CN104158605B - 一种基于pwm码实现无线携能通信频率自适应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，它包括改进的测量PWM信号频率和占空比的方法和自适应调整载波频率的算法。通过发送扫频信号，然后再对信号进行采样分析，得到电路的谐振点，从而确定最佳的发射频率。本发明的优点是可以自适应调整磁耦合无线信能同传系统的频率，从而使得系统在运动的情况下确保较高的效率。适用于各种需要动态调整传输距离的无线携能通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线携能通信、通信电子线路、自动控制检测及数字频率合成等交叉领域，具体涉及一种在进行无线携能通信过程中需要自适应改变发射信号载频频率时需要实时获得系统谐振点的方法。
背景技术
本方法主要用于测量磁耦合线圈谐振点频率，在利用磁耦合进行无线携能通信中获取线圈谐振点以达到传输效率最佳中起到关键性的作用。无线携能通信是将能量无线传输技术与信息无线传输技术相集合的产物，在实现信息的高速通信的同时，通过提取接收信号能量来有效地向终端进行馈电，从而无需使用传统的有线连接，适合于需要大规模进行布撒终端节点的应用。
在一般的磁耦合信能传输系统中，发送线圈和接收线圈的距离是固定不变的，此时整个系统的谐振曲线也是固定不变的，利用峰值点频率作为发射信号的载频频率进行信息传输，在确保一定的信息传输速率的同时，可以从信号提取足够的能量进行对负载馈电，由于在谐振点的传输效率最优，因此系统可以确保有较高的效率。
然而，这种发送端和接收端均固定的系统具有很大的局限性，在许多实际应用中更多的需要的是能够适应发送和接收距离动态改变的系统，例如：1）无线电能传输可以解决植入式医疗设备的供电问题，并增加其安全性，但植入设备在生物体是动态变化的，引起收发系统的谐振频率的变化，为了保证效率最优，需要动态调整信号的载频频率； 2）在列车的钢轨探伤系统中，装在车轮上的探头（电能接收端）和能量发射端的距离一定是周期性改变的，此时将载频固定必然会因系统的谐振特性的改变降低能量传输效率。因此利用该方法可以很好地实现频率的动态匹配，从而得到较高的能量传输效率，达到频率自适应匹配的目的。
发明内容
为了克服上述所提到的由于发射频率无法随距离自适应改变而导致整个系统效率低下的问题，本发明提出一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，该方法基于数字频率合成技术(DDS)动态实时测量磁耦合无线携能通信系统中谐振曲线的谐振点频率，从而达到动态调整载波频率的目的，使得在移动环境下，该系统仍具有较高的能量传输效率，进而可以广泛应用于复杂环境中的移动探测设备中。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，其采用改进的测量PWM信号频率和占空比的方法精确得到正弦波信号的频率和幅度参数；采用自适应调整载波频率的方法实时调整DDS模块发射频率。
进一步的，所述改进的测量PWM信号频率和占空比的方法包括：PWM信号频率的测量时间包含多个PWM周期；对于PWM周期的占空比的测量，在PWM波的上升沿到来时，计数器延时一个时间T1后才开始计数，T1的大小是随机的，范围在0到1个时钟周期之间服从均匀分布。
进一步的，所述自适应调整载波频率的步骤如下：发送端MCU1控制DDS模块进行扫频；电压比较电路实时对DDS模块的发射信号进行采样，并将其转化为PWM波送入MCU1进行处理；MCU1测量PWM波的频率和占空比，得到正弦波的频率和占空比；根据正弦波的频率和占空比获得传输系统幅频特性曲线；对所得的传输系统幅频特性曲线进行抽样式检测，即在每两个抽样点之间留有频率间隔进行抽样，排除毛刺的干扰，获得正确的谐振点；根据谐振点实时调整DDS模块发射频率。
进一步的，所述PWM信号频率的测量时间内包含n个PWM周期，存在1个时钟周期的误差，每个PWM周期有1/n个时钟周期的误差，即每个PWM周期的测量误差降低为原来的1/n，其中n的大小根据需求自由调整。
进一步的，所述计数器延时测量占空比的过程如下：在PWM波的上升沿到来时，计数器并不立即开始计数，而是延时一个服从均匀分布的随机时间，使得对于同一个PWM波，计数器捕获的值不确定，但其数学期望等于实际持续时间的值；多次测量取平均，使所得值接近实际值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：由于采用频率自适应的方法，可以使得发射频率随着系统的谐振点做实时的调整，从而在移动情况下，系统能够保持较高的能量传输效率。其次，改进的PWM码测量信号的频率幅度的方法，能够突破硬件主频的限制，得到更加精确的测量结果，从而间接提高系统的传输效率。
附图说明
图1为频率自适应电磁耦合无线能量传输系统示框图。
图2为普通PWM测量频率和占空比的原理图。
图3为改进PWM测量频率原理图。
图4为改进PWM测量占空比原理图。
图5为发送端算法流程图。
图6为接收端算法流程图。
图7为磁耦合无线能量传输系统幅频特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，需指出的是，以下若有未特别说明的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
首先，对测量磁耦合线圈谐振点的装置的整体结构进行说明。
加入了频率自适应匹配系统的磁耦合线圈能量信号同传系统如图1所示，其中功率放大电路、阻抗匹配电路及充电电路均不属于本发明范畴，在此不做分析。频率自适应电 路主要包括的模块有：（1）高速电压比较电路（2）DDS模块（直接数字式频率合成器）以及（3）MCU控制模块。由于发射频率和幅度较高，因此电压比较器需要采用高速及高压摆率的运放进行搭建。发送端MCU1主要测量电压比较器输出的PWM波的频率和占空比以及控制DDS模块输出相应信号，由于所测频率和占空比的精准度会直接影响到传输系统的效率，所以需要对普通的PWM测频率和占空比的方法进行改进（以下再作详述）。接收端MCU2仅对调制信号进行解调。
接下来，结合前述理论详细说明本发明的具体技术方案。
校准工作模式：
1.MCU1控制DDS模块进行扫频，其中扫频频宽可以根据具体线圈的参数来定，例如在谐振频率在1MHz以内的线圈可以设置扫频宽度为0-1MHz。
2.电压比较电路实时对发射信号进行采样，将其转化为不同频率及占空比的PWM波，送入MCU1进行处理。
3.MCU1采用输入捕获的功能测量PWM波的频率和占空比，由此可以得到正弦波的频率和占空比，将这些数值记入MCU的RAM中，并根据这些数值获得传输系统幅频特性曲线。
4.MCU1使用抽样式的检测方法对所得的传输系统幅频特性曲线的不光滑处进行处理，排除毛刺的干扰，从而找出若干个正确的谐振峰值点，进而转入正常工作模式。
正常工作模式：
1.MCU1根据RAM中寄存的若干谐振点频率值，进行相应的编码来控制DDS产生相应的频率进行发送数据。
2.RAM中的谐振点频率值进行定时校准，校准时间可以根据实际情况任意改变，通常在移动速度不高的情况下可以设定为1秒。
3.接收端根据发来的调制信号进行相应解调，并使用整流滤波电路进行MCU2的供电。
以下再结合附图对校准工作模式进行举例说明：
参照图5的发送端算法流程图所示，首先需要对发射信号进行采样，即将发射线圈接入快速电压比较器的“+”端，在“-”端接入一个适当的基准电压，则电压比较器的输出为频率与正弦波相等的PWM波，而且其占空比与正弦波的幅度正相关，PWM波送入单片机进行处理，通过单片机定时器的输入捕获功能，快速测量出PWM波的频率和占空比，进而得到所测正弦波的频率和幅度，将得到的正弦波频率和幅度寄存入单片机MCU的RAM中备用。
普通PWM测量频率和占空比的具体原理如图2，在PWM波的上升沿和下降沿分别获取count的值并保存，由count的值和时钟频率CLK可以得到T1和T2的值，则PWM的频率f =1/(T1+T2)，占空比duty=T1/T2 * 100% 。由图2可见，频率和占空比的精度主要受到MCU主频CLK的限制，比如T1的实际时间是5.5个CLK周期，但是所测得的只能是5个或者6个周期（由程序决定），即频率的误差范围是0 ~ f/fCLK。若MCU主频为72MHz，所测频率为1MHz，则误差为13.89KHz，不能满足实际要求。因此，需要对测量方法进行改进。如图3，改进的PWM测量信号频率的方法中，通过测量多个PWM周期，可以有效地降低误差。图中T1仍然有1个CLK周期的误差，但是因为包含了3个PWM周期，每个周期就只有1/3个CLK周期的误差，即测量误差降低为原来的1/3。通过这个方法，可以根据需求自由地调整测量的PWM周期个数n，使误差范围控制在0 ~ f/（n*fCLK）以内。例如MCU主频为72MHz，所测频率为1MHz，若取n的值为14，则误差为0.99KHz，足以满足实际要求。
上述方法可以提高测量频率的精度，但是无法用于占空比的测量。因此适用于对占空比精度要求不高的情况。若对占空比的测量精度要求较高，还要采用下面的方法，如图4，在PWM波的上升沿到来时，计数器并不立即开始计数，而是延时一个时间T1，T1的大小是随机的，范围在0到1个时钟周期之间，服从均匀分布，即T1~U[0,TCLK]。由于进行了随机时延，即使对于同一个PWM波，在下降沿时捕获到的count值也是不确定的。例如图中PWM波高电平实际持续时间为5.7*TCLK,所测的值可能为5*TCLK或者6*TCLK。当0<T1< 0.3*TCLK 测到的值为5*TCLK，当0.3*TCLK <T1< TCLK 测到的值为6*TCLK，由于T1均匀分布，因此0<T1< 0.3*TCLK出现的概率为0.3，0.3*TCLK <T1< TCLK 出现的概率为0.7，两个值出现的概率是固定的，即30%的概率测得5*TCLK，70%的概率测得6*TCLK，因此，其数学期望E=5.7*TCLK,正是实际持续时间的值。由于时延在一个TCLK内，故不会过多影响测量速率。根据以上的原理，只要多次测量同一个PWM波，并将测得的值取平均，便能使所得的值接近实际值。
随后控制DDS扫频，通过上述方法测出并记录每个频率和对应的幅度，测得的曲线如图7所示。由于频率-占空比曲线并不光滑，要找出n个峰值所对应的频率，使用了下面的算法(n=4的情况)：首先找出每两个峰之间的分界点，即每一个下降边沿和上升边沿的拐点。由于曲线不光滑，检测是否下降和上升时可以使用抽样式的检测方法，每两个抽样点之间留有足够的间隔，可以排除毛刺的干扰。找出3个拐点fm1、fm2、fm3之后，将数据分为4部分，第一部分为f_min到fm1，第二部分为fm1到fm2，第三部分为fm2到fm3，第四部分为fm3到f_max。分别找出这4部分中幅度最大的点和对应的频率f1、f2、f3、f4，则这4个频率即为要找的谐振点。得到载波频点后，存入RAM中备用。
正常工作模式举例：
单片机在主进程中不断通过循环检测是否有数据需要发送，当检测到有数据发送时，触发单片机发送数据进程，先查询当前RAM中的载波频率值，对所需要发送的数据进行调制，得到输出的二进制序列，通过串并转化，然后控制DDS模块发送相应频率的信号。
在接收端，需要对信号进行相应的解调，由于发送来的载波频率不断在变化，故需要时时更新载波频点的阈值，在校准时间间隔较短的情况下能够确保解调出正确的频点。如图6接收端算法流程图所示，接收端MCU先进行“开始扫频”指令，得到对应的n个频点后，计算并动态更新频点的阈值。最后返回扫频进程。进行下一轮的数据接收。
本领域技术人员应该理解，本发明所公开的基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法可以在不脱离本发明内容框架的基础上进行各种改进，因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (3)
1.一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，其特征在于，采用改进的测量PWM信号频率和占空比的方法精确得到正弦波信号的频率和幅度参数；采用自适应调整载波频率的方法实时调整DDS模块发射频率；
所述改进的测量PWM信号频率和占空比的方法包括：PWM信号频率的测量时间包含多个PWM周期；对于PWM周期的占空比的测量，在PWM波的上升沿到来时，计数器延时一个时间T1后才开始计数，T1的大小是随机的，范围在0到1个时钟周期之间服从均匀分布；
所述自适应调整载波频率的步骤如下：发送端MCU控制DDS模块进行扫频；电压比较电路实时对DDS模块的发射信号进行采样，并将其转化为PWM波送入MCU进行处理；MCU测量PWM波的频率和占空比，得到正弦波的频率和占空比；根据正弦波的频率和占空比获得传输系统幅频特性曲线；对所得的传输系统幅频特性曲线进行抽样式检测，即在每两个抽样点之间留有频率间隔进行抽样，排除毛刺的干扰，获得正确的谐振点；根据谐振点实时调整DDS模块发射频率。
2.根据权利要求1所述的基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，其特征在于，所述PWM信号频率的测量时间内包含n个PWM周期，存在1个时钟周期的误差，每个PWM周期有1/n个时钟周期的误差，即每个PWM周期的测量误差降低为原来的1/n，其中n的大小根据需求自由调整。
3.根据权利要求1所述的基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，其特征在于，所述计数器延时测量占空比的过程如下：在PWM波的上升沿到来时，计数器并不立即开始计数，而是延时一个服从均匀分布的随机时间，使得对于同一个PWM波，计数器捕获的值不确定，但其数学期望等于实际持续时间的值；多次测量取平均，使所得值接近实际值。
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