专利名称：用于无线双向传输电信号的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在如数据阅读器的主机与如信息承载的移动客户单元之间进行无线双向传输电信号的系统，更具体地说，是一种封装(packaging)方法，如卡片(cardboard)那样。虽然电信号主要用于表示数字数据信息，本系统也可以用于从静止单元向移动客户单元传送电能。
本类型系统的现有技术可从美国专利号4,876,535和5,847,447中得知。
背景技术：
如今在移动计算领域的先进技术产生了大量的通常使用电池作电源的小型便携式设备。应用范围从蜂窝电话、手持电脑到诸如电子计量仪器、数据记录器等的数据采集设备。现在，足够的数据处理能力被合并进来以便在便携式单元与主机之间执行直接的数据交换。信息经常是双向传输的，其中，参数建立、备忘录传输和其它现场数据是从主机计算机提供的信息，如测量值的结果被传回主机设备。
也有一些诸如识别卡(智能-或集成电路(IC)卡)或封装识别器等的无源的便携式设备，这种设备通常不在现场时就不带电，也不提供电池电源。当这种设备被连接到主计算机时，就会获得电能并可以执行数据交换。信息通常保持在非易失性存储器中。
执行数据交换的最直接方式是使用若干标准接口和协议的直接电缆连接。国际电话与电报顾问委员会(CCITT)V.24/V.28/电子工业联合会(EIA)RS-232是迄今最普遍的电器标准，其中，存在若干标准的和专有的协议机制用于控制数据传输过程。
大家会理解，电缆连接通常有若干缺点，其中最明显的缺点可以总结如下缓慢的手工排列、连接和拆除电缆连接器的过程。
接触和接触元件的机械性能的下降。
由于潮湿、水分、灰尘和碰撞引起的环境的恶化。
裸露的插槽将设备的关键部分暴露在灰尘和容易产生静电放电的电磁环境中。
在很多应用中，更希望以无线方式执行数据传输。通常使用的方法有几种，如射频(RF)和红外线辐射。RF设备居于显著的优点，可以长距离传送信息，但是，通常要求高的功率和仔细选择天线与振荡器的设计以维持选择性且不干扰公共波段上的其它设备。红外线光束具有实现简单的好处，但是需要仔细对准，并且收发端之间需有清晰的视界(sight)。
当两台设备之间存在紧密邻近关系时，根据电磁波传播的近场效应，开发出了几种有专利权的用于传送信息的方法。通常，这种方法被分为感应性(磁场)传播和电容性(电场)传播。某些方法包括了二者的结合。
磁场传播依赖于用交流电流对第一个线圈的供电，并在那里辐射出磁场能量。通过将第二个线圈靠近第一个线圈，感应电流会在第二个线圈上产生交变电压。
电容性场传播依赖于施加在第一个导电表面的交变电压。通过将第二个导电表面靠近第一个，表面之间的交变电压形式的静电荷可以在第二个表面与公共地之间被测量。为获得便携式设备的电流，相应的第二套导电表面需要形成闭合的环路。
因为感抗随频率增加而增加。较低频率下磁场耦合得较好。在便携式系统中感应传输的缺点是能量损耗高，这种损耗主要与线圈中的阻抗和磁通损失有关。并且，线圈的制造成本相对较高。
与之相对，容抗随频率的增加而下降。由于串联和并联的电阻值较低，所以实际电容中的损失比线圈要低。电容性传输的缺点是需要高电压和大的表面积以获得良好的耦合，因为电容量会随电容性表面之间的距离的增加而下降。
主要的用于电容性数据传输的系统依赖于设备之间良好的电容耦合。在就抗导性、电容极板之间的间距和/或介质的属性而言，用于形成电容元件的导电材料差的应用中，其中空气的作用被认为是增加了距离，这些方法对于正确的操作来说不总是可行的。
在本发明针对的一些应用，都希望具有下述特点微电源静止电流要求。便携式设备最好应拥有实质上为零的静止电流。
主机设备接口应当是低功率的，以便能够由从V.24/V.28串口获得少量的电力驱动。
必须在几毫米远的距离内可以正常工作。
必须在即使耦合表面不是非常平坦时仍可以正常工作。
必须独立于设备之间所存在的电介质而可以正常工作。
必须在做成电容极板的如导电聚合物、石墨、或铟锡氧化物(ITO)之类的材料的导电性较差时，仍可以正常工作。
对于收发器未对准的情况应当相对不敏感。
最好应对180°的旋转位移不敏感。
实现简单且成本低，并且不需要手动调谐或依赖于元件值发较窄的允许范围。
发明内容
本发明的一个目的就是提供一种低成本的系统，用于通过电容性接口以无线方式双向传输电信号，该接口允许客户单元的电路中的高阻抗，以便在材料的介电性能较差、接触板的导电性较差和接触板之间的间隙相对大时，仍能获得良好的信号传输能力。
另一个目的是提供一种系统，允许移动单元被旋转180度，这样，协同操作的接触板对可以被无意识地移动而不丢失功能。这一点在盒形封装与静止单元之间传送信息时是重要的。
根据本发明的一个方面，提供了一种系统，用于通过电容性接口以无线方式双向传输电信号，该接口在主机单元和客户单元彼此靠近时，由一部分包含在主机单元内、一部分包含在客户单元内的电路之间形成。该电容性接口包括在主机和客户单元上的分别为第一、第二和第三的导电区域。主机单元的第一导电区域与主机单元内的频率发生谐振电路相连接，用于耦合传送到客户单元的高幅值信号。主机单元的第二和第三导电区域与主机单元内的衰减电路相连接，用于接收从客户单元来的信号。客户单元的第一和第二导电区域与客户单元内的衰减电路相连接，用于从主机单元接收信号。客户单元的第一和第三导电区域也相互连接。
频率产生谐振电路提供载频输出给主机单元的第一导电区域。通过电阻反馈，这种设计提供谐振电路自动调谐功能以便工作在峰值输出振幅，而且相对独立于导电区域复杂的阻抗负载。通过这种安排，可获得主机单元相对高振幅的输出。因此，电路和导电区域，尤其是在主机单元，可以用相对便宜的低导电材料制做，如导电聚合材料，可以印刷在用于电路和导电区域的基底上。
通过互联客户单元的第一和第三导电区域，当该导电区域被连续地安排在一条直线上时，电容性接口的一侧允许被旋转半圈而不损失信号传输功能。
图1是根据本发明的包括主机单元和客户单元的系统的方块图和电路图。
图2示出了图1中系统的第一闭合电容性环路。
图3示出了图1中系统的第二闭合电容性环路。
图4示出了根据本发明的客户单元中的电容性接口的导电区域的安排。
图5是示波器输出，其显示出根据本发明的输入到主机单元的信号，和从主机单元输出的信号。
具体实施例方式
该系统包括两个单元，每个都有收发接口。在下述描述中，该两单元被分别称作“主机”单元和“客户”单元。术语“主机”是指能够提供载波频率输出的设备。术语“客户”在这里是为了描述方便；根据本发明的客户单元是移动或便携式单元。由于主机单元具有较高的操作电流，具有最严格的低电源使用要求的设备最好是便携式单元。
这里，并不暗示在协议层上，主机单元与客户单元之间是一种主从关系。
本发明自身并无任何暗示表明，收发器是主机接口或客户接口整体的一个部分。
在图1的图表展示中，主机计算机60配备有外部主机单元10，单元10与客户单元40非常靠近地共享一个电容性接口，客户单元40包括通过接口58连接的微处理器56。三对导电区域，即，第一导电区域A1-B1、第二导电区域A2-B2、第三导电区域A3-B3，形成了共同的电容性接口。如图2所示，每个包括电容极板的导电区域可以被做成矩板或甚至是印刷片(patch)，该印刷片印刷在用于各单元10和单元40的外壳的内部平坦的表面上。
客户单元40可以是移动或便携式低成本数据采集装置，该装置为各种从信用卡大小的交易装置到装在封装的卡片材料之上或之内的识别装置。
主机计算机60考虑为一台标准个人电脑，该电脑通常配备有一个作为标准的V.24/V.28接口。然而，也可以是包括膝上型电脑、个人数字助理(PDA)和可编程逻辑控制器(PLC)的几种设备，也具有V.24/V.28接口。
主机计算机60配备有专门的软件驱动器(未示出)以控制主机接口10的数据流。根据所需的功能性，该驱动器可以是一个已安装的模块，或是应用程序的一部分。
CCITT V.24/V.28电器标准描述了在所陈述负载下的最小电压输出波动。即使该标准自身并未陈述一个附连的设备可以从接口获得供电，但只要没有超过所述的最大负载，独立于外部电源是有好处的。在某些应用中，当不需要在串口上增加更多负载或串口本身没有完全遵照标准中所陈述的驱动要求时，可以使用从交流/直流(AC/DC)适配器或包括在主机单元10中的电池来的外部电源。如果需要，可以使用接口控制信号来控制主机单元10的电源，该信号的一种状态是电源低、待机状态，另一种状态是激活的、电源充足的状态。
主机电路单元10的基本电路原理图如下主电路单元10被设计成与标准的V.24/V.28串口连接，该处发送请求(RTS)和数据终端准备就绪(DTR)输出的电平值被系统软件控制为一个高电平，由此提供给电路元件一个正电压。接收数据输入(RxD)有负电平的标记电平(mark level)，因此提供给电平转换器(shift)28一个负电压供应。另外提供有大容量及滤波电容12、26，还可以附加一个稳压元件，如并联一个齐纳二极管(未示出)。
电平转换器14提供输入电压的转换给主机单元，当输入是在标记电平时，即非激活时，其具有逻辑高输出。一个振荡器施密特触发器与非电路16将在由位于施密特触发器18的输出的包含电阻20、电感22、和电容24的LC谐振电路设置的主频上振荡。这个谐振电路提供载波输出给导电单元A1。通过电阻反馈，这种设计提供谐振电路的自动调谐功能，以便能分别独立于A1复杂的阻抗负载而以其峰值输出振幅工作。通过选择一个互补金属氧化物半导体/高速互补金属氧化物半导体(CMOS/HCMOS)施密特触发器18，电阻反馈的值可以保持为高，以减小谐振电路的负载。使用HCMOS器件更多好处包括有低操作功率、低输出阻抗、轨到轨的输出波动和输入保护二极管，因此可以以最小的设计复杂程度提供一个大的谐振电路输出波动。
当一个间隔(space)电平存在于电平转换器14的输入端时，逻辑低输出关闭了振荡器功能，这样，谐振电路的输出衰减，同时，DC电平出现在端子A1。当在电平转换器14的输入收到串行数据流时，谐振电路的输出将提供一个脉冲调制载频，该脉冲调制载频随后电容性耦合到便携式设备。
客户单元40具有高输入阻抗，并在如下的描述对客户单元40中做更多解释。
图3中的示波器读出值显示了，当从主机计算机60发出一个二进制0x55模式时，一个从谐振电路的输出与电平转换器14的输入的关系。
在示波器读出值中，5V的供给电压提供了80V的峰-峰值振幅的输出电压。通过进一步增加供给电压，输出振幅将相应增加。
当电容性接口极板B2和B1/B3被非常靠近地在相应的极板A2、A1和A3而放置时，就会通过极板A1-B1、极板A2-B2和极板A3-B3而形成电容。实际的电容值主要取决于极板尺寸、极板之间的距离和存在于它们之间的介电材料的类型。
如图1所显示的，电容极板B1和极板B3通过导体54电互连。因此可使极板A1和极板A3之间耦合的寄生电容减小。另外，电容性接口也将因此对称，即，客户单元可以以180°在电容性接口面上被旋转而不损失其功能。
第一闭合电容性环路1(图2)形成如下通过沿着主机单元10中的谐振电路的输出、通过极板A1-B1到客户单元40、通过拥有四个二极管52的整流桥50、通过包括电容46和电阻48的并联阻抗电路44、通过极板B2-A2返回到主机单元10的地而形成。
第二闭合电容性环路2(图3)形成如下通过沿着主机单元10中的谐振电路的输出、通过极板A1-B1、极板B3-A3、通过输入二极管36、电阻32、并通过主机单元10中的整流二极管38接地而形成。
当主机单元10中的振荡器电路16工作时，第一电容性环1在客户单元40中的端子RX上感应一个电压。通过可选的峰值保持二极管和大容量电容器(未示出)，低电流电路可以在客户单元40中被加电，而不会严重地影响主机单元10与客户单元40之间的信号传输。
当振荡器18被从主机计算机60来的数据流调制时，相应的解调输出在客户单元40中的端子RX处形成。通过在RX上提供一个可选的电压限制器和施密特触发器(未示出)，干净的解调的信号可以被客户单元中的微处理器56直接处理。
客户单元还包括一个与阻抗电路44并联的晶体管42。可以通过从客户单元40中的TX端子控制晶体管42从客户单元40将数字数据信息传回到主机单元10。当晶体管42导通时，通过极板B2-A2，极板B1上的输入被有效地短路到地，因此削弱了耦合到极板A2的极板B3上的电压。在连接到主机单元10中的电平转换器28的输入网络中的被滤波的载频的静止耦合也被削弱。被合适选择的带着一定滞后的输入门限值的电平转换器28执行从客户单元40传输到主机计算机60的信息的解调。
在从主机单元10到客户单元40的电源传输的情况下，非归零(NRZ(Non-Return to Zero))调制数据中断了客户单元中的RX端子上的电压，这是我们不期望的效果。通过在客户单元中应用现有技术中的不同的调制方式，如PPI，频率调制(FM)或曼切斯特调制，这种电压中断时间可以被减少，这样使得客户单元40中的电压更连续。
总之，本优选实施例描述了一种具有对无功(reactive)元件要求宽松的、不昂贵的、容易实现的自调谐设计。具有大约为理想值的±10％的相对误差容限的元件可以在本发明的系统中使用，并且可以以低成本广泛获得这些元件。通过客户单元40形成的电容性负载以及不同的寄生电容只轻微移动振荡器的中心频率，而不严重地影响输出振幅。
由于主机单元10工作在低功率，所以可以由接口信号直接供电，因此消除了诸如从AC适配器或电池组供电等的对外部电源的需求。
便携式设备事实上工作在零静止电流，而不会在任何时间影响接收数据的能力。
权利要求
1.一种系统，用于通过电容性接口以无线方式双向传输电信号，该电容性接口在主机单元和客户单元彼此靠近时，由一部分包含在主机单元内，一部分包含在客户单元内的电路之间形成；所述的电容性接口包括分别位于主机和客户单元(10，40)内的第一导电区域(A1，B1)、第二导电区域(A2，B2)和第三导电区域(A3，B3)；所述的主机单元的第一导电区域(A1)连接到位于主机单元(10)内的一个频率发生谐振电路(16)，用于传输信号给客户单元(40)；所述的主机单元的第二和第三导电区域(A2，A3)被连接到位于主机单元内的一个阻抗电路(30)，用于接收从客户单元来的信号；所述的客户单元的第一和第二导电区域(B1，B2)被连接到位于客户单元内的一个阻抗电路(44)，用于接收来自主机单元的信号；和所述的客户单元的第一和第三导电区域(B1，B3)相互连接。
2.如权利要求1中所述的系统，其中所述的频率发生谐振电路被适配成自调谐，以便其充分地工作在最大输出，而实质独立于复杂的负载阻抗。
3.如权利要求1中所述的系统，其中所述的频率发生谐振电路包括施密特触发器和位于施密特触发器输出位置的谐振电路，谐振电路包括反馈电阻、电感、和电容器。
4.如权利要求1中所述的系统，其中所述的导电区域分别在各自的主机和客户单元被连续地安排成一直线排列，用于允许所述的电容性接口的一侧的半圈旋转而不损失信号传输功能。
5.如权利要求1中所述的系统，还包括被并联连接到所述的位于客户单元中的阻抗电路的晶体管，用于传输信号给主机单元。
6.一种系统，用于通过电容性接口以无线方式双向传输电信号，该电容性接口在主机单元和客户单元彼此靠近时，由一部分包含在主机单元内，一部分包含在客户单元内的电路之间形成；所述的电容性接口包括分别位于主机和客户单元内的第一、第二和第三导电区域；所述的主机单元的第一导电区域连接到一个频率发生电路和一个位于频率发生电路的输出位置的、包括电阻、电感、和电容器的谐振电路，用于传输信号给客户单元；所述的主机单元的第二和第三导电区域连接到位于主机单元内的一个阻抗电路，用于接收从客户单元来的信号；所述的客户单元的第一和第二导电区域连接到位于客户单元内的一个阻抗电路，用于接收来自主机单元的信号；
7.如权利要求6中所述的系统，其中所述的频率发生谐振电路被适配成自调谐，以便其充分地工作在最大输出，而实质独立于复杂的负载阻抗。
8.如权利要求6中所述的系统，所述的客户单元的第一和第三导电区域相互连接。
9.如权利要求8中所述的系统，其中所述的导电区域分别在各自的主机和客户单元被连续地安排成一直线排列，用于允许所述的电容性接口的一侧的半圈旋转而不损失信号传输功能。
10.如权利要求6中所述的系统，还包括被并联连接到所述的位于客户单元中的阻抗电路的晶体管，用于传输信号给主机单元。
全文摘要
提供了一种低成本的用于通过主机单元与一个客户单元之间的电容性接口以无线方式双向传输电信号的系统。该系统允许在客户单元的电路中有高阻抗，以便在介质材料差、接触板导电性差和两接触板的间距相对大的情况下，可获得好的信号传输性能。该电容性接口包括分别存在于主机和客户单元(10，40)内的第一(A1；B1)、第二(A2；B2)和第三(A3；B3)导电区域。主机单元的第一导电区域(A1)被连接到位于主机单元内的一个自调谐频率发生谐振电路(16)，用于获得传输给客户单元(40)的信号的高增益。主机单元的第二和第三导电区域(A2，A3)连接到位于主机单元内的阻抗电路(30)，用于接收从客户单元来的信号。客户单元的第一和第二导电区域(B1，B2)还连接到位于客户单元内的阻抗电路(44)，用于接收来自主机单元的信号。在优选实施例中，客户单元的第一和第三导电区域(B1，B3)也相互连接。
文档编号G08C17/00GK1404596SQ01805020
公开日2003年3月19日 申请日期2001年2月15日 优先权日2000年2月18日
发明者雅各布·埃伦斯瓦德 申请人:西帕克公司