CN105007249B - 基于2fsk的无线能量和信号同步传输系统及方法 - Google Patents
基于2fsk的无线能量和信号同步传输系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统及方法，系统由原边电路和副边电路构成，其中能量发射电路与所述能量接收电路均为双谐振电路，在所述原边电路中还设置有2FSK调制电路，在所述副边电路中还设置有2FSK解调电路，所述2FSK解调电路包括两个信号拾取回路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路感应耦合，两个信号拾取回路的谐振频率分别与逆变电路输出的高频逆变信号的两个频率对应，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器解调出原边电路所发出的数字信号。其显著效果是：实现无线能量传输与信息同步传输；不需要MCU即可直接输出解调后的数字信号，电路结构更简单、成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及到无线能量信号传输技术领域，具体地说，是一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统及方法。
背景技术
随着无线能量传输技术的发展与完善，无线能量传输技术已被广泛应用于工业生产、人体植入医疗电子、消费电子、电动汽车、水下探测器、智能弹药等领域；特别是基于磁谐振耦合的无线能量传输技术应用前景最为广泛，其传输距离远、效率较高、功率适中、可多负载、位置自由适用性强。
在无线能量传输过程中，很多应用场景均需传输数据，传统的方式是通过单独的无线通信模块(如蓝牙)进行数据的传输，这种方式成本较高、较复杂；也存在部分技术方案是根据信号的不同对能量信号进行幅度调制，通过拾取能量幅度的大小解调出相应的数字信号，虽然能够实现信号传输，但这种调制能量幅度的方式会影响能量传输效率，无线能量传输系统不能够获得持续稳定的功率输出。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统及方法，不仅能够实现无线能量传输的同时实现信息同步传输，并且信息传输不影响无线能量传输的效率和功率，相对于现有的2FSK解调方式结构更简单，降低了系统的设计成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，由原边电路和副边电路构成，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，其关键在于：所述能量发射电路与所述能量接收电路均为双谐振电路，在所述原边电路中还设置有2FSK调制电路，在所述副边电路中还设置有2FSK解调电路，所述2FSK调制电路的输出端与逆变电路的驱动控制端连接，该2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号调制成两个不同频率的信号来驱动所述逆变电路工作，该逆变电路根据驱动信号的频率输出不同频率的高频逆变信号至所述能量发射电路中，该能量发射电路与所述能量接收电路之间利用电磁耦合实现能量无线传输，所述2FSK解调电路包括两个信号拾取回路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路或能量接收电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，在两个信号拾取回路的输出端连接有电压比较器，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器直接解调出原边电路所发出的数字信号。
本发明通过在磁场耦合式无线电能传输系统的基础上增设2FSK调制电路与2FSK解调电路，将数字控制信号调制后对能量信号的频率进行控制，然后将拾取的能量信号解调成发出的数字信号，从而实现了将数字控制信号通过无线电能传输系统进行传输，在相对隔离的原边电路与副边电路中，不用增设其他独立的无线通信模块即可实现数字信号的无线传输，为磁场耦合式无线电能传输系统提供了可靠的通信通道，实现无线能量传输的同时实现了信息同步传输。本发明相对于传统的采用独立的通信模块如蓝牙，此种方式更为简单、成本低；相对于采用调幅方式的方案会使用无线能量传输系统不能够获得持续、稳定的功率输出，不会影响无线能量传输的效率和功率；不需要MCU参与即可直接输出解调后的数字信号。
进一步的技术方案是，所述能量发射电路包括电感L1与发射线圈L2，所述电感L1的一端与所述逆变电路的一个输出端相连，电感L1的另一端串接电容C1和发射线圈L2后接所述逆变电路的另一输出端，在所述发射线圈L2上并联有电容C2；
所述能量接收电路包括接收线圈L3，该接收线圈L3与所述发射线圈L2谐振耦合，所述接收线圈L3的一端串接电容C4与电感L4后接入所述能量转换电路的一个输入端，该接收线圈L3的另一端接所述能量转换电路的另一输入端，在所述接收线圈L3上还并联有电容C3。
作为更进一步的技术方案，所述2FSK解调电路中的一个信号拾取回路包括线圈L5、电容C5、二极管D1和采样电阻R1，线圈L5与电容C5组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的一个谐振点相同，线圈L5通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D1和采样电阻R1传输到电压比较器U1的同相输入端；
所述2FSK解调电路中的另一信号拾取回路包括线圈L6、电容C6、二极管D2和采样电阻R2，线圈L6与电容C6也组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的另一谐振点相同，线圈L6通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D2和采样电阻R2传输到电压比较器U1的反相输入端。
作为另一种实现方式，所述2FSK解调电路中的一个信号拾取回路包括线圈L5、电容C5、二极管D1和采样电阻R1，线圈L5与电容C5组成并联谐振回路，其谐振频率与能量接收电路的一个谐振点相同，线圈L5通过电磁耦合从能量接收电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D1和采样电阻R1传输到电压比较器U1的同相输入端；
所述2FSK解调电路中的另一信号拾取回路包括线圈L6、电容C6、二极管D2和采样电阻R2，线圈L6与电容C6也组成并联谐振回路，其谐振频率与能量接收电路的另一谐振点相同，线圈L6通过电磁耦合从能量接收电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D2和采样电阻R2传输到电压比较器U1的反相输入端。
采用上述电路进行2FSK解调，方式更简单、成本更低，不需要MCU参与即可直接输出解调后的数字信号；且解调速度极快，理论上比较器的延迟就是2FSK解调的延迟。
为了使得电压比较器获得信号更准确，因此在两个采样电阻上均并联有滤波电容，具体为：在所述采样电阻R1上并联有电容C7，在所述采样电阻R2上并联有电容C8。
结合上述基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统的电路结构，本发明还提供了一种该系统的传输方法，按照以下步骤进行：
步骤1：搭建原边电路和副边电路，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，能量发射电路和能量接收电路采用双谐振电路；
步骤2：搭建2FSK调制电路，通过2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号调制成两个不同频率的驱动信号去控制逆变电路工作，所选择的两个频率为能量发射电路或能量接收电路的两个谐振频率；
步骤3：所述逆变电路根据驱动信号的频率输出相应频率的高频逆变信号至所述能量发射电路，利用能量发射电路和能量接收电路之间的电磁耦合实现无线能量传输；
步骤4：在副边电路中搭建具有两个信号拾取回路的2FSK解调电路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路或能量接收电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器解调出原边电路所发出的数字信号。
本发明的显著效果是：
1、实现无线能量传输的同时实现了信息同步传输，相对于传统的采用独立的通信模块如蓝牙，此种方式更为简单、成本低；相对于采用调幅方式的方案使用无线能量传输系统不能够获得持续、稳定的功率输出，不会影响无线能量传输的效率和功率；
2、2FSK解调方式更简单、成本更低，不需要MCU参与即可直接输出解调后的数字信号；且解调速度极快，理论上比较器的延迟就是2FSK解调的延迟。
附图说明
图1是本发明的系统原理框图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是2FSK调制与解调各阶段波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，由原边电路和副边电路构成，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，所述能量发射电路与所述能量接收电路均为双谐振电路，在所述原边电路中还设置有2FSK调制电路，在所述副边电路中还设置有2FSK解调电路，所述2FSK调制电路的输出端与逆变电路的驱动控制端连接，该2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号调制成两个不同频率的信号来驱动所述逆变电路工作，该逆变电路根据驱动信号的频率输出不同频率的高频逆变信号至所述能量发射电路中，该能量发射电路与所述能量接收电路之间利用电磁耦合实现能量无线传输，所述2FSK解调电路包括两个信号拾取回路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，在两个信号拾取回路的输出端连接有电压比较器，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器直接解调出原边电路所发出的数字信号。
作为一种实施方式，本发明的等效电路图如图2所示，其中信号源S1代表所述逆变电路输出的能量信号，RL代表能量转换电路的等效电阻。
从图2可以看出，所述能量发射电路包括电感L1与发射线圈L2，所述电感L1的一端与所述逆变电路的一个输出端相连，电感L1的另一端串接电容C1和发射线圈L2后接所述逆变电路的另一输出端，在所述发射线圈L2上并联有电容C2；
所述能量接收电路包括接收线圈L3，该接收线圈L3与所述发射线圈L2谐振耦合，所述接收线圈L3的一端串接电容C4与电感L4后接入所述能量转换电路的一个输入端，该接收线圈L3的另一端接所述能量转换电路的另一输入端，在所述接收线圈L3上还并联有电容C3。
从图2中还可以看出，所述2FSK解调电路中的一个信号拾取回路包括线圈L5、电容C5、二极管D1和采样电阻R1，线圈L5的一端经二极管D1连接电压比较器U1的同相输入端，线圈L5的另一端串接采样电阻R1后连接电压比较器U1的同相输入端，线圈L5上还并联有电容C5；
线圈L5与电容C5组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的一个谐振点相同，线圈L5通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D1和采样电阻R1传输到电压比较器U1的同相输入端；
所述2FSK解调电路中的另一信号拾取回路包括线圈L6、电容C6、二极管D2和采样电阻R2，线圈L6的一端经二极管D2连接电压比较器U1的反相输入端，线圈L6的另一端串接采样电阻R2后连接电压比较器U1的反相输入端，线圈L6上还并联有电容C6；
线圈L6与电容C6也组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的另一谐振点相同，线圈L6通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D2和采样电阻R2传输到电压比较器U1的反相输入端。
作为优选，在所述采样电阻R1上并联有电容C7，在所述采样电阻R2上并联有电容C8。
结合上述的基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统的电路结构，本实施例还提出了基于该系统的传输方法，步骤如下：
步骤1：搭建原边电路和副边电路，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，能量发射电路和能量接收电路采用双谐振电路；
步骤2：搭建2FSK调制电路，通过2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号S0调制成两个不同频率的驱动信号S1去控制逆变电路工作，所选择的两个频率为能量发射电路或能量接收电路的两个谐振频率；
步骤3：所述逆变电路根据驱动信号S1的频率输出相应频率的高频逆变信号至所述能量发射电路，利用能量发射电路和能量接收电路之间的电磁耦合实现无线能量传输；
步骤4：在副边电路中搭建具有两个信号拾取回路的2FSK解调电路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器解调出原边电路所发出的数字信号S2。
本发明采用磁场耦合式无线电能传输系统进行能量的传输，即发射线圈L2与接收线圈L3之间磁耦合进行能量传输，数字信号的传输利用两个谐振频率不同的信息拾取回路，当信号为某一个频率进行传输时一个谐振而另一个不谐振导致两者拾取的电压不同，再用电压比较器U1比较两电压即可解调出标准的数字信号，具体为：
线圈L5与线圈L6相同但并联的电容C5和C6不同，导致两个信号拾取回路的谐振频率也不同，谐振频率分别为f1和f2。由于相同线圈在谐振与不谐振时电压不同，谐振的电压要大于不谐振的电压，所以当接收到的信号频率为f1时L5谐振而L6不谐振，L5接收到的信号幅度大于L6的信号幅度，正弦信号通过后面的二极管整流后再用电压比较器U1比较即可输出高电平数字信号；同样，当接收到的信号频率为f2时L5不谐振而L6谐振，L5接收到的信号幅度小于L6的信号幅度，正弦信号通过后面的二极管整流后再用电压比较器U1比较即可输出低电平数字信号。
图3即为2FSK调制与解调各阶段波形示意图，其中S0为传输的数字信号，S1为2FSK调制后的信号，V1和V2分别为接收端谐振线圈L5和谐振线圈L6两端的电压信号，而S2即为电压比较器U1输出信号。可以看出，当V1>V2时，电压比较器U1输出高电平信号，当V1<V2时，电压比较器U1输出低电平信号，通过对比可以得知S2＝S0，电压比较器U1输出的信号S2即为原边电路所发出的数字信号。
Claims (6)
1.一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，由原边电路和副边电路构成，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，其特征在于：所述能量发射电路与所述能量接收电路均为双谐振电路，在所述原边电路中还设置有2FSK调制电路，在所述副边电路中还设置有2FSK解调电路，所述2FSK调制电路的输出端与逆变电路的驱动控制端连接，该2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号调制成两个不同频率的信号来驱动所述逆变电路工作，该逆变电路根据驱动信号的频率输出不同频率的高频逆变信号至所述能量发射电路中，该能量发射电路与所述能量接收电路之间利用电磁耦合实现能量无线传输，所述2FSK解调电路包括两个信号拾取回路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路感应耦合，或所述两个信号拾取回路分别与能量接收电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，在两个信号拾取回路的输出端连接有电压比较器，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器直接解调出原边电路所发出的数字信号。
2.根据权利要求1所述的基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，其特征在于：所述能量发射电路包括电感L1与发射线圈L2，所述电感L1的一端与所述逆变电路的一个输出端相连，电感L1的另一端串接电容C1和发射线圈L2后接所述逆变电路的另一输出端，在所述发射线圈L2上并联有电容C2；
所述能量接收电路包括接收线圈L3，该接收线圈L3与所述发射线圈L2谐振耦合，所述接收线圈L3的一端串接电容C4与电感L4后接入所述能量转换电路的一个输入端，该接收线圈L3的另一端接所述能量转换电路的另一输入端，在所述接收线圈L3上还并联有电容C3。
3.根据权利要求1或2所述的基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，其特征在于：所述2FSK解调电路中的一个信号拾取回路包括线圈L5、电容C5、二极管D1和采样电阻R1，线圈L5与电容C5组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的一个谐振点相同，线圈L5通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D1和采样电阻R1传输到电压比较器U1的同相输入端；
所述2FSK解调电路中的另一信号拾取回路包括线圈L6、电容C6、二极管D2和采样电阻R2，线圈L6与电容C6也组成并联谐振回路，其谐振频率与能量发射电路的另一谐振点相同，线圈L6通过电磁耦合从能量发射电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D2和采样电阻R2传输到电压比较器U1的反相输入端。
4.根据权利要求1或2所述的基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，其特征在于：所述2FSK解调电路中的一个信号拾取回路包括线圈L5、电容C5、二极管D1和采样电阻R1，线圈L5与电容C5组成并联谐振回路，其谐振频率与能量接收电路的一个谐振点相同，线圈L5通过电磁耦合从能量接收电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D1和采样电阻R1传输到电压比较器U1的同相输入端；
所述2FSK解调电路中的另一信号拾取回路包括线圈L6、电容C6、二极管D2和采样电阻R2，线圈L6与电容C6也组成并联谐振回路，其谐振频率与能量接收电路的另一谐振点相同，线圈L6通过电磁耦合从能量接收电路中拾取能量，拾取的能量经过二极管D2和采样电阻R2传输到电压比较器U1的反相输入端。
5.根据权利要求4所述的基于2FSK的无线能量和信号同步传输系统，其特征在于：在所述采样电阻R1上并联有电容C7，在所述采样电阻R2上并联有电容C8。
6.一种基于2FSK的无线能量和信号同步传输方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：搭建原边电路和副边电路，所述原边电路包括电源电路、逆变电路和能量发射电路，所述副边电路包括能量接收电路、能量转换电路以及负载，能量发射电路和能量接收电路采用双谐振电路；
步骤2：搭建2FSK调制电路，通过2FSK调制电路将原边电路需发出的数字信号调制成两个不同频率的驱动信号去控制逆变电路工作，所选择的两个频率为能量发射电路或能量接收电路的两个谐振频率；
步骤3：所述逆变电路根据驱动信号的频率输出相应频率的高频逆变信号至所述能量发射电路，利用能量发射电路和能量接收电路之间的电磁耦合实现无线能量传输；
步骤4：在副边电路中搭建具有两个信号拾取回路的2FSK解调电路，所述两个信号拾取回路分别与能量发射电路感应耦合，或所述两个信号拾取回路分别与能量接收电路感应耦合，其中一个信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的一个高频逆变信号频率相同，另一信号拾取回路的谐振频率与逆变电路输出的另一高频逆变信号的频率相同，两个信号拾取回路输出的信号经过电压比较器解调出原边电路所发出的数字信号。
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