專利名稱：用于無線雙向傳輸電信號的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在如數(shù)據(jù)閱讀器的主機與如信息承載的移動客戶單元之間進行無線雙向傳輸電信號的系統(tǒng)，更具體地說，是一種封裝(packaging)方法，如卡片(cardboard)那樣。雖然電信號主要用于表示數(shù)字數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)也可以用于從靜止單元向移動客戶單元傳送電能。
本類型系統(tǒng)的現(xiàn)有技術可從美國專利號4,876,535和5,847,447中得知。
背景技術：
如今在移動計算領域的先進技術產(chǎn)生了大量的通常使用電池作電源的小型便攜式設備。應用范圍從蜂窩電話、手持電腦到諸如電子計量儀器、數(shù)據(jù)記錄器等的數(shù)據(jù)采集設備?，F(xiàn)在，足夠的數(shù)據(jù)處理能力被合并進來以便在便攜式單元與主機之間執(zhí)行直接的數(shù)據(jù)交換。信息經(jīng)常是雙向傳輸?shù)?，其中，參?shù)建立、備忘錄傳輸和其它現(xiàn)場數(shù)據(jù)是從主機計算機提供的信息，如測量值的結果被傳回主機設備。
也有一些諸如識別卡(智能-或集成電路(IC)卡)或封裝識別器等的無源的便攜式設備，這種設備通常不在現(xiàn)場時就不帶電，也不提供電池電源。當這種設備被連接到主計算機時，就會獲得電能并可以執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。信息通常保持在非易失性存儲器中。
執(zhí)行數(shù)據(jù)交換的最直接方式是使用若干標準接口和協(xié)議的直接電纜連接。國際電話與電報顧問委員會(CCITT)V.24/V.28/電子工業(yè)聯(lián)合會(EIA)RS-232是迄今最普遍的電器標準，其中，存在若干標準的和專有的協(xié)議機制用于控制數(shù)據(jù)傳輸過程。
大家會理解，電纜連接通常有若干缺點，其中最明顯的缺點可以總結如下緩慢的手工排列、連接和拆除電纜連接器的過程。
接觸和接觸元件的機械性能的下降。
由于潮濕、水分、灰塵和碰撞引起的環(huán)境的惡化。
裸露的插槽將設備的關鍵部分暴露在灰塵和容易產(chǎn)生靜電放電的電磁環(huán)境中。
在很多應用中，更希望以無線方式執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。通常使用的方法有幾種，如射頻(RF)和紅外線輻射。RF設備居于顯著的優(yōu)點，可以長距離傳送信息，但是，通常要求高的功率和仔細選擇天線與振蕩器的設計以維持選擇性且不干擾公共波段上的其它設備。紅外線光束具有實現(xiàn)簡單的好處，但是需要仔細對準，并且收發(fā)端之間需有清晰的視界(sight)。
當兩臺設備之間存在緊密鄰近關系時，根據(jù)電磁波傳播的近場效應，開發(fā)出了幾種有專利權的用于傳送信息的方法。通常，這種方法被分為感應性(磁場)傳播和電容性(電場)傳播。某些方法包括了二者的結合。
磁場傳播依賴于用交流電流對第一個線圈的供電，并在那里輻射出磁場能量。通過將第二個線圈靠近第一個線圈，感應電流會在第二個線圈上產(chǎn)生交變電壓。
電容性場傳播依賴于施加在第一個導電表面的交變電壓。通過將第二個導電表面靠近第一個，表面之間的交變電壓形式的靜電荷可以在第二個表面與公共地之間被測量。為獲得便攜式設備的電流，相應的第二套導電表面需要形成閉合的環(huán)路。
因為感抗隨頻率增加而增加。較低頻率下磁場耦合得較好。在便攜式系統(tǒng)中感應傳輸?shù)娜秉c是能量損耗高，這種損耗主要與線圈中的阻抗和磁通損失有關。并且，線圈的制造成本相對較高。
與之相對，容抗隨頻率的增加而下降。由于串聯(lián)和并聯(lián)的電阻值較低，所以實際電容中的損失比線圈要低。電容性傳輸?shù)娜秉c是需要高電壓和大的表面積以獲得良好的耦合，因為電容量會隨電容性表面之間的距離的增加而下降。
主要的用于電容性數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)依賴于設備之間良好的電容耦合。在就抗導性、電容極板之間的間距和/或介質(zhì)的屬性而言，用于形成電容元件的導電材料差的應用中，其中空氣的作用被認為是增加了距離，這些方法對于正確的操作來說不總是可行的。
在本發(fā)明針對的一些應用，都希望具有下述特點微電源靜止電流要求。便攜式設備最好應擁有實質(zhì)上為零的靜止電流。
主機設備接口應當是低功率的，以便能夠由從V.24/V.28串口獲得少量的電力驅(qū)動。
必須在幾毫米遠的距離內(nèi)可以正常工作。
必須在即使耦合表面不是非常平坦時仍可以正常工作。
必須獨立于設備之間所存在的電介質(zhì)而可以正常工作。
必須在做成電容極板的如導電聚合物、石墨、或銦錫氧化物(ITO)之類的材料的導電性較差時，仍可以正常工作。
對于收發(fā)器未對準的情況應當相對不敏感。
最好應對180°的旋轉位移不敏感。
實現(xiàn)簡單且成本低，并且不需要手動調(diào)諧或依賴于元件值發(fā)較窄的允許范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的就是提供一種低成本的系統(tǒng)，用于通過電容性接口以無線方式雙向傳輸電信號，該接口允許客戶單元的電路中的高阻抗，以便在材料的介電性能較差、接觸板的導電性較差和接觸板之間的間隙相對大時，仍能獲得良好的信號傳輸能力。
另一個目的是提供一種系統(tǒng)，允許移動單元被旋轉180度，這樣，協(xié)同操作的接觸板對可以被無意識地移動而不丟失功能。這一點在盒形封裝與靜止單元之間傳送信息時是重要的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種系統(tǒng)，用于通過電容性接口以無線方式雙向傳輸電信號，該接口在主機單元和客戶單元彼此靠近時，由一部分包含在主機單元內(nèi)、一部分包含在客戶單元內(nèi)的電路之間形成。該電容性接口包括在主機和客戶單元上的分別為第一、第二和第三的導電區(qū)域。主機單元的第一導電區(qū)域與主機單元內(nèi)的頻率發(fā)生諧振電路相連接，用于耦合傳送到客戶單元的高幅值信號。主機單元的第二和第三導電區(qū)域與主機單元內(nèi)的衰減電路相連接，用于接收從客戶單元來的信號?？蛻魡卧牡谝缓偷诙щ妳^(qū)域與客戶單元內(nèi)的衰減電路相連接，用于從主機單元接收信號。客戶單元的第一和第三導電區(qū)域也相互連接。
頻率產(chǎn)生諧振電路提供載頻輸出給主機單元的第一導電區(qū)域。通過電阻反饋，這種設計提供諧振電路自動調(diào)諧功能以便工作在峰值輸出振幅，而且相對獨立于導電區(qū)域復雜的阻抗負載。通過這種安排，可獲得主機單元相對高振幅的輸出。因此，電路和導電區(qū)域，尤其是在主機單元，可以用相對便宜的低導電材料制做，如導電聚合材料，可以印刷在用于電路和導電區(qū)域的基底上。
通過互聯(lián)客戶單元的第一和第三導電區(qū)域，當該導電區(qū)域被連續(xù)地安排在一條直線上時，電容性接口的一側允許被旋轉半圈而不損失信號傳輸功能。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括主機單元和客戶單元的系統(tǒng)的方塊圖和電路圖。
圖2示出了圖1中系統(tǒng)的第一閉合電容性環(huán)路。
圖3示出了圖1中系統(tǒng)的第二閉合電容性環(huán)路。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的客戶單元中的電容性接口的導電區(qū)域的安排。
圖5是示波器輸出，其顯示出根據(jù)本發(fā)明的輸入到主機單元的信號，和從主機單元輸出的信號。
具體實施例方式
該系統(tǒng)包括兩個單元，每個都有收發(fā)接口。在下述描述中，該兩單元被分別稱作“主機”單元和“客戶”單元。術語“主機”是指能夠提供載波頻率輸出的設備。術語“客戶”在這里是為了描述方便；根據(jù)本發(fā)明的客戶單元是移動或便攜式單元。由于主機單元具有較高的操作電流，具有最嚴格的低電源使用要求的設備最好是便攜式單元。
這里，并不暗示在協(xié)議層上，主機單元與客戶單元之間是一種主從關系。
本發(fā)明自身并無任何暗示表明，收發(fā)器是主機接口或客戶接口整體的一個部分。
在圖1的圖表展示中，主機計算機60配備有外部主機單元10，單元10與客戶單元40非?？拷毓蚕硪粋€電容性接口，客戶單元40包括通過接口58連接的微處理器56。三對導電區(qū)域，即，第一導電區(qū)域A1-B1、第二導電區(qū)域A2-B2、第三導電區(qū)域A3-B3，形成了共同的電容性接口。如圖2所示，每個包括電容極板的導電區(qū)域可以被做成矩板或甚至是印刷片(patch)，該印刷片印刷在用于各單元10和單元40的外殼的內(nèi)部平坦的表面上。
客戶單元40可以是移動或便攜式低成本數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置為各種從信用卡大小的交易裝置到裝在封裝的卡片材料之上或之內(nèi)的識別裝置。
主機計算機60考慮為一臺標準個人電腦，該電腦通常配備有一個作為標準的V.24/V.28接口。然而，也可以是包括膝上型電腦、個人數(shù)字助理(PDA)和可編程邏輯控制器(PLC)的幾種設備，也具有V.24/V.28接口。
主機計算機60配備有專門的軟件驅(qū)動器(未示出)以控制主機接口10的數(shù)據(jù)流。根據(jù)所需的功能性，該驅(qū)動器可以是一個已安裝的模塊，或是應用程序的一部分。
CCITT V.24/V.28電器標準描述了在所陳述負載下的最小電壓輸出波動。即使該標準自身并未陳述一個附連的設備可以從接口獲得供電，但只要沒有超過所述的最大負載，獨立于外部電源是有好處的。在某些應用中，當不需要在串口上增加更多負載或串口本身沒有完全遵照標準中所陳述的驅(qū)動要求時，可以使用從交流/直流(AC/DC)適配器或包括在主機單元10中的電池來的外部電源。如果需要，可以使用接口控制信號來控制主機單元10的電源，該信號的一種狀態(tài)是電源低、待機狀態(tài)，另一種狀態(tài)是激活的、電源充足的狀態(tài)。
主機電路單元10的基本電路原理圖如下主電路單元10被設計成與標準的V.24/V.28串口連接，該處發(fā)送請求(RTS)和數(shù)據(jù)終端準備就緒(DTR)輸出的電平值被系統(tǒng)軟件控制為一個高電平，由此提供給電路元件一個正電壓。接收數(shù)據(jù)輸入(RxD)有負電平的標記電平(mark level)，因此提供給電平轉換器(shift)28一個負電壓供應。另外提供有大容量及濾波電容12、26，還可以附加一個穩(wěn)壓元件，如并聯(lián)一個齊納二極管(未示出)。
電平轉換器14提供輸入電壓的轉換給主機單元，當輸入是在標記電平時，即非激活時，其具有邏輯高輸出。一個振蕩器施密特觸發(fā)器與非電路16將在由位于施密特觸發(fā)器18的輸出的包含電阻20、電感22、和電容24的LC諧振電路設置的主頻上振蕩。這個諧振電路提供載波輸出給導電單元A1。通過電阻反饋，這種設計提供諧振電路的自動調(diào)諧功能，以便能分別獨立于A1復雜的阻抗負載而以其峰值輸出振幅工作。通過選擇一個互補金屬氧化物半導體/高速互補金屬氧化物半導體(CMOS/HCMOS)施密特觸發(fā)器18，電阻反饋的值可以保持為高，以減小諧振電路的負載。使用HCMOS器件更多好處包括有低操作功率、低輸出阻抗、軌到軌的輸出波動和輸入保護二極管，因此可以以最小的設計復雜程度提供一個大的諧振電路輸出波動。
當一個間隔(space)電平存在于電平轉換器14的輸入端時，邏輯低輸出關閉了振蕩器功能，這樣，諧振電路的輸出衰減，同時，DC電平出現(xiàn)在端子A1。當在電平轉換器14的輸入收到串行數(shù)據(jù)流時，諧振電路的輸出將提供一個脈沖調(diào)制載頻，該脈沖調(diào)制載頻隨后電容性耦合到便攜式設備。
客戶單元40具有高輸入阻抗，并在如下的描述對客戶單元40中做更多解釋。
圖3中的示波器讀出值顯示了，當從主機計算機60發(fā)出一個二進制0x55模式時，一個從諧振電路的輸出與電平轉換器14的輸入的關系。
在示波器讀出值中，5V的供給電壓提供了80V的峰-峰值振幅的輸出電壓。通過進一步增加供給電壓，輸出振幅將相應增加。
當電容性接口極板B2和B1/B3被非?？拷卦谙鄳臉O板A2、A1和A3而放置時，就會通過極板A1-B1、極板A2-B2和極板A3-B3而形成電容。實際的電容值主要取決于極板尺寸、極板之間的距離和存在于它們之間的介電材料的類型。
如圖1所顯示的，電容極板B1和極板B3通過導體54電互連。因此可使極板A1和極板A3之間耦合的寄生電容減小。另外，電容性接口也將因此對稱，即，客戶單元可以以180°在電容性接口面上被旋轉而不損失其功能。
第一閉合電容性環(huán)路1(圖2)形成如下通過沿著主機單元10中的諧振電路的輸出、通過極板A1-B1到客戶單元40、通過擁有四個二極管52的整流橋50、通過包括電容46和電阻48的并聯(lián)阻抗電路44、通過極板B2-A2返回到主機單元10的地而形成。
第二閉合電容性環(huán)路2(圖3)形成如下通過沿著主機單元10中的諧振電路的輸出、通過極板A1-B1、極板B3-A3、通過輸入二極管36、電阻32、并通過主機單元10中的整流二極管38接地而形成。
當主機單元10中的振蕩器電路16工作時，第一電容性環(huán)1在客戶單元40中的端子RX上感應一個電壓。通過可選的峰值保持二極管和大容量電容器(未示出)，低電流電路可以在客戶單元40中被加電，而不會嚴重地影響主機單元10與客戶單元40之間的信號傳輸。
當振蕩器18被從主機計算機60來的數(shù)據(jù)流調(diào)制時，相應的解調(diào)輸出在客戶單元40中的端子RX處形成。通過在RX上提供一個可選的電壓限制器和施密特觸發(fā)器(未示出)，干凈的解調(diào)的信號可以被客戶單元中的微處理器56直接處理。
客戶單元還包括一個與阻抗電路44并聯(lián)的晶體管42?？梢酝ㄟ^從客戶單元40中的TX端子控制晶體管42從客戶單元40將數(shù)字數(shù)據(jù)信息傳回到主機單元10。當晶體管42導通時，通過極板B2-A2，極板B1上的輸入被有效地短路到地，因此削弱了耦合到極板A2的極板B3上的電壓。在連接到主機單元10中的電平轉換器28的輸入網(wǎng)絡中的被濾波的載頻的靜止耦合也被削弱。被合適選擇的帶著一定滯后的輸入門限值的電平轉換器28執(zhí)行從客戶單元40傳輸?shù)街鳈C計算機60的信息的解調(diào)。
在從主機單元10到客戶單元40的電源傳輸?shù)那闆r下，非歸零(NRZ(Non-Return to Zero))調(diào)制數(shù)據(jù)中斷了客戶單元中的RX端子上的電壓，這是我們不期望的效果。通過在客戶單元中應用現(xiàn)有技術中的不同的調(diào)制方式，如PPI，頻率調(diào)制(FM)或曼切斯特調(diào)制，這種電壓中斷時間可以被減少，這樣使得客戶單元40中的電壓更連續(xù)。
總之，本優(yōu)選實施例描述了一種具有對無功(reactive)元件要求寬松的、不昂貴的、容易實現(xiàn)的自調(diào)諧設計。具有大約為理想值的±10％的相對誤差容限的元件可以在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用，并且可以以低成本廣泛獲得這些元件。通過客戶單元40形成的電容性負載以及不同的寄生電容只輕微移動振蕩器的中心頻率，而不嚴重地影響輸出振幅。
由于主機單元10工作在低功率，所以可以由接口信號直接供電，因此消除了諸如從AC適配器或電池組供電等的對外部電源的需求。
便攜式設備事實上工作在零靜止電流，而不會在任何時間影響接收數(shù)據(jù)的能力。
權利要求
1.一種系統(tǒng)，用于通過電容性接口以無線方式雙向傳輸電信號，該電容性接口在主機單元和客戶單元彼此靠近時，由一部分包含在主機單元內(nèi)，一部分包含在客戶單元內(nèi)的電路之間形成；所述的電容性接口包括分別位于主機和客戶單元(10，40)內(nèi)的第一導電區(qū)域(A1，B1)、第二導電區(qū)域(A2，B2)和第三導電區(qū)域(A3，B3)；所述的主機單元的第一導電區(qū)域(A1)連接到位于主機單元(10)內(nèi)的一個頻率發(fā)生諧振電路(16)，用于傳輸信號給客戶單元(40)；所述的主機單元的第二和第三導電區(qū)域(A2，A3)被連接到位于主機單元內(nèi)的一個阻抗電路(30)，用于接收從客戶單元來的信號；所述的客戶單元的第一和第二導電區(qū)域(B1，B2)被連接到位于客戶單元內(nèi)的一個阻抗電路(44)，用于接收來自主機單元的信號；和所述的客戶單元的第一和第三導電區(qū)域(B1，B3)相互連接。
2.如權利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述的頻率發(fā)生諧振電路被適配成自調(diào)諧，以便其充分地工作在最大輸出，而實質(zhì)獨立于復雜的負載阻抗。
3.如權利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述的頻率發(fā)生諧振電路包括施密特觸發(fā)器和位于施密特觸發(fā)器輸出位置的諧振電路，諧振電路包括反饋電阻、電感、和電容器。
4.如權利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述的導電區(qū)域分別在各自的主機和客戶單元被連續(xù)地安排成一直線排列，用于允許所述的電容性接口的一側的半圈旋轉而不損失信號傳輸功能。
5.如權利要求1中所述的系統(tǒng)，還包括被并聯(lián)連接到所述的位于客戶單元中的阻抗電路的晶體管，用于傳輸信號給主機單元。
6.一種系統(tǒng)，用于通過電容性接口以無線方式雙向傳輸電信號，該電容性接口在主機單元和客戶單元彼此靠近時，由一部分包含在主機單元內(nèi)，一部分包含在客戶單元內(nèi)的電路之間形成；所述的電容性接口包括分別位于主機和客戶單元內(nèi)的第一、第二和第三導電區(qū)域；所述的主機單元的第一導電區(qū)域連接到一個頻率發(fā)生電路和一個位于頻率發(fā)生電路的輸出位置的、包括電阻、電感、和電容器的諧振電路，用于傳輸信號給客戶單元；所述的主機單元的第二和第三導電區(qū)域連接到位于主機單元內(nèi)的一個阻抗電路，用于接收從客戶單元來的信號；所述的客戶單元的第一和第二導電區(qū)域連接到位于客戶單元內(nèi)的一個阻抗電路，用于接收來自主機單元的信號；
7.如權利要求6中所述的系統(tǒng)，其中所述的頻率發(fā)生諧振電路被適配成自調(diào)諧，以便其充分地工作在最大輸出，而實質(zhì)獨立于復雜的負載阻抗。
8.如權利要求6中所述的系統(tǒng)，所述的客戶單元的第一和第三導電區(qū)域相互連接。
9.如權利要求8中所述的系統(tǒng)，其中所述的導電區(qū)域分別在各自的主機和客戶單元被連續(xù)地安排成一直線排列，用于允許所述的電容性接口的一側的半圈旋轉而不損失信號傳輸功能。
10.如權利要求6中所述的系統(tǒng)，還包括被并聯(lián)連接到所述的位于客戶單元中的阻抗電路的晶體管，用于傳輸信號給主機單元。
全文摘要
提供了一種低成本的用于通過主機單元與一個客戶單元之間的電容性接口以無線方式雙向傳輸電信號的系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許在客戶單元的電路中有高阻抗，以便在介質(zhì)材料差、接觸板導電性差和兩接觸板的間距相對大的情況下，可獲得好的信號傳輸性能。該電容性接口包括分別存在于主機和客戶單元(10，40)內(nèi)的第一(A1；B1)、第二(A2；B2)和第三(A3；B3)導電區(qū)域。主機單元的第一導電區(qū)域(A1)被連接到位于主機單元內(nèi)的一個自調(diào)諧頻率發(fā)生諧振電路(16)，用于獲得傳輸給客戶單元(40)的信號的高增益。主機單元的第二和第三導電區(qū)域(A2，A3)連接到位于主機單元內(nèi)的阻抗電路(30)，用于接收從客戶單元來的信號。客戶單元的第一和第二導電區(qū)域(B1，B2)還連接到位于客戶單元內(nèi)的阻抗電路(44)，用于接收來自主機單元的信號。在優(yōu)選實施例中，客戶單元的第一和第三導電區(qū)域(B1，B3)也相互連接。
文檔編號G08C17/00GK1404596SQ01805020
公開日2003年3月19日 申請日期2001年2月15日 優(yōu)先權日2000年2月18日
發(fā)明者雅各布·埃倫斯瓦德 申請人:西帕克公司