CN103698741B - 射频供电的电磁定位探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频供电的电磁定位探头；包括射频供电系统(1)以及分别与射频供电系统(1)相互连接的信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)；所述信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)之间信号连接；所述射频供电系统(1)为信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)提供电能；所述信号采集与处理系统(2)提供传感器信号，并将传感器信号进行相应处理后发送到无线数据传输系统(3)；无线数据传输系统(3)将传感器信号发送到其他的接收设备。

Description

射频供电的电磁定位探头
技术领域
本发明涉及一种射频供电的电磁定位探头，采用了短距离的射频电能传输技术和无线数据传输技术，实现电磁定位探头的无线供电，无线数据传输，克服了传统的由电缆线供电和传输数据方案的不足，在精密无源的电磁定位、测量和导航领域具有重要应用前景。
背景技术
在三维空间里，通过定位探头即可以对物体的位置及姿态进行精确的测量，而在实际的使用时，定位探头又可用于引导物体在三维空间里沿期望的目标轨迹和姿态进行相应的运动，或者对三维空间里目标物体的运动轨迹和姿态进行测量和跟踪；在医疗、航空、探测、检测以及军事等领域，定位探头具有重要作用。目前，空间导航及定位测量技术的实现方式以及缺点主要有如下几点：
（1）光学定位测量技术；光学定位测量技术定位精度高，同时设备复杂、装置笨重，并且存在光反射和物体遮挡光路等问题；
（2）超声波定位技术；超声定位技术的测量范围大，检测简单，但是容易受温度、湿度的影响，精度较低；
（3）机械联动测量技术；机械联动测量技术就是通过空间变化的方法，由三维矩阵计算出目标物体在空间中的具体位置和姿态，其测量的灵活度不高，不适用于物体的动态跟踪定位；
（4）电磁场定位技术；电磁场定位测量技术定位精度高，装置简单，同时易受到导磁材料和外界磁场干扰的影响，在医疗手术、瞄准等领域具有重要的应用前景。
本发明针对一般电磁场定位技术，需要从传感器引出电缆才能实现传感器系统的供电和数据采集、分析以及处理的缺点，提出一种无需电缆连接，即可对任意自由运动物体进行定位测量的电磁定位探头的技术方案。
现有常规技术中的电磁定位系统：
首先作为发射端，在空间中的确定位置上布置由三个正交线圈构成的三轴电磁场源，可以等效地认为是在三维坐标的任一方向上布置了一个单线圈，所有线圈经过相同相位和相同频率的信号激励，在空间中形成线性无关的激励信号。
其次，作为接收端，三轴电磁场传感器接收电磁场源传来的磁场信号，通过对信号的放大、滤波和AD变换后，将信号传送给处理器，处理器对数据分析和处理，完成空间位置和姿态的测定。
通常电磁定位探头内配置有三轴电磁传感器、放大电路，滤波电路，然后通过电缆线连接给传感器及放大滤波电路供电，并且将信号传输给AD转换电路。由于传感器带有用于供电和信号传输的连接电缆，影响了磁定位技术优势的发挥，难以实现无障碍的灵活定位。本发明利用射频供电技术和无线通信技术，实现了无电缆连接的电磁定位，使电磁定位的实现不受空间遮挡等结构限制，在精密无源电磁定位、测量和导航过程中具有重要应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的射频供电的电磁定位探头。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种射频供电的电磁定位探头，包括射频供电系统以及分别与射频供电系统相互连接的信号采集与处理系统和无线数据传输系统；所述信号采集与处理系统和无线数据传输系统之间信号连接；所述射频供电系统为信号采集与处理系统和无线数据传输系统提供电能；所述信号采集与处理系统提供传感器信号，并将传感器信号进行相应处理后发送到无线数据传输系统；无线数据传输系统将传感器信号发送到其他的接收设备。
作为对本发明所述的射频供电的电磁定位探头的改进：所述射频供电系统包括发射端和接收端；所述发射端将市电进行转换，并将市电电流以交流信号的模式发射；所述接收端以磁耦合共振模式获得发射端发射的交流信号，并将交流信号转变成适用于信号采集与处理系统和无线数据传输系统的电流；所述接收端分别与信号采集与处理系统和无线数据传输系统电连接。
作为对本发明所述的射频供电的电磁定位探头的进一步改进：所述发射端包括与外接市电电源相互连接的市电供电模块；所述市电供电模块上连接有可以将市电的交流电转换成直流电的整流/滤波模块Ⅰ；所述整流/滤波模块Ⅰ上连接有将直流电转变成交变电流的全桥逆变器模块；所述全桥逆变器模块上连接有将交变电流以交流信号模式发射的天线模块；所述天线模块上连接有采集天线模块上的电流信号的电流检测模块；所述电流检测模块上连接有可以将电流检测模块采集的模拟信息转换后数字信号，并将数字信号进行计算的微控制器模块；所述微控制器模块上连接有可以将微控制器模块输出的数字信息转换成模拟信号，并将模拟信号输出的DAC/VCO模块；所述DAC/VCO模块上连接有驱动全桥逆变器模块的栅极驱动电路模块；所述栅极驱动电路模块与全桥逆变器模块相连接，通过栅极驱动电路模块输出的模拟信号驱动全桥逆变器模块运行；所述接收端包括通过磁耦合共振模式感应到采集天线模块上的电流信号，并将电磁能转换成交流电能的感应线圈；所述感应线圈上连接有将接收到的交流电能转化为直流电能的整流/滤波模块Ⅱ；所述整流/滤波模块Ⅱ上连接有实现电压和功率匹配功能的电源变换器；所述电源变换器上连接有供电系统；所述供电系统分别与信号采集与处理系统和无线数据传输系统电连接。
作为对本发明所述的射频供电的电磁定位探头的进一步改进：所述感应线圈的固有频率与天线模块的发射频率相同。
作为对本发明所述的射频供电的电磁定位探头的进一步改进：所述信号采集与处理系统包括依次相连接的三轴磁阻传感器、信号调理电路、AD转换电路和CPU存储控制单元；所述三轴磁阻传感器、信号调理电路、AD转换电路和CPU存储控制单元均与供电系统电连接。
作为对本发明所述的射频供电的电磁定位探头的进一步改进：所述无线数据传输系统包括依次相连接的高频震荡电路、调制/解调电路、放大电路和发射/接收天线；所述高频震荡电路、调制/解调电路、放大电路和发射/接收天线均与供电系统电连接；所述CPU存储控制单元与调制/解调电路相互连接。
本发明的射频供电的电磁定位探头的电磁定位探头实现电磁定位探头的无线供电，克服了传统的由电缆线供电和传输数据方案的不足，在精密无源电磁定位、测量和导航领域具有重要应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明设计的一种射频供电的电磁定位探头的整体结构图；
图2为图1的详细结构示意图；
图3为本发明设计的射频供电的电磁定位探头的工作流程图。
具体实施方式
实施例1、图1～图3给出了一种射频供电的电磁定位探头；包括射频供电系统1以及分别与射频供电系统1相互连接的信号采集与处理系统2和无线数据传输系统3；信号采集与处理系统2和无线数据传输系统3之间信号连接；射频供电系统1为信号采集与处理系统2和无线数据传输系统3提供电能；信号采集与处理系统2提供传感器信号，并将传感器信号进行相应处理后发送到无线数据传输系统3；无线数据传输系统3将传感器信号发送到其他的接收设备。
射频供电系统1包括发射端11和接收端12；发射端11将市电进行转换，并将市电电流以交流信号的模式发射；接收端12以磁耦合共振模式获得发射端11发射的交流信号，并将交流信号转变成适用于信号采集与处理系统2和无线数据传输系统3的电流；接收端12分别与信号采集与处理系统2和无线数据传输系统3电连接。
发射端11包括市电供电模块110、整流/滤波模块Ⅰ111、全桥逆变器模块112、天线模块113、电流检测模块114、微控制器模块115、DAC/VCO模块116和栅极驱动电路模块117。电供电模块110、整流/滤波模块Ⅰ111、全桥逆变器模块112、天线模块113、电流检测模块114、微控制器模块115、DAC/VCO模块116和栅极驱动电路模块117之间依次相连接，栅极驱动电路模块117和全桥逆变器模块112相互连接。电流检测模块114、微控制器模块115、DAC/VCO模块116和栅极驱动电路模块117相互连接后，构成闭合控制回路。
接收端12包括固有频率与天线模块113的发射频率相同的感应线圈120、整流/滤波模块Ⅱ121、电源变换器122和供电系统123；感应线圈120、整流/滤波模块Ⅱ121、电源变换器122和供电系统123之间依次相互连接。
信号采集与处理系统2包括三轴磁阻传感器23、信号调理电路22、AD转换电路21和CPU存储控制单元20；三轴磁阻传感器23、信号调理电路22、AD转换电路21和CPU存储控制单元20之间依次相互连接。三轴磁阻传感器23、信号调理电路22、AD转换电路21和CPU存储控制单元20均与供电系统123电连接。
无线数据传输系统3包括高频震荡电路32、调制/解调电路31、放大电路33和发射/接收天线34；高频震荡电路32、调制/解调电路31、放大电路33和发射/接收天线34之间依次相连接；CPU存储控制单元20与调制/解调电路31相互连接，高频震荡电路32、调制/解调电路31、放大电路33和发射/接收天线34均与供电系统123电连接。
为保持图面的整洁，省略图上的电连接关系。
以上所述的微控制器模块115、三轴磁阻传感器23和CPU存储控制单元20均为市购获得。全桥逆变器模块112的四个功率管构成（现有技术）。
实际使用的时候，步骤如下：
1、市电供电模块110与外接市电电源相互连接，由外接市电电源提供220V的交流电；
2、通过与市电供电模块110相连接的整流/滤波模块Ⅰ111将220V的交流电转换成直流电；
3、通过全桥逆变器模块112将直流电逆变成需要频率和幅值的交变电流供给天线模块113；
4、电流检测模块114采用一个精密采样电阻，电阻两端的电压通过差分电路单级放大，输出的电压范围满足微控制器模块115自带的模数转换器（ADC）电压输入范围；
5、微控制器模块115将采样得到的模拟信号量转换为数字量，进而通过比例换算得到电流量，换算出对应的DAC/VCO模块116中的压控振荡器（VCO）的控制电压值；
6、微控制器模块115输出数字量给DAC/VCO模块116中的数模转化器（DAC），得到模拟量电压量，并将模拟量电压量给压控振荡器（VCO），输入的电压值越大，压控振荡器（VCO）输出的方波频率越高，具体的范围可以根据线圈共振频率由偏置电压和外部电容设定；
7、栅极驱动电路模块117完成全桥逆变器模块112的四个功率管的控制，采用的是两片双通道功率专用驱动芯片（现有技术）来完成。
8、感应线圈120的固有频率和天线模块113的发射频率相同，二者的电力传输通过磁耦合共振来实现；即感应线圈120感应到天线模块113发射的交流信号，并将电磁能转换为交流电能；
9、整流/滤波模块Ⅱ121将接收到的交流电能转化可靠的直流电能；
10、电源变换器122实现电压和功率匹配功能，得到额定电压5V，最大电流为300mA的供电能力；
11、通过供电系统123将步骤10所得到的电能输出。
12、三轴磁阻传感器23实现正交磁场激励信号的接收，磁定位感应线圈与信号调理电路连接，将接收的磁场感应信号传输给信号调理电路22；
13、信号调理电路22实现高频或者低频干扰信号的滤波以及微弱信号的放大功能；
14、信号调理电路22将调理过后的信号传输给AD转换电路21（模拟量转换为数字量）；AD转换电路21将变换的数字信号传输给CPU存储控制单元20；
15、CPU存储控制单元20对采集的信号进行最终分析，通过数值求解方法计算出空间位置和姿态。
16、调制/解调电路31将需发送的二进制信号与基频信号调制后输出给放大电路33或者从放大电路输入的信号中提取有用的数据信息并传输给CPU存储控制单元20；
17、高频震荡电路32形成通信所需的高频基波信号，并传输给调制/解调电路31；
18、放大电路33实现将调制后的信号放大，并传输给发射/接收天线34；或者将从发射/接收天线34输入的信号放大后输出给调制/解调电路31；
19、发射/接收天线34实现将放大电路33形成的高频信号发射到空间中或从空间中获取预定频率的电磁辐射信号。
图3为本发明设计的射频供电的电磁定位探头的工作流程图。根据图3进行再进一步的说明：
首先，给系统上电，射频供电系统1的磁场能发射端11开始工作，用来调节频率的闭合控制回路调整全桥逆变器112的导通频率，使驱动线圈（天线模块113）达到最大的传输效率；
接着，感应线圈120的固有频率和发射线圈的发射频率相同，通过磁耦合，感应线圈120感应到电能，并通过共振来实现能量的最大效率传输，给信号采集与处理系统2、无线数据传输系统3进行平稳可靠的供电；
然后，睡眠状态的CPU存储控制单元20被唤醒，初始化内存和变量；
进而，CPU存储控制单元20启动AD（模拟量转换为数字量的器件），读取信号值；
接着，CPU存储控制单元20对读取到的信号值进行软件滤波，求解被测量的空间位置和姿态；
同时，CPU存储控制单元20的控制端初始化无线数据传输系统3的通信联络，建立连接，将求解得到的空间位置和姿态数据发送到对应的接收端。
周而复始，直到本发明所述的系统关闭。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.射频供电的电磁定位探头；其特征是：包括射频供电系统(1)以及分别与射频供电系统(1)相互连接的信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)；
所述信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)之间信号连接；
所述射频供电系统(1)为信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)提供电能；
所述信号采集与处理系统(2)提供传感器信号，并将传感器信号进行相应处理后发送到无线数据传输系统(3)；
无线数据传输系统(3)将传感器信号发送到其他的接收设备;
所述射频供电系统(1)包括发射端(11)和接收端(12)；
所述发射端(11)包括与外接市电电源相互连接的市电供电模块(110)；
所述市电供电模块(110)上连接有可以将市电的交流电转换成直流电的整流/滤波模块Ⅰ(111)；
所述整流/滤波模块Ⅰ(111)上连接有将直流电转变成交变电流的全桥逆变器模块(112)；
所述全桥逆变器模块(112)上连接有将交变电流以交流信号模式发射的天线模块(113)；
所述天线模块(113)上连接有采集天线模块(113)上的电流信号的电流检测模块(114)；
所述电流检测模块(114)上连接有可以将电流检测模块(114)采集的模拟信息转换成数字信号，并将数字信号进行计算的微控制器模块(115)；
所述微控制器模块(115)上连接有可以将微控制器模块(115)输出的数字信息转换成模拟信号，并将模拟信号输出的DAC/VCO模块(116)；
所述DAC/VCO模块(116)上连接有驱动全桥逆变器模块(112)的栅极驱动电路模块(117)；
所述栅极驱动电路模块(117)与全桥逆变器模块(112)相连接，通过栅极驱动电路模块(117)输出的模拟信号驱动全桥逆变器模块(112)运行；
所述接收端(12)包括通过磁耦合共振模式感应到采集天线模块(113)上的电流信号，并将电磁能转换成交流电能的感应线圈(120)；
所述感应线圈(120)的固有频率与天线模块(113)的发射频率相同；
所述感应线圈(120)上连接有将接收到的交流电能转化为直流电能的整流/滤波模块Ⅱ(121)；
所述整流/滤波模块Ⅱ(121)上连接有实现电压和功率匹配功能的电源变换器(122)；
所述电源变换器(122)上连接有供电系统(123)；
所述供电系统(123)分别与信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)电连接；
所述信号采集与处理系统(2)包括依次相连接的三轴磁阻传感器(23)、信号调理电路(22)、AD转换电路(21)和CPU存储控制单元(20)；
所述三轴磁阻传感器(23)、信号调理电路(22)、AD转换电路(21)和CPU存储控制单元(20)均与供电系统(123)电连接；
所述无线数据传输系统(3)包括依次相连接的高频震荡电路(32)、调制/解调电路(31)、放大电路(33)和发射/接收天线(34)；
所述高频震荡电路(32)、调制/解调电路(31)、放大电路(33)和发射/接收天线(34)均与供电系统(123)电连接；
所述CPU存储控制单元(20)与调制/解调电路(31)相互连接。
2.根据权利要求1所述的射频供电的电磁定位探头，其特征是：
所述发射端(11)将市电进行转换，并将市电电流以交流信号的模式发射；
所述接收端(12)以磁耦合共振模式获得发射端(11)发射的交流信号，并将交流信号转变成适用于信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统
(3)的电流；
所述接收端(12)分别与信号采集与处理系统(2)和无线数据传输系统(3)电连接。
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