Brevet FR2782209A1 — publié le 20000211

L'invention concerne la communication sans contact entre une bor- ne et un objet portatif. De tels systèmes d'échange de données sans contact sont bien con- nus et, parmi les applications de cette technique, on trouve (de façon non limitative) le contrôle d'accès et le télépéage, par exemple pour l'ac- cès et le péage des transports en commun. Dans ce dernier exemple, chaque usager est muni d'un objet porta- tif du type "carte sans contact" ou "badge sans contact", susceptible d'é- changer des informations avec une borne fixe en approchant l'objet por- tatif de cette dernière de manière à permettre un couplage non galvani- que. L'invention vise le cas o l'échange d'informations consécutif à ce couplage est opéré en faisant varier un champ magnétique produit par une bobine d'induction, technique connue sous le nom de "procédé par induction". La borne comporte à cet effet un circuit accordé excité par un signal alternatif qui produit dans l'espace environnant un champ magnétique alternatif. L'objet portatif se trouvant dans cet espace dé- tecte ce champ grâce à un circuit accordé sur la même fréquence et ren- voie des signaux en direction de la borne, par modulation du couplage par exemple, établissant ainsi le dialogue de communication recherché. Les avantages de cette technologie par induction sont bien connus, notamment la très bonne définition de la zone dans laquelle il peut y avoir échange d'informations et le cofit très bas de la fonction communi- cation, qui la font généralement préférer au couplage radioélectrique, plus coûteux et plus sensible aux variations de portée. Un autre avantage de cette technique est de pouvoir téléalimenter l'objet portatif, c'est-à-dire que ce dernier pourra tirer son alimentation de l'énergie magnétique émise par la borne, donc sans recours à une pile d'alimentation incorporée. Le WO-A-98/26370 (Innovatron Indus- tries) décrit un tel système d'échange de données par induction avec té- léalimentation de l'objet portatif. Le champ magnétique produit par la borne est capté par un circuit résonant de l'objet portatif, c'est-à-dire un circuit inductance+ capacité dont la fréquence correspond essentiellement soit à la fréquence d'émis- sion de la borne, par exemple 13,56 Mhz (circuit "accordé"), soit à une fréquence différente, mais néanmoins proche de cette dernière (circuit "à accord décalé"); par fréquence "proche", on entendra une fréquence située typiquement dans une plage de -30 % à -5 %, ou de +5 % à +30 %, de la fréquence de la borne). L'accord du circuit LC des objets portatifs sur la fréquence du champ rayonné par la borne présente l'avantage d'une récupération d'é- nergie optimale, du fait d'une surtension très marquée du circuit résonant, de sorte qu'il est possible de faire fonctionner l'objet portatif dans un champ magnétique minimum. L'accord de l'objet portatif sur une fréquence décalée présente néanmoins aussi des avantages. En effet, dans ce cas, dans le cas d'une pluralité d'objet portatifs simultanément présents dans le champ de la borne, l'objet portatif fait moins écran aux objets portatifs proches et le fonctionnement en présence d'une pluralité d'objets portatifs est ainsi meilleur. D'autre part, les tolérances de fabrication peuvent être plus larges que dans le cas d'un accord exact. De plus, quand l'objet portatif est accordé à une fréquence décalée supérieure à la fréquence de la bor- ne, la fréquence d'accord du circuit résonant a tendance à baisser quand l'objet portatif est accolé à d'autres objets portatifs (du fait de l'effet des inductances mutuelles), ce qui réaccorde l'objet portatif sur une valeur plus proche de la fréquence de la borne, et ceci précisément dans les situations o l'alimentation est difficile; par ailleurs, sur le plan de la technologie, accorder l'objet portatif sur une fréquence supé- rieure permet d'utiliser un condensateur plus petit, avec une réduction corrélative du coût de fabrication. En pratique, on trouve des systèmes fonctionnant selon l'un ou l'autre de ces deux concepts. Une difficulté se présente toutefois lorsque l'on veut faire cohabiter, au sein d'un même système, des objets portatifs fonctionnant selon l'un et l'autre de ces deux concepts. En effet, il existe un problème de compatibilité des objet portatifs accordés lorsque l'on utilise ceux-ci avec des bornes conçues pour coopé- rer avec des objets portatifs à accord décalé: le champ de ces bornes est typiquement plus élevé, et du coup les objets portatifs accordés vont se trouver suralimentés du fait du niveau excessif du champ, et peuvent chauffer dangereusement quand ils sont proches d'une borne pour ob- jets portatifs à accord décalé. L'un des buts de la présente invention est d'apporter une solution à ce problème, en proposant un objet portatif susceptible, par lui-même, de détecter un champ excessif et de prendre des mesures pour en éviter les éventuelles conséquences dommageables. Essentiellement, l'idée de base de l'invention consiste à permettre à l'objet portatif de contrôler volontairement son désaccord: si l'objet por- tatif détecte un champ excessif (par exemple du fait d'une situation de surchauffe et/ou de surtension), il se protégera en se désaccordant de manière à réduire l'énergie récupérée. Plus précisément, la présente invention propose un objet portatif du type connu d'après le WO-A-98/ 26370 précité, c'est-à-dire un objet portatif destiné à communiquer sans contact par voie inductive avec une borne, notamment un objet portatif téléalimenté par la borne, cet objet portatif comprenant un circuit résonant inductance/capacité apte à capter un champ magnétique en provenance de la borne. Selon l'invention, cet objet portatif comporte des moyens de décala- ge d'accord, aptes à faire varier l'inductance et/ou la capacité du circuit résonant et déplacer corrélativement la fréquence d'accord de celui-ci, ces moyens opérant en réponse à la variation d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'objet portatif. Le paramètre de fonctionnement peut notamment être un paramè- tre électrique dérivé du signal produit par le circuit résonant, et/ou une température captée en un point de l'objet portatif. Dans une première forme de réalisation, les moyens de décalage d'accord comprennent au moins un élément capacitif auxiliaire et des moyens de commutation associés, aptes à coupler sélectivement cet élé- ment capacitif auxiliaire au circuit résonant. Dans une deuxième forme de réalisation, les moyens de décalage d'accord comprennent au moins un élément inductif auxiliaire et des moyens de commutation associés, aptes à coupler sélectivement cet élé- ment inductif auxiliaire au circuit résonant. Dans ce dernier cas, lorsque l'ensemble du circuit électronique, à l'exception de la bobine du circuit accordé, est en forme de micromodule intégré, l'élément inductif auxiliaire et les moyens de commutation sont incorporés au micromodule, sans connexion additionnelle entre le mi- cromodule et la bobine. Dans une forme de mise en oeuvre, en l'absence d'activation des moyens de décalage d'accord, la fréquence d'accord du circuit résonant correspond à la fréquence nominale du champ émis par la borne; avan- tageusement, l'activation des moyens de décalage d'accord rend alors la fréquence d'accord du circuit résonant supérieure à la fréquence nomi- nale du champ émis par la borne. Lorsque les moyens de décalage d'accord sont pilotés par un para- mètre fonction de l'énergie reçue par l'objet portatif, ces moyens peu- vent agir pour rapprocher la fréquence d'accord du circuit résonant de la fréquence nominale de la borne lorsque l'énergie reçue est réduite. L'objet portatif peut comprendre en outre des moyens pour déter- miner le sens, par excès ou par défaut, du désaccord entre la fréquence de résonance du circuit résonant et la fréquence nominale du champ émis par la borne. Les moyens de décalage d'accord peuvent par ailleurs être des moyens à action progressive et/ou répondre avec hystérésis et/ou retard à la variation du paramètre de fonctionnement. On va maintenant décrire en détail un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 est un schéma par blocs d'un système mettant en ceuvre un objet portatif selon l'invention. La figure 2 est un schéma partiel illustrant une variante de mise en oeuvre de l'invention. La figure 3 montre le pic de résonance du circuit accordé (caracté- ristique tension sur la bobine / fréquence) de l'objet portatif et les diffé- rentes manières de se déplacer sur ce pic par contrôle du désaccord. Sur le schéma de la figure 1, la référence 100 désigne une borne, qui peut être couplée avec un objet portatif 200 situé à son voisinage. La borne comporte une bobine d'émission 102 qui, associée à un condensateur tel que 104, forme un circuit accordé 106 destiné à engen- drer un champ d'induction magnétique modulé. La fréquence d'accord fo du circuit 106 est par exemple de 13,56 MHz, valeur bien entendu aucunement limitative, ce choix particulier tenant simplement au fait qu'elle correspond à une valeur autorisée par les normes européennes pour des fonctions de communication et de téléalimentation. Le circuit accordé 106 est alimenté par un oscillateur haute fré- quence 108 et un étage mélangeur 110 pilotés par les signaux à émettre TX issus d'un circuit numérique 112 cadencé par un circuit 114 produi- sant un signal d'horloge CLK. Les étages de réception, qui extraient les données reçues RX du signal prélevé aux bornes de la bobine 102, com- portent un circuit démodulateur haute fréquence 116 ainsi qu'éventuel- lement un circuit démodulateur de sous-porteuse 118. L'objet portatif 200, quant à lui, comporte une bobine 202 (induc- tance L) coopérant avec un circuit électronique 204 qui, avantageuse- ment, est réalisé en technologie monolithique entièrement intégrée de manière à disposer d'un objet de petite dimension, typiquement au for- mat "carte de crédit". La bobine 202 est par exemple une bobine impri- mée et l'ensemble des circuits 204 est réalisé sous forme d'un circuit intégré spécifique (ASIC). La bobine 202 forme avec un condensateur 206 (capacité C1) un circuit résonant 208 accordé sur une fréquence donnée, par exemple 13,56 Mhz, permettant l'échange bidirectionnel de données avec la bor- ne ainsi que la téléalimentation par le champ magnétique capté par la bobine 202, c'est-à-dire la même bobine que celle servant à l'échange d'informations. La tension alternative recueillie aux bornes du circuit accordé 208 est appliquée à un étage redresseur 210 puis à un étage de filtrage 212. L'objet portatif comporte également un étage de traitement numé- rique 214, typiquement réalisé à partir d'un microprocesseur, de mé- moires RAM, ROM et EPROM et de circuits d'interfaçage. En aval des étages de redressement 210 et de filtrage 212 sont montés en parallèle un certain nombre d'étages spécifiques compre- nant: un étage régulateur, stabilisateur de tension 216 (par régulation shunt ou série), un étage démodulateur 218, un étage extracteur d'hor- loge 220 et un étage modulateur 222 comportant un élément résistif 224 en série avec un élément de commutation 226 permettant de faire varier de manière contrôlée le courant passant dans le circuit accordé 208 situé dans le champ magnétique environnant engendré par la borne. La structure que l'on vient de décrire est en elle-même classique. On pourra se référer par exemple au WO-A-98/ 26370 précité qui en ex- pose de façon détaillée le fonctionnement. De façon caractéristique de l'invention, et dans le cas illustré sur la figure 1, on met en parallèle sur le circuit accordé LC 1 208 un conden- sateur 230, de capacité C2 (C2 mutation 232. L'élément de commutation 232 est commandé par un circuit à seuil 234 recevant par exemple sur l'une de ses entrées 236 la tension déli- vrée en sortie des étages de redressement et de filtrage 210 et 212, et sur son autre entrée 238 une référence de tension Vref 240; dans le cas d'un régulateur série, on détecte la tension en sortie de ces étages, tandis que dans le cas d'un régulateur shunt c'est le niveau de courant que l'on considérera. Le circuit est ajusté de manière à basculer lorsque la tension en sortie des étages 210 et 212 dépasse un seuil prédétermi- né, révélateur d'un champ excessif, et vient dans ce cas fermer l'inter- rupteur 232. En variante ou en complément, une autre possibilité consiste à pi- loter le circuit à seuil 234 par un élément 242 sensible à la températu- re, par exemple en exploitant le courant de fuite d'une diode, courant dont on connaît la loi de variation en fonction de la température. À l'origine, l'élément de commutation 232 est non conducteur (interrupteur ouvert). Le circuit oscillant 208 est accordé sur fo = 13, 56 MHz et fonctionne au point 0 de la figure 3. Lorsque le circuit à seuil 234 détecte un niveau de champ dangereux (température et/ou niveau de tension de sortie entraînant un franchissement du seuil Vref), l'élément de commutation 232 est rendu conducteur, diminuant ainsi la fréquence de résonance du circuit 208 et réduisant l'énergie dissipée par l'objet portatif. Le circuit oscillant est maintenant accordé sur f1 ante présente l'avantage de n'activer l'élément de commutation, donc de consommer de l'énergie dans cet élément, que lorsque l'on est en si- tuation d'énergie excessive. En variante, on peut inverser le sens de la commutation, c'est-à- dire prévoir que le circuit oscillant soit accordé sur fo = 13,56 MHz lors- que l'interrupteur 232 est fermé, c'est-à-dire avec C 1 et C2 en parallèle. La détection d'un champ excessif a alors pour conséquence d'ouvrir l'in- terrupteur 232, réduisant ainsi la capacité. Le circuit oscillant est maintenant accordé sur f2 > fo et fonctionne au point 2 de la figure 3. Cette variante présente l'inconvénient que la résistance de l'élé- ment de commutation vient diminuer le coefficient de qualité de l'objet portatif, avec pour conséquence un pic de résonance moins marqué et donc un rendement moindre de récupération d'énergie. En revanche, une fois désaccordé, le comportement de l'objet porta- tif se rapproche de celui des objets portatifs à accord décalé classiques, qui sont accordés sur une fréquence supérieure à celle du champ. Com- me on l'a vu plus haut, un désaccord sur une fréquence f2 supérieure à la fréquence nominale fo permet de neutraliser l'effet de l'inductance mutuelle en cas de présence simultanée de plusieurs objets portatifs à proximité les uns des autres: la fréquence d'accord de l'objet portatif a en effet tendance, dans ce cas, à baisser, ce qui réaccorde l'objet portatif sur la fréquence centrale fo précisément dans une situation o l'alimen- tation est difficile. On notera enfin que la description qui précède concerne concerne le fonctionnement du circuit lors de la réception, et l'asservissement est inhibé lors de l'émission - à moins qu'il ne serve de moyen de modu- lation: les moyens de décalage d'accord peuvent être en effet également utilisés comme moyens d'émission, modulant le couplage entre borne et objet portatif, ce qui permet de s'affranchir du circuit modulateur 222 et gagner ainsi sur la surface de silicium du circuit. La figure 2 illustre une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle, au lieu de modifier l'élément capacitif du circuit accordé 208 (par commutation sélective d'une capacité auxiliaire C2 230), c'est l'élément inductif que l'on fait varier, par commutation sélective d'une inductance auxiliaire 244 en série avec l'inductance principale 202. Dans l'exemple illustré figure 2, un élément de commutation 246, piloté par le circuit à seuil 234 décrit plus haut, vient opérer sélective- ment une commutation de l'inductance 202 seule, ou de l'inductance 202 en série avec l'inductance 244, afin d'inclure ou non dans le circuit résonant 208 l'inductance 244 et augmenter ou réduire l'inductance propre du circuit 208 pour en modifier la fréquence de résonance. En pratique, l'inductance 244 peut être constituée par une partie de spire du bobinage, cette partie de spire 244 étant avantageusement intégrée au micromodule 248 afin de limiter à deux le nombre de con- nexions entre le micromodule et le composant extérieur (le bobinage 202). L'ASIC 204 comporte alors trois points d'entrée, à savoir les bornes d'extrémité des inductances 202 et 244, et le point milieu de celles-ci. Ce mode de réalisation permet d'éviter le recours à un condensa- teur supplémentaire (coûteux en termes de surface de silicium utilisée), mais présente l'inconvénient de nécessiter un raccordement supplé- mentaire avec 'ASIC. Le fonctionnement de ce second mode de réalisation est semblable, mutatis mutandis, à celui expliqué plus haut, la mise en circuit de l'in- ductance auxiliaire 244 venant augmenter la fréquence de résonance du circuit 208, et sa mise hors circuit venant en abaisser la fréquence. En variante, au lieu de mettre en ou hors circuit l'inductance auxi- liaire 244 par l'élément 246, il est possible de court-circuiter séle- ctivement celle-ci (court-circuit correspondant à une mise hors circuit de cette inductance auxiliaire). On notera que, dans le fonctionnement que l'on vient d'expliquer, la commutation est discrète, c'est-à-dire qu'elle s'opère en "tout ou rien" avec dans ce cas l'inconvénient d'une erreur de communication intro- duite au moment de la commutation: la modulation du signal capté par l'objet portatif étant typiquement une modulation d'amplitude, le dés- accord de cet objet portatif va provoquer une baisse soudaine de l'am- plitude du signal détecté, baisse qui sera interprétée (à tort) comme une information de modulation. Certes, les protocoles d'échange de données comportent des méca- nismes de détection et de correction d'erreur, mais il est souhaitable que de telles erreurs surviennent le moins souvent possible. Pour ce faire, on peut avantageusement prévoir un mécanisme d'hystérésis ou de retard dans la commutation de l'élément à seuil 234: on peut choisir par exemple pour cet organe un comparateur à hystéré- sis ou introduire une constante de temps dans le mécanisme de déclen- chement du comparateur. Dans certaines réalisations, le temps de ré- ponse du capteur peut suffire, notamment dans le cas o l'on utilise un capteur de température, du fait de son inertie thermique. En variante, on peut prévoir un mécanisme tel que, une fois la commutation réalisée, il soit nécessaire de couper complètement le champ pour repasser à l'état accordé (ce cas étant en fait un cas limite d'hystérésis). Une autre variante consiste à prévoir une commutation progressive par l'élément 232, mais avec l'inconvénient d'une dissipation d'énergie dans cet élément de commutation. Une autre variante encore consiste à prévoir, au lieu d'un unique condensateur auxiliaire C2, une série de plusieurs petits condensateurs commutés successivement, éventuellement organisés en échelle de ca- pacité, de manière à rendre moins brusque le passage à une fréquence désaccordée. Un autre perfectionnement consiste à prévoir des moyens pour mesurer le désaccord de l'objet portatif, c'est-à-dire pour déterminer de quel côté (f1 ou f2) se situe le désaccord par rapport à la fréquence no- minale f0, typiquement en observant le déphasage courant/tension dans le circuit LC (par exemple en prenant la valeur moyenne du produit de ces signaux ou de leur signe), ou encore en observant si tel petit chan- gement d'accord provoque une augmentation ou diminution de l'éner- gie, et pour ajuster dynaumiquement la capacité du circuit résonant pour se maintenir à l'accord si l'on manque d'énergie, et/ou se désaccorder si l'on en a trop. Cette possibilité est notamment intéressante lorsque l'on cherche à augmenter la portée de la téléalimentation, en rendant l'accord plus ou moins bon en fonction du niveau d'énergie disponible mesuré par l'objet portatif. O10 En effet, dans certaines circonstances (notamment en cas de pré- sence d'autres objets portatifs alentour et/ou si les tolérances de fabri- cation sont larges) on ne sait pas nécessairement si le désaccord est par excès ou par défaut et l'on ne peut donc déterminer dans quel sens effectuer le désaccord. L'analyse préalable du désaccord opère une "levée de doute" sur cette position et permet donc de ne commander le désaccord que si l'on est certain que celui-ci sera efficace (ainsi, si le désaccord consiste à abaisser la fréquence, on ne déclenchera ce désac- cord que si l'on se trouve au-dessus de la fréquence nominale fo, et l'on interdira toute action sur le circuit accordé dans le cas contraire). REVENDICATIONS 1. Un objet portatif (200) pour la communication sans contact par voie inductive avec une borne (100), notamment un objet portatif télé- alimenté par la borne, cet objet portatif comprenant un circuit résonant (208) inductance/capacité apte à capter un champ magnétique en pro- venance de la borne, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de décalage d'accord (230-246), aptes à faire varier l'inductance (202) et/ou la capacité (206) du circuit résonant et déplacer corrélativement la fréquence d'accord de celui-ci, ces moyens opérant en réponse à la variation d'au moins un paramètre de fonctionnement de l'objet portatif. 2. L'objet portatif de la revendication 1, dans lequel le paramètre de fonctionnement est un paramètre électrique dérivé du signal produit par le circuit résonant. 3. L'objet portatif de l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le paramètre de fonctionnement est une température captée en un point de l'objet portatif. 4. L'objet portatif de l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de décalage d'accord comprennent au moins un élément capaci- tif auxiliaire (230) et des moyens de commutation (232) associés, aptes à coupler sélectivement cet élément capacitif auxiliaire au circuit réso- nant. 5. L'objet portatif de l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens de décalage d'accord comprennent au moins un élément induc- tif auxiliaire (244) et des moyens de commutation (246) associés, aptes à coupler sélectivement cet élément inductif auxiliaire au circuit réso- nant. 6. L'objet portatif de la revendication 5, dans lequel l'ensemble du circuit électronique, à l'exception de la bobine (202) du circuit accordé, est en forme de micromodule intégré (248), et dans lequel l'élément in- ductif auxiliaire (244) et les moyens de commutation (246) sont incorpo- rés au micromodule, sans connexion additionnelle entre le micromodule et la bobine. 7. L'objet portatif de l'une des revendications i à 6, dans lequel, en l'absence d'activation des moyens de décalage d'accord, la fréquence d'accord du circuit résonant correspond à la fréquence nominale (fo) du champ émis par la borne. 8. L'objet portatif de la revendication 7, dans lequel l'activation des moyens de décalage d'accord rend la fréquence d'accord (f2) du circuit résonant supérieure à la fréquence nominale (fo) du champ émis par la borne. 9. L'objet portatif de l'une des revendications i à 8, dans lequel, les moyens de décalage d'accord (230-246) étant pilotés par un paramètre fonction de l'énergie reçue par l'objet portatif, ces moyens agissent pour rapprocher la fréquence d'accord (f, f2) du circuit résonant de la fréquence nominale (fo) de la borne lorsque l'énergie reçue est réduite. 10. L'objet portatif de la revendication 9, comprenant en outre des moyens pour déterminer le sens, par excès ou par défaut, du désaccord entre la fréquence de résonance du circuit résonant et la fréquence no- minale du champ émis par la borne. 11. L'objet portatif de l'une des revendications 1 à 10, dans lequel les moyens de décalage d'accord sont des moyens à action progressive. 12. L'objet portatif de l'une des revendications i à 11, dans lequel les moyens de décalage d'accord répondent avec hystérésis et/ou retard à la variation du paramètre de fonctionnement.