CN103036283B - 一种间歇无线充电通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在现有的、已实现的无线充电发射电路和无线充电接收电路通信的基础上，通过另外增加上述电路和被充电设备、上位机之间进行数据通信的措施，从而彻底打通整个无线充电通信渠道，并在此基础上以一种间歇无线充电的方法实现在一个设备上既可以无线充电也可以高速传输数据的装置及方法。本发明克服了现有技术的不足，大大拓展了无线充电设备的兼容性。使无线充电发射电路实现了自动适应使用各种电芯的(不同电压等级、不同容量等级)被充电设备的无线充电以及高速数据传输功能。

Description

一种间歇无线充电通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种间歇无线充电通信装置及采用该装置的通信方法，属于无线充电技术领域。

背景技术

首先，目前的无线充电设备在充电时，发射电路单元、无线充电接收电路单元、被充电电路单元(通常包括：充电管理电路、充电电池、电池监测及用电设备)及上位机之间没有实现一种有效的实时或近似实时的充电状态数据通信。尤其是被充电设备和无线充电接收电路单元之间没有建立通信渠道，使得被充电设备的与电芯有关参数不能上传到发射电路单元，发射电路单元也就无法根据这些种类不同参数各异的电芯数据来自动适应这种变化。其次，在大量数据进行无线传输时，无法直接在现有装置的基础上实现高速数据传输，必须要用另外的线缆(如USB线、串口线等)来完成(当然在双方都有WIFI或者蓝牙的情况除外)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在不依赖RF方式的情况下，在一个无线充电平台上进行无线数据传输；使得发射电路单元、无线充电接收电路单元、被充电电路单元及上位机之间进行数据通信。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种间歇无线充电通信装置，包括上位机、适配器电源、无线充电发射电路单元、无线充电接收电路单元及被充电设备，其特征在于：

在小功率无线充电时，利用上位机的USB电源端口为无线充电发射电路单元提供电源，利用上位机的USB数据端口和无线充电发射电路通信；

在大功率无线充电时，由适配器电源为无线充电发射电路单元提供电源，利用上位机的USB数据端口和无线充电发射电路通信；

无线充电发射电路单元包括：

包含用于高速通信模式时的发射附属电路的无线充电发射电路，无线充电发射电路的工作状态在无线充电状态与高速数据通信状态之间切换，当处于无线充电状态时，由无线充电发射电路产生无线充电能量，同时，在无线充电的间隙接收来自无线充电接收电路单元的应答信息；当处于高速数据通信状态时，与无线充电接收电路单元、被充电设备单元之间建立高速的双向数据通信；

工作状态控制按键，用于控制无线充电发射电路在无线充电状态与高速数据通信状态之间进行切换；

包含发射高频通信变压器线圈的充电发射线圈，在高速数据通信状态下，无线充电发射电路经由发射高频通信变压器线圈与无线充电接收电路单元、被充电设备之间建立高速的双向数据通信，在无线充电状态下，无线充电发射电路经由充电发射线圈向无线充电接收电路单元发射无线充电能量，并接收来自无线充电接收电路单元、被充电设备的应答信息；

无线充电接收电路单元包括包含高速通信模式时的接收附属电路的无线充电接收电路及包含接收高频通信变压器线圈的充电接收线圈，无线充电接收电路在无线充电状态时经由充电接收线圈接收来自无线充电发射电路的无线充电能量后向被充电设备充电，并向无线充电发射电路反馈应答信息；无线充电接收电路在高速数据通信状态时，经由接收高频通信变压器线圈与无线充电发射电路之间建立高速的双向数据通信。

优选地，所述无线充电发射电路单元还包括用于显示当前工作状态的发射组件显示电路。

优选地，所述发射高频通信变压器线圈及所述接收高频通信变压器线圈为一个高频通信变压器的线圈的两个半部分，将这两个半部分分别安装在充电发射线圈及充电接收线圈的内圈或外圈，然后接上配套的驱动电路。

本发明的另一个技术方案是：提供了一种采用上述的间歇无线充电通信装置的间歇无线充电通信方法，其特征在于：经由所述工作状态控制按键将所述间歇无线充电通信装置的工作状态在无线充电状态与高速数据通信状态之间切换，当所述间歇无线充电通信装置处于无线充电状态时，其步骤为：

步骤1.1、无线充电发射电路被接入电源后，发出搜索脉冲直至收到来自被充电设备的应答信号；

步骤1.2、接入有被充电设备的无线充电接收电路单元接收到搜索脉冲后，由被充电设备产生应答信号，该应答信号至少包括被充电设备的电池电量、电池温度、预计剩余充电时间、充电功率、当前无线充电接收电路单元的工作状态信息；

步骤1.3、无线充电发射电路接收到应答信号后与无线充电接收电路单元之间开始建立无线充电，经过较长一段时间的无线充电后，无线充电发射电路停止发射，并且主动进入充电状态通信模式，用以接收来自无线充电接收电路单元回传的应答信号；

步骤1.4、无线充电接收电路单元一旦发现无线充电发射电路停止发射，无线充电接收电路单元首先将已经准备好的数据通过充电接收线圈及充电发射线圈耦合到无线充电发射电路上，该数据被无线充电发射电路捕获到后，通过发射组件显示出工作状态信息，随即无线充电发射电路再次进行无线充电；

若无线充电接收电路单元发出的信息没有被无线充电发射电路接收到，则无线充电发射电路再次进入搜索状态，直到再次发现无线充电接收电路单元，于是无线充电过程又将重复开始，再经过一段时间后无线充电发射电路又停止，无线充电接收电路单元又再一次重复本步骤，周而复始地完成边充电和边通信边显示的功能；

当所述间歇无线充电通信装置处于高速数据通信状态时，发射高频通信变压器线圈与接收高频通信变压器线圈开始工作，通过在无线充电发射电路单元与无线充电接收电路单元之间建立的高速的双向数据通信信道实现上位机与被充电设备之间的双向数据通信。

本发明分别用了解决以下两个问题：

第一、基于单线传输协议并且利用原来的充电耦合线圈，采用间歇充电的方式，实现一边充电一边通信，这样在充电的同时也可以传输与充电状态相关的信息。这样虽然对充电时间有所影响，但是由于间歇时间非常短暂，这种影响几乎可以忽略不计。通过这种措施可使发射电路、接收电路、被充电设备以及上位机之间建立了有效的通信渠道，使发射电路单元也可以显示出众多的由被充电设备发出的有价值的信息，如：电池电量、电池温度、预计剩余充电时间、当前无线充电电路的工作状态、充电功率等信息。由于这个通信渠道是双向的，也便于将有关控制信息由发射端传输到被充电设备上，所以使用起来更加方便。值得一提的是：发射板可以根据接收电路返回的充电功率和发射板自身的输出功率进行对比从而判断出充电状态是否正常，如若异常，则报警提示或进入搜索状态。这样确保了充电安全。当用上位机的USB端口进行无线充电时，还可以利用上位机对无线充电设备的参数进行设置和控制(如可以设置和控制充电时间、充电功率等)，也可以用上位机显示来自被充电设备发出的各种信息。

第二、基于单线传输协议在进行大量数据传输时，采用在原有的两个磁耦合线圈的外圈(或内圈)分别外加两个高频耦合变压器，采用人工干预的工作方式来解决大量数据通信问题。例如：正常情况下，机器将会默认为无线充电状态，发射单元一边发射能量，一边接受来自被充电设备发出的、通过无线接收电路传输的、充电状态的相关信息，并把这些信息显示在发射单元上(当然被充电设备也可以设计成具有该类信息的显示功能)。当要进行大量数据传输时，人为按下发射板上的通信按钮，发射板立即停止对电池的充电，转而进入通信模式，利用高频耦合变压器进行数据通信，此时可以将数据由上位机经过无线充电发射电路、无线充电接收电路最后传送到被充电设备(该数据传输过程是可逆的)。通信完成后，再次按下该按钮，将其转换为默认的无线充电方式。由于采用磁场耦合的方式，其抗干扰性能非常好，而且EMI问题也容易处理。这一点对没有无线传输功能的台式电脑特别有用。

本发明提供的一种间歇无线充电方法利用单线传输协议在无线充电的间隙进行数据通信，可以有效地避开功率传输时的强干扰。根据实际使用的需要，将通信方式分为自动的通信模式和手动的通信模式，自动通信模式在传输信息量少的无线充电情况下使用，为间歇条件下的低速率通信模式，硬件上采用原来的无线充电发射线圈和接收线圈，在软件上采用单线信息传输协议的方式；手动通信模式在传输大量数据信息时使用，为高速率通信模式，硬件上采用另外增加的高频耦合变压器，软件上采用单线信息传输协议，利用无线充电的平台，无需另外连线和使用RF方式而实现高速数据信号的传输，同时采取把无线充电发射电路暂时关闭来获得稳定的数据传输。

本发明提供的方法克服了现有技术的不足，在被充电设备、无线充电接收电路、无线充电发射电路和上位机之间建立了自动和手动两种不同速率的有效的实时充电状态数据通信以及其他数据的双向无线通信，实现了无线充电设备的兼容性。

附图说明

图1为本发明提供的一种间歇无线充电通信装置的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种间歇无线充电通信装置，图中实线为数据传输方向，虚线为充电电流方向，包括上位机、适配器电源、无线充电发射电路单元、无线充电接收电路单元及被充电设备。

上位机：在小功率无线充电时可以用上位机的USB端口为无线充电发射电路单元供电，同时可以利用USB端口和无线充电发射电路单元通信。

适配器电源：在进行较大功率的无线充电时，上位机的USB端口提供的电流已经无法满足要求，这时可以利用专用的适配器来提供无线充电发射电路单元所需要的电流，同时可以利用USB端口和无线充电发射电路单元通信。

无线充电发射电路单元包括：

工作状态控制按键：该按键的作用是改变无线充电发射电路单元的工作模式，也就是说，在上电时，无线充电发射电路单元工作在间歇充电模式，按下该按键即可将其设置为高速通信模式，再次按下该键，无线充电发射电路单元又将转换为无线充电模式。

发射组件显示电路：该电路的作用是将当前的工作状态信息显示出来，这在被充电设备没有条件安装显示装置时非常有用。

无线充电发射电路(包含高速通信模式时的发射附属电路)：由常规的无线充电发射电路、MCU、信号发射单元、信号接收单元及解调处理电路组成，主要作用如下：

1、在无线充电状态下时，发射足够的功率为无线充电接收电路单元提供足够的能量。

2、在无线充电的间隙接收无线充电接收电路单元发出的各种信息。

3、在高速数据通信状态时，接收或发送相关的信息到无线充电接收电路单元、被充电设备。

充电发射线圈(包含高频通信变压器的发射线圈)：主要将电能传送到无线充电接收电路单元，同时和接收线圈配套还可以接收或发送数据信息，在高速通信模式下，利用高频通信变压器的发射线圈传送相关信息。

无线充电接收电路单元包括：

充电接收线圈(包含高频通信变压器的接收线圈)：主要接收由充电发射线圈送来的电能，同时和充电发射线圈配合接收或发送数据信息，在高速通信模式下，利用高频通信变压器的接收线圈传送相关信息。

无线充电接收电路(包含高速通信模式时的接收附属电路)，其主要作用如下：

1、用于接收来自充电发射线圈的电能，并输出稳定的电压。

2、在无线充电的间隙给无线充电发射电路单元回传各种应答信息(当电池彻底没有电的情况下，负责电池监测的MCU还不能工作时，无线充电接收电路回传最基本的应答信号，当电池上充的电压达到MCU可以正常工作的电压时，MCU将发出相关的应答信号和无线充电接收电路自身的基本应答信号合成后回传给无线充电发射电路)。

3、在高速数据通信状态时，接收或发送相关的信息到无线充电发射电路。

被充电设备包括：

充电电池、充电管理及其电池监测电路：该电路由充电电池、电池保护电路、温度传感器、充电管理电路、电池监测电路、MCU等组成。充电管理电路是在电池充电时，对充电电流、电压进行准确地控制；温度传感器的作用是：用于监测电芯的温度，一旦温度异常将在MCU的控制之下停止充放电；电池保护电路的作用是：防止电池深度放电、过电流放电、过电压充电；电池检测电路的作用是：和MCU配合完成对电池的各种工作状态进行监控，MCU的作用是：对电池进行系统管理，根据电池的自身的容量、充电电流、放电电流及时计算出剩余充电时间、剩余放电时间等数据，同时将相关数据信息经无线充电接收电路单元发送到无线充电发射电路单元，在高速数据通信时，它还担负着控制数据信号上传下达的任务，以及在用电设备和无线充电接收电路之间建立一个双向通信的渠道。

外部有线充电插座：它的作用和传统的充电插座相同，用来给被充电设备进行常规的有线充电。

用电设备：就是被充电设备的主机。

用电设备显示装置：就是主机的信息显示部件

上述设备的工作过程为：

通常在接通无线充电发射电路单元的电源时(包含USB电源输入)，无线充电发射电路单元发出搜索脉冲用来搜索被充电设备，如果此时没有被充电设备被搜寻到，那么无线充电发射电路单元一直处于这种工作方式。如果无线充电发射电路单元发射的信号被充电接收设备接收到并且回传一个应答信号(该应答信号包含了电池电量、电池温度、预计剩余充电时间、充电功率、当前无线充电电路的工作状态等信息)，那么就开始建立无线充电的状态并进行充电。经过较长的一段时间以后，无线充电发射电路单元停止发射，并且主动进入充电状态通信模式，用以接收来自无线充电接收电路单元回传的信号。无线充电接收电路单元一旦发现无线充电发射电路单元停止发射，首先将发出已经准备好的数据通过高频通信变压器的线圈耦合到无线充电发射电路单元上(这个通信时间很短，而且只发一次，这些数据中包含有发送完毕的数据指令)，该数据指令被无线充电发射电路单元上的MCU捕获到后，在无线充电发射电路单元上显示出电池电量、电池温度、预计剩余充电时间、当前无线充电电路的工作状态等信息，随即MCU又控制无线充电发射电路单元再次进行无线充电，如果无线充电接收电路单元发出的信息没有被无线充电发射电路单元接收到，无线充电发射电路单元将再次进入搜索状态，直到再次发现无线充电接收电路单元，于是无线充电过程又将重复开始，再经过一段时间后无线充电发射电路单元又停止，无线充电接收电路单元又再一次重复上述过程，周而复始地完成了边充电和边通信边显示的功能。采用间歇工作方式的好处是：这样有效地避开了无线充电时发射线圈产生的强干扰对回传信息的影响。被充设备和电池以及无线充电接收电路单元之间的通信采用引线直接相连接的方式。当要进行大量数据传输时(此时的充电可以利用上位机的USB端口充电；或者USB端口用于通信，适配器用来为无线充电发射电路单元供电的方式)，用户只要按下无线充电发射电路单元上的工作状态控制按键，该无线充电发射电路单元将进入数据传输模式，原有的无线充电发射线圈停止工作，高频通信线圈开始工作，在用电设备和上位机之间建立一个双向通信的渠道，完成正常的数据传输工作。数据传输完毕后，再次按下该键，无线充电发射电路单元又进入正常的无线充电状态。此时，无线充电发射电路单元上依旧显示出电池当前的工作状态。由于在高频通信时，无线充电的发射线圈先停止工作，避开了高频通信线圈在进行无线充电时可能进入的磁饱和状态，使通信和充电互不影响。这样就在上位机、无线充电发射电路、无线接收电路和被充电设备之间建立了两个模式的通信方式，使得在无线充电时，无线充电发射电路单元上可以及时地显示出充电电池当前的信息，在进行数据传输时也不必像以往那样需要另外连接通信电缆，或者采用其他的无线短距通信方式(如wifi、蓝牙等，况且台式电脑往往没有无线通信的设备)，同样可以在无线的状态下进行大量的无线数据传输，非常实用。由于无线充电和通信都采用磁耦合的方式，因此EMC问题也就比较容易控制。

Claims (4)

1.一种间歇无线充电通信装置，包括上位机、适配器电源、无线充电发射电路单元、无线充电接收电路单元及被充电设备，其特征在于：

利用上位机的USB数据端口和无线充电发射电路单元通信，在小功率无线充电时，利用上位机的USB数据端口为无线充电发射电路单元提供电源；

在大功率无线充电时，由适配器电源为无线充电发射电路单元提供电源，利用上位机的USB数据端口和无线充电发射电路单元通信；

无线充电发射电路单元包括无线充电发射电路，无线充电发射电路包含用于高速通信模式时的发射附属电路，无线充电发射电路单元的工作状态在无线充电状态与高速数据通信状态之间切换，当处于无线充电状态时，由无线充电发射电路产生无线充电能量，同时，在无线充电的间隙接收来自无线充电接收电路单元的应答信息；当处于高速数据通信状态时，无线充电发射电路单元中的发射高频通信变压器线圈及发射附属电路与无线充电接收电路单元中的接收高频通信变压器线圈及接收附属电路之间建立高速的双向数据通信；

工作状态控制按键，用于控制无线充电发射电路单元在无线充电状态与高速数据通信状态之间进行切换；

包含发射高频通信变压器线圈的充电发射线圈，在高速数据通信状态下，无线充电发射电路单元经由发射高频通信变压器线圈与无线充电接收电路单元之间建立高速的双向数据通信，在无线充电状态下，无线充电发射电路经由充电发射线圈向无线充电接收电路单元发射无线充电能量，并接收来自无线充电接收电路单元的应答信息；

无线充电接收电路单元包括无线充电接收电路及充电接收线圈，无线充电接收电路包含高速通信模式时的接收附属电路，充电接收线圈包含接收高频通信变压器线圈，无线充电接收电路在无线充电状态时经由充电接收线圈接收来自无线充电发射电路的无线充电能量后向被充电设备充电，并向无线充电发射电路反馈应答信息；无线充电接收电路在高速数据通信状态时，经由接收高频通信变压器线圈与无线充电发射电路之间建立高速的双向数据通信。

2.如权利要求1所述的一种间歇无线充电通信装置，其特征在于：所述无线充电发射电路单元还包括用于显示当前工作状态的发射组件显示电路。

3.如权利要求1所述的一种间歇无线充电通信装置，其特征在于：所述发射高频通信变压器线圈及所述接收高频通信变压器线圈为一个高频通信变压器的线圈的两个半部分，将这两个半部分分别安装在充电发射线圈及充电接收线圈的内圈或外圈，然后接上配套的驱动电路。

4.一种采用如权利要求1所述的间歇无线充电通信装置的间歇无线充电通信方法，其特征在于：经由所述工作状态控制按键将所述间歇无线充电通信装置的工作状态在无线充电状态与高速数据通信状态之间切换；

当所述间歇无线充电通信装置处于高速数据通信状态时，发射高频通信变压器线圈与接收高频通信变压器线圈开始工作，通过在无线充电发射电路单元与无线充电接收电路单元之间建立的高速的双向数据通信信道实现上位机与被充电设备之间的双向数据通信；

当所述间歇无线充电通信装置处于无线充电状态时，其步骤为：

步骤1.1、无线充电发射电路单元被接入电源后，发出搜索脉冲直至收到来自被充电设备的应答信号；

步骤1.2、接入有被充电设备的无线充电接收电路单元接收到搜索脉冲后，由被充电设备产生应答信号，该应答信号至少包括被充电设备的电池电量、电池温度、预计剩余充电时间、充电功率、当前无线充电接收电路单元的工作状态信息；

步骤1.3、无线充电发射电路接收到应答信号后与无线充电接收电路单元之间开始建立无线充电，经过较长一段时间的无线充电后，无线充电发射电路停止发射，并且主动进入充电状态通信模式，用以接收来自无线充电接收电路单元回传的应答信号；

步骤1.4、无线充电接收电路单元一旦发现无线充电发射电路停止发射，无线充电接收电路单元首先将已经准备好的数据通过充电接收线圈及充电发射线圈耦合到无线充电发射电路上，该数据被无线充电发射电路捕获到后，通过发射组件显示出工作状态信息，随即无线充电发射电路返回步骤1.3再次进行无线充电；

若无线充电接收电路单元发出的信息没有被无线充电发射电路接收到，则无线充电发射电路再次进入搜索状态，直到再次发现无线充电接收电路单元，于是无线充电过程又将重复开始，再经过一段时间后无线充电发射电路又停止无线充电过程，无线充电接收电路单元又再一次重复步骤1.4，周而复始地完成边充电和边通信边显示的功能。