CN103607225A - 基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，主要解决现有非接触式装置通信速率低、通用性差以及动态适应性差的问题。该装置包括脉冲发生器（101）、电磁耦合线圈对（102）、I/V变换器（103）、正向比较器（104A）、负向比较器（104B）和R-S触发器（105）。脉冲发生器分别将原信号的上升沿和下降沿转换为前沿陡峭、后沿平缓的脉冲信号，并通过电磁耦合线圈对以非接触的方式传递至I/V变换器进行检波，检波生成的脉冲电压信号经过正、负向比较器分别得到正、负触发信号，再经过R-S触发器恢复出原信号。本发明具有通信速率高、通用性和动态适应性强的优点，可用于各种旋转部件间的非接触数据传输。

Description

基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置

技术领域

本发明属于电子元件技术领域，特别涉及一种非接触式数据传输装置，可用于旋转臂、速度转台、石油钻井等旋转件传递高速双向多路信号。

背景技术

目前，为雷达、旋转臂、速度转台、风力发电等旋转部件进行非接触式信息传递的技术已取得一定的发展，该技术主要利用电磁波将信号从旋转部件的一端，跨过一定的间隙，耦合至旋转部件的另一端，从而解决传统导电传输装置所存在的稳定性差、转速低、寿命短、成本高昂等诸多弊端。

现有非接触式数据传输装置通常由调制电路、环形天线和调解电路三部分构成。利用窄带通信机制，将原始信号调制到特定频率，如315MHz、2.4GHz的载波上，再通过环形天线耦合至接收端，最后由解调电路将原始信号恢复出来。

在应用环境中，由于环形天线的间隙中可能存在空气、水、油或泥浆等不同流体介质，且各组分的比例和浓度不固定，从而形成一个复杂的、动态变化的电磁屏蔽腔，阻隔某些频段电磁波的有效传输，造成现有的非接触式数据滑环存在以下不足：

1、窄带通信技术自身的频带利用率较低，因此通信速率低，无法实现高速通信。

2、针对不同的应用场合，需要采用不同的频率载波，即不同的调制、解调设备进行通信，设备通用性差。

3、由于载波频率固定，不能随电磁屏蔽腔特性的变化动态调整，无法保证可靠通信，因此动态适应性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于自适应导电介质的非接触式数据滑环，以提高传输装置的通信速率，改善传输装置在不同应用环境中的通用性和动态适应性。

为实现上述目的，本发明基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，包括：

脉冲发生器，分别对输入端TTL/CMOS信号的上升沿、下降沿进行提取，并得到前沿陡峭、后沿平缓的脉冲电压信号，送至电磁耦合线圈对；

电磁耦合线圈对，用于将脉冲电压信号以电磁耦合的方式由初级传递至次级，得到与输入电压信号波形一致的脉冲电流信号，并送入I/V变换器；

I/V变换器，用于将电磁耦合线圈对输出的脉冲电流信号转换为脉冲电压信号，并同时送入正向比较器和负向比较器；

正向比较器，用于对正脉冲的提取，在原信号发生0/1跳变的时刻输出一个正向单脉冲，并送入R-S触发器的S端；

负向比较器，用于对负脉冲的提取，在原信号发生1/0跳变的时刻输出一个负向单脉冲，并送入R-S触发器的R端；

R-S触发器，用于在正向比较器和负向比较器输出的正、负向单脉冲的触发下，产生波形与原信号一致的电压信号，完成对原信号的还原功能。

作为优选，所述的电磁耦合线圈对至少包括1对内、外圈电磁耦合线圈，这两个内、外圈电磁耦合线圈分别固定在两个转动部件的同一水平面上，且二者之间留有环形间隙，并能随转动部件相对旋转，且在旋转过程中无电气和机械接触。

作为优选，所述脉冲发生器与电磁耦合线圈对初级之间采用第一双绞缆连接，电磁耦合线圈对次级与I/V变换器之间采用第二双绞缆连接。

作为优选，所述的内、外圈电磁耦合线圈均由两个头端并联、尾端开放的环形单匝线圈构成，这两个环形单匝线圈同轴，且在轴向上留有间隙，供磁力线通过。

作为优选之一，所述的环形单匝线圈，采用导线与骨架配合的结构，即选择非金属材料制作骨架，并将导线镶嵌在骨架预制的环形线槽内。

作为优选之二，所述的环形单匝线圈，采用印刷电路板结构，即在印刷电路板上印制用于制作线圈的导电线路，并将印刷电路板卷绕成圆环状结构，构成所需的环形单匝线圈。

作为优选，所述的I/V变换器的输出端分别与正向比较器的同相输入端和负向比较器的反相输入端连接；正向比较器的输出端与R-S触发器的S端连接，负向比较器的输出端与R-S触发器的R端连接。

作为优选，所述的脉冲发生器包括一个功率电阻器和一个功率电容器，构成功率级微分器，用于产生功率级脉冲电压信号。

作为优选，所述的正向比较器和负向比较器均采用高速比较器。

本发明与现有的非接触式数据传输装置相比，具有以下优点：

1、本发明由于采用了脉冲发生电路、环形电磁耦合线圈对和脉冲还原电路，可实现基带调制通信功能，不仅提高了频带利用率，而且可使通信速率提高10-100倍。

2、本发明由于采用脉冲发生电路和脉冲还原电路，对原信号分别进行基带调制和基带解调，展宽了通信频点，弥散至几乎整个频带，消除了固定频点通信受应用场合的制约，增强了装置的通用性。

3、本发明由于采用电磁耦合线圈对作为电磁耦合元件，产生包含原信号信息的脉冲磁场信号，实现相对旋转部件间的非接触式通信；同时由于电磁耦合线圈对采用环形对称结构，使得脉冲磁场信号能够实时自主选择最优闭合路径和最佳通信频点，保证了线圈相对旋转过程中通信无死角，以及对介质特性动态变化的适用性。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明中的电磁耦合线圈对结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的自适应导电介质的非接触式数据传输装置，包括：脉冲发生器101、电磁耦合线圈对102、I/V变换器103、正向比较器104A、负向比较器104B和R-S触发器105。其中：脉冲发生器101的输出端与电磁耦合线圈对102的初级相连，电磁耦合线圈对102的次级与I/V变换器103的输入端相连；I/V变换器103分为两路输出，一路经由正向比较器104A连接至R-S触发器105的S端，另一路经由负向比较器104B连接至R-S触发器105的R端。

所述的脉冲发生器101，采用一个功率电阻器和一个功率电容器串联，构成功率级微分器，用于提取原信号的上升沿和下降沿，分别产生前沿陡峭、后沿平缓的正向和负向单脉冲电压信号，并送入电磁耦合线圈对102的初级。

所述的电磁耦合线圈对102，用于将脉冲电压信号以电磁耦合的方式由初级传递至次级，得到与输入电压信号波形一致的脉冲电流信号，并送入I/V变换器103；

所述的I/V变换器103，采用一个精密电阻器与输入端并联构成，用于将脉冲电流信号转换为脉冲电压信号，并同时送入正向比较器104A和负向比较器104B的输入端。

所述的正向比较器104A和负向比较器104B，采用但不限于响应时间为80nS的高速电压型比较器LM319。该正向比较器104A对输入信号的正向脉冲进行提取，产生逻辑“1”触发脉冲，并送入R-S触发器105的S端；该负向比较器104B对输入信号的负向脉冲进行提取，产生逻辑“0”触发脉冲，并送入R-S触发器105的R端。

所述的R-S触发器105，采用但不限于响应时间为5nS的高速R-S触发器74F74。该R-S触发器105在逻辑触发脉冲的触发下，产生与原信号波形一致的数字信号并由Q端输出，完成对信号的还原。

参照图2，所述的电磁耦合线圈对102，包括：内圈电磁耦合线圈201、外圈电磁耦合线圈202、第一双绞缆203和第二双绞缆204，其中：内圈电磁耦合线圈201与外圈电磁耦合线圈202均采用厚度为0.6mm的印刷电路板卷绕成圆环状制成，其中内圈电磁耦合线圈201的直径为118mm，外圈电磁耦合线圈202的直径为138mm，这两个印刷电路板上印制的导电线路的窗口高度均为18mm；内圈电磁耦合线圈201和外圈电磁耦合线圈202均由两个头端并联、尾端开放的环形单匝线圈构成，这两个环形单匝线圈同轴，且分别固定在两个转动部件的同一水平面上，二者之间留有环形间隙，供磁力线通过，使得二者在随转动部件旋转的过程中无电气和机械接触，以提高电气安全性和使用寿命。该内圈电磁耦合线圈201通过第一双绞缆203与脉冲发生器101的输出端连接；该外圈电磁耦合线圈202通过第二双绞缆204与I/V变换器103的输入端连接。

所述的环形单匝线圈，其另一种结构是选择非金属材料制作骨架，并将导线镶嵌在骨架预制的环形线槽内构成。

本发明的工作原理如下：

通过脉冲发生器101将原信号的上升沿和下降沿分别提取出来，并同步生成前沿陡峭，后沿平缓的脉冲电压信号D1，激励电磁耦合线圈对102工作，并在内圈电磁耦合线圈201的周围形成脉冲磁场，利用电磁耦合效应在外圈电磁耦合线圈202中感应出脉冲电流信号，该电流信号通过I/V变换器103转换为相应的脉冲电压信号D2，该脉冲电压信号D2中的正向脉冲经过正向比较器104A产生逻辑“1”触发脉冲，送入R-S触发器105的S端，并将R-S触发器105的输出端Q置为“1”；该脉冲电压信号D2中的负向脉冲经过负向比较器104B产生逻辑“0”触发脉冲，送入R-S触发器105的R端，并将R-S触发器105的输出端Q端置为“0”，从而在R-S触发器105的输出端Q同步恢复出原信号，实现信号在旋转部件间的非接触传输。该数据传输装置在静止和相对旋转的过程中无电气和机械接触，可在空气、水、油或泥浆等应用环境中长期稳定工作，并实现数据的高速、不间断可靠传输。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，包括：

脉冲发生器（101），分别对输入端TTL/CMOS信号的上升沿、下降沿进行提取，并得到前沿陡峭、后沿平缓的脉冲电压信号，送至电磁耦合线圈对（102）；

电磁耦合线圈对（102），用于将脉冲电压信号以电磁耦合的方式由初级传递至次级，得到与输入电压信号波形一致的脉冲电流信号，并送入I/V变换器（103）；

I/V变换器（103），采用一个精密电阻器与输入端并联构成，用于将电磁耦合线圈对（102）输出的脉冲电流信号转换为脉冲电压信号，并同时送入正向比较器（104A）和负向比较器（104B）；

正向比较器（104A），用于对正脉冲的提取，在原信号发生0/1跳变的时刻输出一个正向单脉冲，并送入R-S触发器（105）的S端；

负向比较器（104B），用于对负脉冲的提取，在原信号发生1/0跳变的时刻输出一个负向单脉冲，并送入R-S触发器（105）的R端；

R-S触发器（105），用于在正向比较器（104A）和负向比较器（104B）输出的正、负向单脉冲的触发下，产生波形与原信号一致的电压信号，完成对原信号的还原功能。

2.根据权利要求1所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，电磁耦合线圈对（102）至少包括1对内、外圈电磁耦合线圈（201，202），这两个内、外圈电磁耦合线圈分别固定在两个转动部件的同一水平面上，且二者之间留有环形间隙，并能随转动部件相对旋转，且在旋转过程中无电气和机械接触。

3.根据权利要求1所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，脉冲发生器（101）与电磁耦合线圈对（102）初级之间采用第一双绞缆（203）连接，电磁耦合线圈对（102）次级与I/V变换器（103）之间采用第二双绞缆（204）连接。

4.根据权利要求2所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，内、外圈电磁耦合线圈（201，202）均由两个头端并联、尾端开放的环形单匝线圈构成，这两个环形单匝线圈同轴，且在轴向上留有间隙，供磁力线通过。

5.根据权利要求4所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，所述的环形单匝线圈，采用导线与骨架配合的结构，即选择非金属材料制作骨架，并将导线镶嵌在骨架预制的环形线槽内。

6.根据权利要求4所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，所述的环形单匝线圈，采用印刷电路板结构，即在印刷电路板上印制用于制作线圈的导电线路，并将印刷电路板卷绕成圆环状结构。

7.根据权利要求1所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，I/V变换器（103）的输出端分别与正向比较器（104A）的同相输入端和负向比较器（104B）的反相输入端连接；正向比较器（104A）的输出端与R-S触发器（105）的S端连接，负向比较器（104B）的输出端与R-S触发器（105）的R端连接。

8.根据权利要求1所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，脉冲发生器（101）包括一个功率电阻器和一个功率电容器，构成功率级微分器，用于产生功率级脉冲电压信号。

9.根据权利要求1所述的基于自适应导电介质的非接触式数据传输装置，其特征在于，正向比较器（104A）和负向比较器（104B）均采用高速比较器。

Images