CN105158538A - 用于无线传能系统的高速示波器 - Google Patents

Abstract

本发明是一款应用于无线传能技术的高速示波器，由于无线传能过程中高频的电压、电流信号难以检测，接收端与发送端是否达到谐振又与传能效率息息相关，故发明了一种采集高频信号的示波器，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。此示波器体积小，性能好，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，同时更有利于对动态传能系统进行检测与分析，是进一步研究无线传能最大功率传输算法的良好应用平台，是提高无线传能效率的必经之路。

Description

用于无线传能系统的高速示波器

技术领域

无线传能技术目前仍处在起步阶段。从技术上讲，无线传能技术与发射和接收信号技术的差异很小，但在无线通信中传递的是能量中的信息，而无线传能系统则着眼于传输过程中的所有能量。对于无线电通信而言，无线电波的发散问题不一定是件坏事，而对于无线传能系统的最大困难在于传输能量的弥散与不希望出现的吸收与衰减，这毫无疑问会引起传输效率的降低。传输效率与很多因素有关，例如发送线圈与接收线圈的尺寸、发送端的频率与接收端是否达到谐振乃至整个系统是否具有一样的谐振频率和发送的距离长短等等。由于传能过能中高频的电压、电流信号难以检测，接收端与发送端是否达到谐振又与传能效率息息相关，现提出了一款智能示波器，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。高速示波器满足了对MHz数量级高频信号的采集，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，本设计的研究是无线传能技术发展过程中必不可少的应用平台。

背景技术

随着第二次工业革命的到来我们进入了电气化的时代。全球各地的用电设备、高压线、电网、电线等电能的传送主要通过金属的导线直接接触式的传输。这种接触式的传输方式逐渐有很多问题暴露出来，老化、摩擦、能量在传输的过程中经常出现火花，存在用电安全隐患以及影响用电设备的寿命。另外，传统的有线供电方式已经不能满足时代的发展，不再满足一些特殊应用场合的需求，如水中、矿井和深海等。除此之外，植入人体内的医疗产品等的供电也越来越显现出缺陷。这些问题和不足，预示着一个无金属线的无线供电模式的兴起，即无线供电技术。无线供电的成功实现将使人类的生活发生历史性的变化。

早在19世纪中后期，无线电能传输的概念就被著名的特斯拉提出，并获得了专利，为后来无线电能传输技术的发展绘制了美好的蓝图和奠定了一定的研究基础。

随后伴随着电磁波理论的发展，出现了微波、激光式的无线电能传输技术。到目前为止，利用微波传输电能已经可以实现大功率、远距离的功率传输，激光作为一种新型的无线能量传输方式也被用来实现大功率远距离的能量传输。新西兰奥克兰大学在20世纪90年代初开始进行感应耦合方法的研究，在理论原理与工程应用技术都取得了显著成果，实现了国家地热公园载人游览车的无线供电试验系统。但感应式无线电能传输技术对磁路的设计要求比较苛刻，传输距离较低一般为厘米以下，导致该技术在大功率无线能量传输的应用中具有很大的局限性。2007年MIT的科学家利用磁场的谐振方式，通过构建两个半径为30cm的发射和接收谐振器线圈，在1.9m之外成功点亮了60W的灯泡，成功开辟了无线电能传输技术的一个新方向，该方式弥补了感应式非接触无线电能传输技术传输距离短的缺陷，该技术的提出将无线电能传输技术推到一个新的研究高度。

发明内容

本发明是一款应用于无线传能技术的高速示波器，由于无线传能过程中高频的电压、电流信号难以检测，接收端与发送端是否达到谐振又与传能效率息息相关，故发明了一种采集高频信号的示波器，其应用高速AD控制器嵌入FPGA架构，FPGA实现对外接AD控制器的FIFO管理控制和数据缓存。此示波器体积小，性能好，对传能过程的电压、电流以及功率进行实时观测，可将采样到的信号特性发送到上位机，便于远程实时观察与分析，同时更有利于对动态传能系统进行检测与分析，是进一步研究无线传能最大功率传输算法的良好应用平台，是提高无线传能效率的必经之路。

本发明所采用的技术方案是：用于无线传能系统的高速示波器，设置有高速AD转换器AD9288(2)，现场可编程门阵列AlteraEP4CE30(3)，主控制器ARMSTM32(4)，远程无线信号通信装置蓝牙模块(5，6)，USB转TTL模块(7)以及上位机LabVIEW界面(8，9)。

所述的高速AD转换器AD9288(2)是一款双核8位单芯片采样模数转换器(ADC)，内置片内采样保持电路，专门针对低成本、低功耗、小尺寸和易用性进行了优化。AD9288采用100MSPS转换速率工作，在整个工作范围内都具有出色的动态性能。每个通道均可以独立工作。AD9288只需一个3V单电源和一个编码时钟就能充分发挥工作性能。对于大多数应用来说，无需外部基准电压源或驱动器件。在省电模式下，数字输出被置为高阻状态。AD9288采用先进的CMOS工艺制造，提供48引脚表面贴装塑料封装，额定温度范围为-40℃至+85℃工业温度范围。在本发明中，AD9288用于将被测模拟量信号转化为数字量。

所述的现场可编程门阵列AlteraEP4CE30(3)是采用了逻辑单元阵列LCA(logicCellArray)这样一个概念的一款FPGA，内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分，现在的FPGA内部一般还有RAM、PLL、硬件乘法器等硬件电路。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点。在本发明中，AlteraEP4CE30用于将转化后的数字量数据进行处理、分析。

所述的主控制器ARMSTM32(4)是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M内核，在本发明中应用的是增强型系列的STM32，其时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，内置32K到128K的闪存，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。在本发明中，主要用ARMSTM32进行按键处理、液晶屏的上波形与数据显示、数据的无线通信等。

所述的蓝牙模块是FBT06蓝牙(5，6)，其适用于10米内的无线数据传输中，采用RS232/UART接口，串口波特率，可以实现1对1或者1对多的数据传输。本发明中此蓝牙用于示波器与上位机之间的数据传输。

所述的USB转TTL模块(7)是一个电气特性转换模块，蓝牙模块的电平为TTL，而上位机的电平为USB电平，所以在发明中使用了USB转TTL模块。

所述的上位机LabVIEW界面(8，9)，应用的是美国NI公司的LabVIEW制作人机交换界面，接收来自示波器的数据，实现对数据的再次波形复现，并且清晰的显示示波器最初采集到的信号特性。

本发明是专门为无线传能系统研制的智能示波器，其独特的数据无线通信功能，为无线传能系统的研究奠定了技术保障，本发明应用前景广阔，意义非凡。

附图说明

图1是本发明的整体功能框图；

图2是本发明的外形结构图；

图3是本发明的上位机界面；

图4是本发明的硬件连接图；

图5是本发明的整体工作流程图。

具体实施方式

下面结合图2、图3、图4、图5说明本发明的实施例。

如图2所示为无线传能示波器的外形结构图，其一共有5个通道(10，11)，1个开关机选择开关(19)，4个按键(12-15)，2个选择键(16，17)，1个充电接口(18)，1个蓝牙串口通信接口(20)。所有通道中1个通道(11)为波形输出通道，其余4个通道(10)为波形采集通道，所以此发明支持4路信号的同步采集。通道上的取样速率为72MS/s，最大输入电压为±15V峰值；所有按键中，第一个按键为运行/暂停键(12)，可对采集到的波形进行暂停显示，以便清晰的分析波形。第二个按键为菜单键(13)，按下菜单键可显示菜单。第三个按键为参数键(14)，按下参数键可显示测量的参数。第四个按键为选项键(15)，按下选项键可使光标在显示屏(21)各区域间跳转；所有的选择键中，第一个为跳转键(16)，滚动跳转键可对显示屏(21)内的各个选项进行修改，按下跳转键为确定。第二个为移动键(17)，滚动移动键可将光标选定在具体某个参数上；充电接口(18)为5VUSB接口；蓝牙串行通行接口(20)从左到右依次定义为GND、RX、TX、VCC。

如图3所示为上位机LabVIEW界面。此显示界面是由NI公司的LabVIEW编写而成，界面中间为波形显示窗口(22)；左边为控制面板(23)，其中包括串口号选择框，波特率选择框，开始采集框，停止采集框，保存数据框，数据回放框，退出程序框等；右边为参数显示窗口(24)，其中包括信号峰值，有效值，频率以及经过运算后的信号功率值。

如图4所示为示波器与蓝牙，蓝牙与上位机之间的连接示意图。示波器蓝牙接口(20)与蓝牙(5)直接连接，蓝牙(6)与上位机之间使用了USB转TTL模块(7)。

如图5所示为无线传能示波器的软件工作过程。首先将被测信号用示波器表笔接入示波器后，AD9288采样器用于将被测的模拟量信号转化为数字量，一个采样周期内FPGA用于将转化后的数字量数据进行滤波处理、分析，数据被实时的保存在STM32的寄存器中，之后STM32控制示波器显示屏的显示与串口发送数据到上位机同时进行。

Claims (4)

1.高速示波器是基于对无线传能传输的能量特性的检测与显示，解决了无线传能中接收端的信号特性难以检测问题。

2.根据权利要求1所述的高速示波器，从硬件上对普通示波器的主板进行了深入研究，开发了串行通信接口。

3.根据权利要求1所述的高速示波器，从软件上对普通示波器源代码进行了深入学习，添加了数据显示程序，并初始化了串行通讯功能，添加了数据无线通信程序。

4.根据权利要求1所述的高速示波器，同时利用上位机编写LabVIEW图形化语言，制作显示界面以完成对信号数据、信号特性的远程显示。