach vernehmbaren Tons durch den Lautsprecher 185 bewirkt wird. Wenn der Spannungspegel akzeptabel ist, bewirkt die Operation 912, dass die Nachricht „bereit" angezeigt wird und zwei kurze „Piepsignale" ausgesendet werden. Der Mikroprozessor tritt dann in eine Schlummerphase, wo er auf Unterbrechungen wartet, die ihn dazu bringen, weitere Verarbeitungsoperationen auszuführen.
In 14 ist die Unterbrechungsroutine T₁ gezeigt. Die Unterbrechung T₁ wird durch den T-Zähler im Taktgenerator 140 erzeugt, wenn die Spulenspannung nach dem Einschalten einen nahezu stabilen Zustand erreicht hat. Die Operation 920 führt zum Öffnen des Schalters 160 im Gleichstromabschalter 155. Die Bitraten-(Steuerungs-)Unterbrechung wird durch die Operation 924 freigegeben, wodurch der Beginn des eigentlichen „Lese"-Prozesses gestattet wird.
In 15 ist die Bitraten-(Steuerung-)Unterbrechungsroutine gezeigt. Die Prüfung 930 deckt auf, dass das „Korrelationen starten"-Kennzeichen nicht gesetzt wurde, und die Operation 932 besteht aus der Aktivierung der viermaligen „Zeichen"-Frequenz- und der viermaligen „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungen und dem Setzen des Kennzeichens „Korrelationen starten". Bei der nächsten Bitraten-(Steuerungs-)Unterbrechung geht der Mikroprozessor über die Prüfung 930 weiter zur Operation 934 und aktiviert dadurch die „Zeichen"-Frequenz- und „Leerstellen"-Frequenzunterbrechungen, letztere nur, falls die Modusdaten anzeigen, dass die antwortende Marke FSK-Modulation verwendet. Das „Korrelationen starten"-Kennzeichen wird in Erwartung des nächsten „Lese"-Zyklus zurückgesetzt, und die Bitraten-(Steuerungs-)Unterbrechung wird gesperrt.
Die Spulenabschalt-Unterbrechungsroutine ist in 16 gezeigt. Die Spulenabschaltunterbrechung wird erzeugt, wenn das Signal vom Nutzzyklustaktgeber im Taktgenerator 140 niedrig wird und die Spulenspannung abschaltet. Wenn diese Unterbrechung stattfindet, sperrt der Mikroprozessor sämtliche Unterbrechungen, setzt sämtliche Kennzeichen zurück, löscht sämtliche Register und schließt den Schalter 160.
Die Verwendung des Multimode-Identifizierungssystems beginnt mit der Wahl einer bestimmten körperlichen Gestaltung für die Marken, die zur Befestigung an oder Implantation in den interessierenden Objekten geeignet sind. Die Marken werden in der benötigten Anzahl hergestellt, und es wird eine Folge von Bits mit einem einzigartigen Identifikationscode in den Permanentspeicher jeder Marke einprogrammiert. Die Marken werden nach Bedarf an den interessierenden Objekten angebracht oder darin implantiert.
Der Identifizierungsprozess besteht aus dem Anschalten der Leistung an den Leser, dem wahlweisen Kalibrieren des Instrumentes bezogen auf den Rauschpegel durch Drücken des „Kalibrieren"-Schalters und dem Auslösen des „Lesen"-Impulses. Die Vorrichtung ist nun bereit zum Lesen von Marken.
Der Benutzer löst den „Lesen"-Impuls aus und bewegt den Leser nahe der Stelle über die Oberfläche des Objekts, wo die Marke sich bei Vorhandensein befinden würde. Wenn eine Marke vorhanden ist und die Marke zu dem Typ mit Leseberechtigung gehört, wird der mit dem Objekt verbundene Identifikationscode ausgewiesen und akustisch angezeigt.

Claims

Elektronische Erkennungsmarke (200), aufweisend eine Einrichtung (255) zum Speichern von an einen elektronischen Erkennungsleser (100) zu übermittelnden Informationen; gekennzeichnet durch – eine Einrichtung (230) zum Verändern der Leistungsentnahme aus einem reversierenden Magnetfeld (10) in Übereinstimmung mit den gespeicherten Informationen, wobei die Erzeugung des Magnetfeldes (10) zu einem willkürlichen Zeitpunkt begonnen wird, das Magnetfeld (10) vor dem willkürlichen Zeitpunkt null ist und im Anschluss an den willkürlichen Zeitpunkt aus einem gleichförmigen Anteil und einem Übergangsanteil besteht; und – eine Einrichtung (250) zum Verzögern der Veränderung der Leistungsentnahme für eine vorbestimmte Zeitspanne, wobei die Verzögerungszeit die Zeit ist, die der mit dem Beginn der Erzeugung des reversierenden Magnetfeldes (10) verbundene Übergang benötigt, um auf einen Pegel abzufallen, wo die wechselnde Leistungsentnahme aus dem reversierenden Magnetfeld (10) von dem Übergang unterscheidbar ist.
Elektronische Erkennungsmarke (200) nach Anspruch 1, aufweisend eine Spule (210), einen Kondensator (220), eine veränderbare Belastung (230), einen Spannungswandler (235) von Wechselstrom zu Gleichstrom, eine Verzögerungseinrichtung (250) und einen Signalgenerator (240); wobei die Spule (210) und der Kondensator (220) erste und zweite Anschlüsse aufweisen, die veränderbare Belastung (230), der Spannungswandler (235) und die Verzögerungseinrichtung (250) erste, zweite und dritte Anschlüsse aufweisen, und der Signalgenerator (240) erste, zweite, dritte und vierte Anschlüsse aufweist; wobei die ersten Anschlüsse aller dieser Vorrichtungen zusammengeschaltet sind, die zweiten Anschlüsse der Spule (210), des Kondensators (220), der veränderbaren Belastung (230) und des Spannungswandlers (235) zusammengeschaltet sind, der dritte Anschluss des Spannungswandlers (235) mit den zweiten Anschlüssen der Verzögerungseinrichtung (250) und des Signalgenerators (240) verbunden ist, der dritte Anschluss der Verzögerungseinrichtung (250) an den dritten Anschluss des Signalgenerators (240) angeschlossen ist, und der vierte Anschluss des Signalgenerators (240) an den dritten Anschluss der veränderbaren Belastung (230) angeschlossen ist; wobei die Spule (210) und der Kondensator (220) bei einer vorbestimmten Frequenz in Resonanz sind, die Spule (210) unter Ansprechen auf ein von der Spule (210) umschlossenes magnetisches Wechselfeld an ihren Anschlüssen Wechselspannung erzeugt, der Spannungswandler (235) unter Ansprechen auf die über seine Anschlüsse aufgeprägte Wechselspannung Gleichspannung erzeugt, die Gleichspannung die Verzögerungseinrichtung (250) veranlasst, nach einer vorbestimmten Verzögerung ein „Start"-Signal an den Signalgenerator (240) zu liefern, die Gleichspannung in Verbindung mit dem „Start"-Signal den Signalgenerator (240) zur Lieferung eines Signals an die veränderbare Belastung (230) veranlasst, wobei das Signal des Signalgenerators (240) eindeutig auf die Markeninformation bezogen ist, die Größe der veränderbaren Belastung (230) gemäß der Größe des von dem Signalgenerator (240) gelieferten Signals verändert wird und die Leistungsentnahme der veränderbaren Belastung (230) aus dem reversierenden Magnetfeld (10) proportional zur Größe der veränderbaren Belastung (230) ist.
Elektronische Erkennungsmarke (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem elektronischen Erkennungsleser (100) mit der Eignung zum Betrieb in einer Vielzahl von Betriebsarten gekoppelt ist, wobei diese Betriebsarten durch Modussteuerdaten gekennzeichnet sind und der Leser (100) aufweist: – eine Einrichtung (110) zum Erzeugen eines reversierenden Magnetfeldes (10); – eine Einrichtung (142) zum Starten der Erzeugungseinrichtung (110); – eine Einrichtung (170) zum Stoppen der Erzeugungseinrichtung (110); – eine Einrichtung (170) zum Erhalten eines Messwertes der zeitabhängigen Leistungsentnahme aus dem Magnetfeld (10) durch eine elektronische Erkennungsmarke (200), wobei der Leistungsentnahmemesswert die von der Marke (200) übermittelte Information darstellt; und – eine Einrichtung (170) zum Herausziehen der Information aus dem Leistungsentnahmemesswert, wobei die Informationsextraktionseinrichtung (170) zum Betrieb in einer Vielzahl von Informationsextraktion-Betriebsarten geeignet ist, wobei jede dieser Informationsextraktion-Betriebsarten auf einer bestimmten Funktionsbeziehung zwischen der Information und der zeitabhängigen Leistungsentnahme durch die Marke (200) basiert und die Informationsextraktion-Betriebsarten durch die Modussteuerdaten gekennzeichnet sind.
Verfahren zum Übermitteln von Informationen unter Ansprechen auf das Vorhandensein eines reversierenden Magnetfeldes (10), wobei die Erzeugung des Magnetfeldes (10) zu einem willkürlichen Zeitpunkt begonnen wird, das Magnetfeld (10) vor dem willkürlichen Zeitpunkt null ist und im Anschluss an den willkürlichen Zeitpunkt aus einem gleichförmigen Anteil und einem Übergangsanteil besteht, und das Verfahren den Schritt Erkennen des Vorhandenseins des reversierenden Magnetfeldes (10) umfasst; gekennzeichnet durch die Schritte: – Abwarten einer vorbestimmten Zeitspanne, wobei die vorbestimmte Zeitspanne die Zeit ist, die der mit dem Einschalten des reversierenden Magnetfeldes (10) verbundene Übergang benötigt, um auf einen Pegel abzufallen, wo eine veränderliche Leistungsentnahme aus dem reversierenden Magnetfeld (10) von dem Übergang unterscheidbar ist; und – Entnehmen von Leistung aus dem reversierenden Magnetfeld (10) nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne derart, dass eine Veränderung in der entnommenen Leistung in Funktionsbeziehung zu den übermittelten Informationen steht.
Verfahren nach Anspruch 4, zum Empfangen von Informationen, die durch die wechselnde Leistungsentnahme aus dem reversierenden Magnetfeld (10) von einer Quelle unbestimmten Standorts übermittelt werden, wobei die wechselnde Leistungsentnahme in Funktionsbeziehung zu den übermittelten Informationen steht und die Funktionsbeziehung irgendeine einer Vielzahl von Funktionsbeziehungen ist, wobei das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: – Erzeugen eines reversierenden Magnetfeldes (10) in einem Bereich, der für den Standort der Übermittlungsquelle gehalten wird; – Erhalten eines Messwertes der aus dem reversierenden Magnetfeld (10) entnommenen Leistung, falls vorhanden, als Funktion der Zeit; – Verwenden der Vielzahl der Funktionsbeziehungen, die zwischen der wechselnden entnommenen Leistung und den übermittelten Informationen vorhanden sein können, um ausgehend von dem Leistungsentnahmemesswert als Funktion der Zeit zu bestimmen, ob Informationen übermittelt werden und falls ja, die verwendete Funktionsbeziehung zu bestimmen; – Weglassen der restlichen Schritte und Wiederholen des Verfahrens an einer anderen Stelle, falls keine Informationen übermittelt werden; andernfalls: – Herausziehen von Informationen aus dem Leistungsentnahmemesswert als Funktion der Zeit unter Verwendung der eingesetzten Funktionsbeziehung.