CN106300576A - 用于无线充电系统的双向通信解调 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于无线充电系统的双向通信解调。一种用于对已将二进制数据调制于其上的无线功率信号进行解调的系统和方法，包括使用模拟电路对无线功率信号进行处理，以根据所使用的解调的类型产生修改的功率信号，周期性地捕获修改的功率信号的数字采样以生成数字采样的系列，使用MCU将至少两种数字滤波算法应用到数字采样的系列以确定与调制关联的转换，并使用该MCU根据确定的转换恢复二进制数据。该解调器适用于能双向功率传送的装置，并包括在微小修改或没有修改的情况下可以类似地应用于ASK和FSK解调两者的算法。

Description

用于无线充电系统的双向通信解调
技术领域
本发明一般涉及无线充电系统，以及更具体地，涉及在无线充电系统内解调通信的方法。
背景技术
随着数量不断增长的人投入使用不断增长的数量和种类的移动电话、平板电脑、相机、手持游戏控制台、插电式混合动力以及纯电动车辆、电驱动无人机和其它飞机以及相关产品，如今已遍及世界大部分地区广泛使用的移动电子产品可能会看到普及率的进一步增加。
通过需要每隔一定间隔再充电的电池或类似的能量存储装置对大部分这些产品进行供电。现有无线再充电系统相对于需要将移动产品插入到具有电源线的电气插口中的较传统的系统提供了潜在优势(例如更方便)。然而，无线充电系统可以从与成本和尺寸减少有关的附加改进中受益。而且，无线充电系统的最近改进允许一些装置用作为功率发送器和功率接收器两者，允许装置之间的充电共享。因此，还可以成本效益好地支持用作为充电源和充电沉(sink)两者的无线充电系统的小型实现方式是合乎需要的。
附图说明
本发明以示例的方式进行说明，以及并不限于所附的附图，其中类似的参考标记指示类似的元件。图中的元件是为了简化和清楚性而示出，以及并不需要按尺寸绘制。例如，层和区域的厚度出于清楚性目的可能被放大。
图1是说明根据本发明的一个实施例的无线功率传输系统的示意框图；
图2A和2B是分别说明(a)用于幅移键控(ASK)的解调器电路和(b)用于频移键控(FSK)的解调器电路的示意电路图；
图3是说明图1的功率传输系统的功率发送器的示意框图；
图4是用于校准脉冲宽度调制器以周期性对无线功率信号进行采样的过程的顶级流程图；
图5是根据本发明的一个实施例的滤波算法的顶级流程图；
图6是示出数据时钟、数字数据以及双相编码数据之间的关系的时序图；
图7是根据本发明的一个实施例的解调步骤的顶级流程图；
图8是示出图1的功率传输系统的功率接收器的示意框图；以及
图9是用于根据本发明的一个实施例的图1的功率传输系统的模拟功率信号缩放和整形电路的示意电路图。
具体实施方式
这里公开了本发明的详细说明性实施例。然而，这里公开的特定结构和功能细节仅是代表性的为了描述本发明的示例性实施例。本发明可以以许多替换形式实现，并且不应当理解为仅限于这里给出的实施例。此外，这里使用的术语仅是为了描述特定的实施例，而不是意图限制本发明的示例性实施例。
如这里所使用的，单数形式“一(a，an)”和“该(the)”也意图包括复数形式，除非上下文明确给出相反的指示。还应当理解，术语“包含”和/或“包括”指示存在所述及的特征、步骤或者组件，但是并不排除存在或者附加一个或多个其他特征、步骤或者组件。还应当注意的是，在一些替代实现中，所述及的功能/动作可以不以附图中表述的顺序出现。例如，连续出现的两张图实际上可能大体上同时地执行，或者可能有时以相反的顺序执行，取决于所涉及的功能/动作。
在一个实施例中，本发明是一种在包括功率发送器和功率接收器的无线充电系统中实现的方法，其中功率发送器中的初级线圈将功率信号无线发送到功率接收器中的次级线圈，其中功率发送器和功率接收器中的一个用于恢复使用双相数字编码方案调制到功率信号上的二进制数据，该方法包括：(a)使用模拟电路处理与无线充电系统的第一线圈中的电压相对应的模拟信号，以产生处理的模拟信号，其中第一线圈是初级线圈和次级线圈中的一个，(b)对处理的模拟信号进行采样以产生数字采样序列，(c)通过对数字采样序列应用两个或更多个不同的转换检测滤波器，在数字采样序列中检测与双相数字编码方案相关联的转换，以及(d)解码检测的转换以恢复二进制数据。
在一个实施例中，本发明是一种在包括功率发送器和功率接收器的无线充电系统中实现的方法，其中功率发送器中的初级线圈将功率信号无线发送到功率接收器中的次级线圈，其中功率发送器和功率接收器中的一个用于恢复使用双相数字编码方案调制到功率信号上的二进制数据，该方法包括：(a)使用模拟电路处理与无线充电系统的第一线圈中的电压相对应的模拟数据，以产生处理的模拟信号，其中第一线圈是初级线圈和次级线圈中的一个，(b)对处理的模拟信号进行采样以产生数字采样序列，(c)通过对数字采样序列应用两个或更多个不同的转换检测滤波器，检测数字采样序列中与双相数字编码方案关相联的转换，以及(d)解码检测的转换以恢复二进制数据，其中(c)和(d)在无线充电系统中的节点的微控制器单元(MCU)中实现，该节点可运行在功率发送器模式或功率接收器模式，其中当该节点运行在功率发送器模式时，(i)该功率信号是ASK调制的功率信号且(ii)该MCU实现(c)和(d)以从ASK调制的功率信号恢复二进制数据，以及，当该节点运行在功率接收器模式时，(i)该功率信号是FSK调制的功率信号，且(ii)MCU实现(c)和(d)以从FSK调制的功率信号恢复出二进制数据。
在一个实施例中，本发明是包括功率发送器和功率接收器的无线充电系统中的功率发送器，其中功率发送器中的初级线圈将功率信号无线发送到功率接收器中的次级线圈，其中功率发送器和功率接收器中的一个用于恢复使用双相数字编码方案调制到功率信号上的二进制数据，该方法包括：(a)使用模拟电路处理与无线充电系统的第一线圈中的电压相对应的模拟信号，以产生处理的模拟信号，其中第一线圈是初级线圈和次级线圈中的一个，(b)对处理的模拟信号进行采样以产生数字采样序列，(c)通过对数字采样序列应用两个或更多个不同的转换检测滤波器，检测数字采样序列中与双相数字编码方案相关联的转换，以及(d)解码检测的转换以恢复二进制数据。
在一个实施例中，本发明是包括功率发送器和功率接收器的无线充电系统中的功率接收器，其中功率发送器中的初级线圈将功率信号无线发送到功率接收器中的次级线圈，其中功率发送器和功率接收器中的一个用于恢复使用双相数字编码方案调制到功率信号上的二进制数据，该方法包括：(a)使用模拟电路处理与无线充电系统的第一线圈中的电压相对应的模拟数据，以产生处理的模拟信号，其中第一线圈是初级线圈和次级线圈中的一个，(b)对处理的模拟信号进行采样以产生数字采样序列，(c)通过对数字采样序列应用两个或更多个不同的转换检测滤波器，检测数字采样序列中与双相数字编码方案相关联的转换，以及(d)解码检测的转换以恢复二进制数据。
无线电源协会(WPC)是最大的无线充电团体之一，其已经开发了称为Qi的无线充电标准。Qi标准定义了将要用于低功率无线装置充电的感应功率耦合的类型以及控制通信协议。Qi标准创建了功率发送器和功率接收器之间的互操作性。Qi标准的更多细节可以在“System Description Qi Wireless PowerTransfer，Volume II：Medium Power”版本0.9，无线电源协会，2015年1月(此处，称之以“Qi标准”)中获得，通过引用将其全部内容并入于此。
Qi标准使用线圈到线圈的耦合接口用于从发送器中的初级线圈将功率传送到接收器中的次级线圈。
Qi标准的一个关键特征是促进提供功率传送的相同线圈到线圈接口上的通信信令控制。
当前，符合Qi的无线装置使用幅移键控(ASK)调制以方便从功率接收器到功率发送器的单向控制通信。在物理层级上，使用负载调制进行从功率接收器到功率发送器的控制通信。这意味着功率接收器将从功率发送器抽取的功率量在两个离散级别之间进行切换(注意这些级别不是固定的，而是依赖于所传送的功率量)。实际的负载调制方法作为功率接收器的一种设计选择。电阻式和电容式方案都是可能的。负载调制ASK方法被称为反向散射(backscatter)ASK调制。
最近，WPC Qi组已经致力于中功率标准，其另外使用频移键控(FSK)调制促进从功率发送器到功率接收器的单向控制通信。
在物理层级上，使用FSK调制完成从功率发送器到功率接收器的通信。这意味着功率发送器在两个离散频率(注意，这些频率并不是固定的，而是依赖于发送消息时的工作频率)之间改变其向功率接收器提供功率的频率。
在任一情况下，在逻辑层级上，通信协议利用包含将要发送的相关数据的短消息序列。这些消息包含在分组中，分组被以简单串行数字成帧格式发送，所述格式包含前缀码(preamble)。
可以同时执行ASK和FSK调制两者来实现功率发送器和接收器之间的双向通信；然而，在很多情况下，由于接收器和发送器之间的通信的发送和响应特性，ASK和FSK被交替地使用。
图1是示出根据本发明的一个实施例的无线功率传输系统100的示意框图。
无线功率传输系统100包括功率发送器105以及功率接收器110。功率发送器105和功率接收器110经由线圈到线圈接口162感应耦合，线圈到线圈接口162包括发送器/初级线圈165和接收器/次级线圈170。
实际上，发送器线圈165和接收器线圈170分别被物理地放置在功率发送器105和功率接收器170的外壳内。例如，功率发送器105可以处于为在桌面上放置而设计的充电垫盘设备内部，而功率接收器110可以嵌入在智能电话或平板电脑内。在操作中，容纳线圈165/170的装置被彼此相邻放置，并被设置使得发送器线圈165和接收器线圈170通常非常靠近且被排列/定向以使装置之间的功率和通信信号传输最大化。
线圈到线圈接口162将频率和幅度调制的复合信号从接收器110携载到发送器105，其中在图1中复合信号由以下来表示：功率信号185，表示从发送器105传送到接收器110的功率；FSK信号175，表示从发送器105通信到接收器110的数据；以及ASK信号180，表示从接收器110发送到发送器105的数据。该复合信号是基于FSK信号175对功率信号185的频率进行调制以及基于ASK信号180使用反向散射调制来对功率信号185的幅度进行调制的结果。应理解：(i)在功率发送器105和功率接收器110之间不存在欧姆电连接，以及(ii)图1中表示FSK信号175、ASK信号180以及功率信号185的箭头仅仅被提供用于便于说明这些无线信号的起始点和终点，这些无线信号都通过线圈到线圈接口162无线传送。
功率发送器105包括发送器控制电路115，其控制功率逆变器电路120和FSK调制器电路125。功率发送器105还包括功率信号缩放电路130和ASK解调器电路135。
功率接收器110包括功率整流器电路150、控制电路140和ASK调制器电路145。功率整流器电路150向控制电路140提供整流的电压，控制电路又控制ASK调制器电路145。功率接收器110还包括功率信号缩放和整形电路155以及FSK解调器电路160。
功率发送器105典型地在固定位置处被插入到电气插口中，并包括(内部或外部)AC到DC转换器/整流器(未示出)，其从AC插口提供用于功率发送器105的操作的内部DC电源。替代地或附加地，功率发送器105可以包括诸如大容量电池的内部DC电压源。不论哪种情况，功率逆变器120用于在功率发送器控制电路115的控制下，将DC源转变为所适宜频率的AC，以用于跨线圈到线圈接口162发送。
功率接收器110包括功率整流器150，其接收经由线圈到线圈接口162发送的功率信号185并将接收的AC电压转换回DC，以用于在功率接收器电路110中使用以及为负载(未示出)(诸如，蜂窝/智能电话或平板电脑中的电池)供电。
功率发送器105还包括FSK调制器125，其从控制电路115接收状态/控制数据，使用FSK调制对数据进行调制，并通过基于FSK信号175调制功率信号185的频率，而将FSK信号175与功率信号185结合地跨线圈到线圈接口162发送。
功率接收器110内的功率信号缩放和整形电路155对来自次级线圈170的FSK信号175进行提取、缩放和整形，并将恢复的FSK信号传递到FSK解调器电路160，FSK解调器电路160对恢复的FSK信号进行解调并将解调的数据传递到功率接收器控制电路140。
在功率接收器110内，控制电路140将接收器状态/控制信息发送到ASK调制器电路145，在这里接收器状态/控制信息经由功率信号185的ASK调制(示出为ASK信号180)被发送到功率信号缩放电路130，功率信号缩放电路130对来自初级线圈165的ASK信号180进行提取和缩放并将恢复的ASK信号传递到ASK解调器电路135，ASK解调器电路135对恢复的ASK信号进行解调并将解调的数据传递到功率发送器105的控制电路115。
幅移键控是相对简单的调制方案。在ASK调制中，功率信号载波的频率和相位保持恒定，而幅度是变化的。信息位(bit)通过功率信号载波的幅度变化进行通信。有时ASK也被称为2ASK，这是因为调制信号可以仅采用两个逻辑电平：0或1。
功率接收器110使用反向散射ASK调制与功率发送器105通信。出于该目的，功率接收器110(以及更具体地，ASK调制器电路145)将从接收的功率信号中提取的功率量在表示逻辑1和逻辑0的两个电平之间进行调制。功率发送器105中的ASK解调器电路135检测作为通过初级线圈165的电流和/或跨初级线圈165的电压的调制的ASK信号180。
功率发送器105使用FSK调制与功率接收器110进行通信。出于该目的，功率发送器105中的FSK调制器电路125对功率信号185的频率进行调制，并且通过接收器110中的FSK解调器电路160检测该频率的变化。
图2A和2B是示意电路图，其分别示出：a)如在现有技术的功率发送器中可能发现的ASK解调器电路200A，和b)如在现有技术的功率接收器中可能发现的FSK解调器电路200B。
在成本敏感的无线充电系统的背景下，所利用的许多的分立组件(包括逻辑门和运算放大器)尤其代表了这些电路的昂贵的实现方式。
图2A的ASK解调器电路200A包括次级线圈输入和输出抽头210、电压缩减电路220、整流和DC滤波器电路230、低通滤波器电路240、电平比较器电路250、分压器252以及通信输出255。
结合微控制器使用ASK解调器电路200A的ASK解调操作的细节可在Freescale Semiconductor的应用说明(Application Note)AN4701“DemodulatingCommunication Signals of a Qi-Compliant Low-Power Wireless Charger UsingMC56F8006 DSC，”Rev.0，03/2013(此处的“AF4701”)中得到，通过引用将其全部内容并入于此。
图2B的FSK解调器电路200B包括第一整形电路265、脉冲触发器电路270、二阶带通滤波器275、第二整形电路280以及时钟同步器电路285。
在操作中，第一整形电路265从与功率接收器(未示出)的接收线圈(未示出)相关联的缩减电路(未示出)接收FSK调制的输入260。第一整形电路265通过有效地将正弦波的低和高摆幅(excursion)箝位或限制到特定限制，将缩放的正弦波FSK调制的输入260整形为矩形波信号，由此变为方形去除波峰和波谷。
随后脉冲触发器电路270输出与从第一整形电路265输出的矩形波信号的每个上升沿和每个下降沿相关联的脉冲，产生追踪原始FSK调制的输入260的频率调制的脉冲序列。随后将该变频脉冲序列馈送到二阶带通滤波器275中，在这里与调制的逻辑1相关联的较高频率以比与调制的逻辑0相关联的较低频率多的幅度通过。通过第二整形电路280将带通滤波器275的输出阈值处理(thresholded)为二进制信号，其随后与系统时钟进行同步以恢复原始数字数据的准确表示。尽管该电路是某种程度上有效的，但由于噪声和边缘调制，该电路遭受基于恢复的信号中的毛刺的位的错误否定(false negative)和错误肯定(false positive)检测的影响。
图3是示出包括ASK信号180的恢复和解调的图1的功率发送器105中的操作的示意框图。尤其是，图3示出了初级线圈165、功率信号缩放电路130、功率逆变器120以及微控制器单元(MCU)320，该单元实现图1的控制器115以及ASK解调器135。
MCU 320包括模数转换器(ADC)330、控制器335、多通道脉冲宽度调制器(PWM)337以及存储器340，连同计时器、通用IO、若干UART以及其它支持功能和外部设备(未示出)。
在操作中，控制器335指示PWM 337输出信号345，信号345控制功率逆变器120的操作以实现：将功率逆变器120的DC输入转换为方波功率输出350，当被驱动通过初级线圈165的有效电感时，产生正弦功率信号。根据Qi标准，功率输出350具有大约100kHz到205kHz的频率。初级线圈165将无线信号352发射到图1的功率接收器110的次级线圈170。注意，尽管技术上ASK解调过程中并不涉及功率逆变器120，但是该功率逆变器负责产生功率输出350，导致由接收器110的次级线圈170接收的无线信号352，最终对无线信号352施加ASK调制。因此在解调的背景下描述功率逆变器120的操作是有指导意义的。
可以采用许多不同的功率逆变器电路来实现功率逆变器120。在FreescaleSemiconductor的应用说明AN4705“Low-Power Wireless Charger TransmitterDesign Using MC56F8006 DSC”Rev.0，03/2013(此处称为“AN4705”)的3.1节中描述了一种实现方式，通过引用将其全部内容并入于此。
此外，描述PWM337在(a)经由功率逆变器120产生功率信号350以及(b)在解调期间对调制的功率信号360进行采样两者中所起的作用有助于理解根据本发明的该实施例的PWM 337的双重功用。
功率接收器110使用符合Qi标准的反向散射ASK调制来调制无线信号352。反向散射ASK调制通过在次级线圈170中提取电流改变发送的初级线圈165中的正弦波的幅度，由此根据Qi标准中调用的双相数字编码方案将数据编码到无线信号352上。
双相编码是编码逻辑1和0的方法，其中逻辑0通过在位周期中间没有转换来表征，而逻辑1通过在位周期的中间附近的低到高转换或由高到低转换来表征。数字反向散射ASK调制的位率(bit rate)是2kbps+/-4％。在AN4701中可以找到ASK编码方案的更多细节。
在功率接收器110中执行的反向散射ASK调制导致初级线圈165中的电压信号的幅度中高值和低值之间的不小于250mV的偏差。
通过功率信号缩放电路130经由输入355接收初级线圈165中的电压信号，在这里将电压信号缩减到MCU 320的ADC 330可接受的标度(例如，0到5伏)内的范围中的电压。ADC 330接收代表初级线圈电压信号的缩减的电压信号360，其携载ASK调制。由PWM 337的输出365(例如，同步的输出)控制ADC 330的采样。校准PWM 337以周期性地在功率信号的每个周期在其峰值处或非常接近其峰值地对缩减的初级线圈电压信号进行采样。周期采样频率可以被锁定为初级线圈功率信号的频率(例如，107kHz)。
在一些实施例中，例如，对于高频初级线圈功率信号，为使得能够使用较慢的ADC，PWM 337可以被编程为每n个功率信号的周期(例如，n＝2，3，4，...)对功率信号的峰值进行采样。
ADC 330的输出被控制器335捕获并被由控制器335执行的一个或多个滤波算法进行处理，以确定与根据双相编码方案的逻辑1或0的发送对应的信号中的转换何时最可能出现。控制器335与存储器340通信以存储和重新获取与滤波算法相关联的中间值以及与来自接收器110的ASK调制的数据信号180相关联的最终解码位值两者。
图4是用于校准图3的PWM 337以使能ADC 330使用触发点扫描策略周期性地基本上在其峰值处对缩放的电压信号360(在此也被称为功率信号360)进行采样的校准过程400的顶层级流程图。该过程在步骤410开始，由与正弦功率信号循环或周期的起始相对应的开始信号触发。该开始信号可以是PWM输出信号345的分量，其对应于对用来实现功率逆变器120的全桥式逆变器的四条腿(leg)中的一个的控制(更多细节请参见AN4705)。在替代实施例中，开始信号可以是与功率信号的循环定时相关联的其它信号(例如，与功率信号相关联的由低到高过零检测器的输出)。
在步骤420中，控制器335在存储器340中：(i)将Peak_Value(峰_值)变量和Peak_Time(峰值_时间)变量初始化为0以及(ii)将Test_Time(测试_时间)变量初始化为-TimeStep(时间步长)，使得当Test_Time之后在步骤430中首次递增时，Test_Time将相对于后继的功率信号循环的开始等于时间0。
在步骤430中，ADC 330采样功率信号360，以及控制器335(i)将采样在存储器340中存储为Test_Value(测试_值)变量以及(ii)以TimeStep值与全循环延迟(Period(周期)，即一个完整的功率信号循环的持续时间)之和来递增Test_Time变量。TimeStep值是被设置为与时间增量对应的常量，该时间增量典型地等于大约功率信号周期的1/10(1/10th)或1/20(1/20th)，使得能够对功率信号360进行足够高分辨率的采样。
注意，如由将常量值Period加到Test_Time值所指示的，每个后续的采样是在一个完整的功率信号循环加上TimeStep的递增以后的时刻执行的。以该方式这样做是为了避免需要使用非常快的ADC来确定功率信号的峰值出现的时间。不是在单个循环上以TimeStep逐步执行，而是ADC 330以TimeStep更深入到每个相继的循环中地对功率信号360采样。假设功率信号360上有低的抖动，该技术实现了与在单个循环内采样多次相同的结果，但允许使用慢得多的ADC的操作。特别地，在校准期间，ADC采样率将比ADC 330的正常操作频率稍低。
注意，在一些实施例中，可以减去而不是加上TimeStep，使得每个后续的采样可以在一个完整周期减去一个TimeStep以后的时刻执行，由此采样频率可比功率信号频率稍高。
在步骤440中，执行测试以查看Test_Value是否大于Peak_Value。如果不大于，则过程继续进行到步骤460，这将在下面进一步描述。
如果如由步骤440的测试所确定的，Test_Value大于Peak_Value，则在步骤450中，使用较大值Test_Value来更新Peak_Value，并且使用Test_Time的值来更新Peak_Time。
在步骤460中，执行测试以查看校准过程是否完成。特别地，通过将Test_Time与特定Calib_Period(校准_周期)值相比较来执行测试以确定是否达到校准周期的末尾。例如，Calib_Period可以是用于系统的常量，被设置为功率信号360的循环时间的P倍，其中P是循环被划分成的TimeStep持续时间采样的数量。如果TimeStep值被设置为功率信号周期的1/10，则P＝10，以及以Qi标准为例，Calib_Period可以被设置为1/107kHz或9.3微秒(usec)×10＝93微秒。在这种情况下，将对于功率信号360的10个周期执行测试。替代地，可以将实际采样限制到仅仅功率信号循环的正相位，以减少在其中已知不出现峰值的功率信号360相位中错误的峰值检测的可能性。在一些实施例中使用该技术以在校准和/或操作期间进一步减少采样率(例如，降低2倍)。此外，在一些实施例中，在校准和/或操作期间，不需要在功率信号的每个循环对峰值进行采样，而是可以替代地每隔一个循环、每三个循环、每四个循环或每k个循环来执行采样，只要在每个位周期获得足够数量的采样以解析位编码方案的转换信息。
如果步骤460的测试确定校准过程没有完成，则过程继续，在步骤430中获取功率信号360的新的采样。如果步骤460的测试确定校准过程完成，则校准过程在步骤470结束。
注意，假设每次校准过程不能产生相同的准确偏移，则校准过程400可以重复数次来确定其中峰值出现的到功率信号360的循环中的时间偏移的更可靠的值。在一些情况下，可以替代使用平均时间偏移值来克服峰值时间校准中的抖动。
在一些实施例中，可以使用附加的时序算法以得到功率信号360的峰值出现的到循环中的时间偏移的值。这样的附加时序算法例如可以丢弃在其中峰值被预期的区域以外的采样，以消除错误肯定。
在一些实施例中，用于该偏移确定的校准序列可以在操作期间周期性地重复或按需要重复，以确定“最佳”偏移值，例如通过平均处理，其可以可选地包括丢弃任何无关的偏移值。一旦确定较好的偏移值，就使用该偏移值对PWM337的输出信号365进行编程，以用于在正常操作期间触发ADC 330。在正常操作期间，对于功率信号360的每个循环，PWM输出信号365被用于触发ADC330以在其峰值处对功率信号360进行采样，以用于在作为图3的ASK信号解调的一部分的平均算法中使用。
在一些实施例中，在校准之后以及在操作期间，如果采样的峰值远远在将预期为有效低或高峰值的范围外，则可以将该采样的峰值丢弃和/或可以使用在前的或之后的有效峰值代替之。该丢弃处理可以操作地被用作为ASK信号解调中有效的第一滤波算法(可能与其它技术结合)。
在一些实施例中，如果从有效范围检测出了过多峰值，则可以重新运行校准过程400以确保系统对功率信号360在其真实峰值处进行采样。
图5是根据本发明的一个实施例的第二滤波算法500的顶层级流程图。该算法在步骤510开始。在步骤520中，捕获功率信号360的N个采样，并将N个采样的平均值存储在变量AVG[old](AVG[旧])中。接下来，在步骤530中，捕获接下来的N个采样值，并将平均值存储在变量AVG[new](AVG[新])中。
在测试550中，计算AVG[new]与AVG[old]之间差值的绝对值，并将其与特定的转换阈值进行比较。转换阈值典型地被设置为大约200mV，其对应于符合Qi标准的系统中的反向散射ASK调制方案中在低和高之间期望的幅度差值。如果差值大于阈值，则在步骤560中记录该转换，且在ASK调制中使用的双相编码的解码中使用转换的时间。如果差值不大于阈值，则在步骤540中，将在AVG[new]中存储的值复制到变量AVG[old]中，且过程在步骤530中继续。算法继续，直到在步骤550中检测到了转换，或该过程以其它方式被中断。
图6是示出数据时钟610、数字数据信号620以及双相编码的数据信号630之间的关系的时序图600。注意，在双相编码方案中，通过在位周期中间不存在任何转换来对零进行编码。因此，其可能对应于功率信号的高电平幅度调制(例如，640)或低电平幅度调制(例如，650)。转换的不存在或存在允许ASK解调器135确定位是否为零。
进一步地，如果通过具有低电平幅度(例如，在图6的650处)的位周期中间不存在转换来对逻辑0进行编码，则通过在它们的位周期中间的由高到低的转换(例如，在655处)对一个或多个接下来的逻辑1值进行编码。因此，检测的在这样的逻辑0之后的由低到高转换可以作为无效状态被丢弃。类似地，将通过由低到高的转换(例如，在675处)对在被编码为高电平(例如，在670处)的在逻辑0(例如，在665处)之后的逻辑1(例如，在660处)进行编码。因此，在该位周期中间附近检测的由高到低的转换可以作为无效的被丢弃。忽略这些无效转换可以被认为是可以应用于解调过程中的第三滤波算法。
可以应用到功率信号360的ADC采样的、对确定双相编码调制中出现的转换特别有效的第四滤波算法是滑动窗口加权平均，由以下示例性算法表示：
数据_平均(i)＝K×数据_平均(i-1)+(1-K)×数据_新，
其中K是可调系数值(典型地被设置为大约0.9)，其对移动平均(runingaverage)赋予比新的采样更高的权重。在实际中，该第四滤波器将基于位周期中采样的数量和K的值相当缓慢地追踪数据。这对于以下是有用的：使来自数据的任何噪声尖峰平滑以及允许清楚地确定数据中转换的出现。
根据本发明的多种实施例，将该第四滤波算法与图5的至少第二滤波算法相结合。注意，对于N的较小的所选值，第二滤波算法可以被认为相当接近地追踪功率信号360的变化，而第四滤波算法可以被看作为更慢地或类似地带有较大延迟地追踪功率信号360的变化。
因此，当功率信号360从高电平转换到低电平时，紧接地在功率信号360的有效转换之后应观察到第二滤波器的结果比第四滤波器结果更低，这是因为第四滤波器结果将延迟功率信号360(即，在其中过冲下降)，而较快的/更紧密追踪的第二滤波器结果将保特更接近于功率信号360的实际下降值。可以通过以下将这些事实组合滤波算法使用：通过将测试限制到刚好在期望的转换时间之前或刚好在其之后，以及使用来自在期望的转换时间两侧的两个滤波器的信息，来消除毛刺以免触发对转换检测的错误肯定或错误否定。
换言之，在组合的滤波方法中，第二和第四滤波算法必须同意(刚好在转换点之前以及刚好在转换点之后两者)特定检测的转换已经出现。
此外，由结合第二和第四滤波算法确定的转换的方向可用于与第三滤波算法相结合以进一步移除无效状态从免起被检测。
最后，在第五滤波算法中，检测的转换的定时可用于确定其有效性。由于在双相编码中，对于编码的逻辑0，有效转换仅可能基本上出现在位周期的边沿处，而对于编码的逻辑1，基本上出现在位周期的开始和中间，所以可以使用该信息帮助系统忽略不在期望的时间处出现的转换。
在本发明的优选实施例中，结合滤波算法1-4产生具有很低检测错误可能性的解调/解码技术。
在各种实施例中，两个或更多个以上滤波算法可以被结合和/或用于ASK调制的或FSK调制的数据的解码。
图7是根据本发明的一个实施例的解调步骤700的顶层级流程图。该过程在步骤710开始。在步骤720中，首先使用模拟电路(诸如在ASK解调情况下的功率信号缩放电路130)对功率信号进行处理。
在步骤730中，周期性地捕获功率信号以产生一系列的数字采样。例如，在ASK解调的情况下，图3中的MCU320的ADC 330可以被用于对功率信号缩放电路130的输出360进行采样，输出360已经被用于产生功率信号的缩减的表示。该采样过程将导致一系列数字采样被捕获，所述数字采样具有代表典型地在0到5伏特之间的电压的值。
在步骤740，将一个或多个数字滤波算法应用到一系列数字采样，以确定功率信号调制中的由低到高和由高到低转换，这些转换对应于在ASK或FSK解调期间功率信号上的二进制数据的双相编码。(例如，可能将先前所述的第二和第四滤波算法结合来处理数字采样，以确定功率信号中的转换)。
在步骤750中，使用转换信息来帮助确定经由功率信号的调制发送的原始二进制数据。如果过程700运行在发送器中，则过程700将被用于对ASK调制的数据流进行解调，而如果过程700运行在接收器中，则过程700将被用于对FSK调制的数据流进行解调。
图8是示出在FSK信号175的恢复和解调中所涉及的图1的功率接收器110中的操作的示意框图。特别地，图8示出图1的次级线圈170、电压缩减电路820、过零检测器830、以及实现图1的FSK解调器电路160和控制器140的MCU 840。电压缩减电路820和过零检测器830是图1中的功率信号缩放和整形电路155的一部分。
MCU 840包括计时器850、控制器860以及存储器870，连同计数器、通用IO、UART、ADC以及其它支持功能和外部设备(未示出)。
在操作中，FSK调制的无线功率信号875由次级线圈170接收，以及电压被电压缩减电路820分接(880)和缩减(例如，到0与5V之间)，并经由连接器885被馈送到过零检测器830。
在过零检测器830中，将缩减的功率信号整形为方波信号，其上升和下降沿分别可被用作为功率信号的由低到高转换时间以及由高到低转换时间的指示器。
可以测量对应的转换之间的时间，例如，输出890的连续的由低到高转换之间的时间(或替代地，连续的由高到低转换之间的时间)以确定功率信号的周期(例如，对于107kHz操作频率的功率信号，通常是9.3微秒)。
在该实施例中，将输出890的每个上升沿馈送到计时器850的触发输入，且上升沿之间的周期(即，功率信号的瞬时周期)被捕获作为一系列的数字采样。
图9是根据本发明的一个实施例的图1的模拟功率信号缩放和整形电路155的示意电路图。模拟功率信号缩放和整形电路155包括图8的电压缩减电路820和图8的过零检测器830。
在操作中，电压缩减电路820附接到功率接收器110的次级线圈170，并将功率信号电压(880)缩减到用于由过零检测器830使用可接受的电平(885)。过零检测器830接收缩减的功率信号885，以及当其在其输入处遇到由低到高过零时将其输出890驱高至Vdd轨(rail)，以及当其在其输入处遇到由高到低过零时驱动其输出890至地。这导致次级线圈170的功率信号的缩减和方形表示890，其可以直接用作为至MCU 840的计时器850的输入。通过以这种方式处理次级线圈信号，可以将MCU的电路(该MCU通常是支持接收器110的其它控制特征所需的)用于大部分FSK解调，由于通过MCU实现的滤波器，除了提供了提高的可靠性和检测精度两者之外，还提供了用于实现FSK解调的外部分立模拟电路的消减的。总之，与对应的图2B的现有技术的模拟电路相比，与FSK解调相关联的图9的分立模拟电路155具有少得多的组件。类似地，与对应的图2A的现有技术的电路相比，与ASK解调相关联的分立模拟电路(即图1和3中的功率信号缩放电路130)具有少得多的组件。
注意，在由电压缩减电路820和过零检测器830对FSK调制的功率信号进行处理，以及使用信号890的上升或下降沿作为到计时器电路850中的输入之后，产生了一系列的数据采样。这些表示连续的上升过零之间的持续时间的数据采样具有以下格式，其中：由较小值的数字采样表示高的频率，以及由较大值的数字采样表示低的频率。因此，可以利用之前讨论的(在ASK解调示例的上下文中)相同的滤波算法(例如，滤波算法1-5)对该系列数字采样进行进一步处理，以移除毛刺并最小化调制中的变换检测上的错误肯定和错误否定。
如之前讨论的，可以将图7的一般解调过程700应用于FSK解调。
例如，考虑根据图8的FSK解调的本发明的实施例，在步骤710中开始过程之后，在步骤720中，FSK调制的无线功率信号875由次级线圈170接收，并随后由诸如电压缩减电路820和过零检测器电路830的模拟电路进行处理。
在步骤730中，周期性地捕获功率信号以产生一系列的数字采样。在FSK解调的情况下，在MCU 840内，由计时器850产生数字采样，计时器850测量在过零检测器830的输出的连续上升沿之间的时间周期。这些测量的周期由控制器860捕获(例如，通过中断服务例程)，并在存储器870内被存储为数字采样的阵列或系列(例如，在循环缓冲区中)。
在步骤740中，将一个或多个数字滤波算法应用到数字采样的系列，以确定功率信号调制中与在FSK解调期间功率信号上的二进制数据的双相编码相对应的由低到高和由高到低的转换。
通过控制器860将数字滤波算法(诸如之前关于ASK解调描述的第2和第4数字滤波算法)应用到存储器870中存储的数字采样，以确定功率信号中转换的出现，并将结果存储回存储器870中。
在步骤750中，使用转换信息来帮助确定经由功率信号调制发送的原始二进制数据。如果过程700运行在接收器110中，则其将被用于对FSK调制的数据流进行解调。在这种情况下，控制器860从存储器870重新获取转换信息并将与双相编码相关联的转换规则应用到数据以恢复原始发送的二进制数据。
因此，应当明白，图7的顶层解调过程700可同样较好地被应用于FSK解调和ASK解调两者。
注意，一些装置将被设计成支持双向功率传送。在这些装置中，过程700是特别有益的，这是由于可以相当大地节省成本和降低复杂度地来将过程700用于解调ASK调制的信号(对于发送器模式)以及FSK调制的信号(对于接收器模式)两者。
尽管在此参考特定实施例描述了本发明，在不脱离以下权利要求中所述的本发明的范围的前提下，可作出各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被认为是说明性的而非限制的意义，以及所有这些修改意图被包括在本发明的范围内。在此关于特定实施例描述的任何益处、优点或问题的解决方案不应被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的、必要的特征或元件。

Claims (8)

1.在包括功率发送器和功率接收器的无线充电系统中，其中所述功率发送器中的初级线圈将功率信号无线地发送到所述功率接收器的次级线圈，一种通过所述功率发送器和所述功率接收器中的一个实现的用于恢复使用双相数字编码方案调制到所述功率信号上的二进制数据的方法，所述方法包括：
(a)使用模拟电路对与所述无线充电系统的第一线圈中的电压相对应的模拟信号进行处理，以产生处理的模拟信号，其中所述第一线圈是所述初级线圈和所述次级线圈中的一个；
(b)对所述处理的模拟信号进行采样以生成数字采样的序列；
(c)通过对所述数字采样的序列应用两个或更多个不同的转换检测滤波器，来检测所述数字采样的序列中与所述双相数字编码方案相关联的转换；以及
(d)对所检测的转换进行解码以恢复所述二进制数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
将所述二进制数据从所述功率接收器发送到所述功率发送器；
由所述功率发送器实现所述方法；
使用幅移键控(ASK)调制将所述二进制数据调制到所述功率信号上；
所述第一线圈是所述功率发送器中的所述初级线圈；
所述数字采样表示所述功率信号的幅度；
步骤(a)包括：对所述模拟信号进行缩放，以生成作为缩减的波形的所述处理的模拟信号；以及
步骤(b)包括：，使用由脉冲宽度调制器触发的模数转换器，周期性地在所述缩减的波形中的电压峰值出现的期望时间处对所述缩减的波形进行采样。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
步骤(a)包括：使用过零检测器电路使所述模拟信号成方形，以生成作为方波的所述处理的模拟信号；以及
步骤(b)包括：使用所述方波的(i)上升沿序列或(ii)下降沿序列中的一个对所述方波进行采样，以触发计时器，所述计时器测量所述方波的循环的周期，其中每个数字采样表示所述方波的不同循环的测量的周期。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个不同的转换检测滤波器包括以下中的两个或更多个：
第一转换检测滤波器算法，包括只有在所述数字采样的幅度被确定与期望的采样幅度相对应时，才检测转换；以及
第二转换检测滤波器算法，包括：
(A1)对第一N个所述数字采样计算第一平均，N＞1；
(A2)对后续N个所述数字采样计算第二平均；
(A3)计算所述第一平均和所述第二平均之间的第一差值；以及
(A4)当所述差值的幅度超过第一特定阈值时，检测第一转换候选；以及
第三转换检测滤波器算法，包括：
(C1)只有在所述二进制数据中最近的位0被编码在高采样电平处时，才检测有效的由低到高转换；
(C2)只有在所述二进制数据中最近的位0被编码在低采样电平处时，才检测有效的由高到低转换；以及
第四转换检测滤波器算法，包括：
(B1)使用与滑动窗口对应的第一数字采样集合计算第一加权平均；
(B2)使用与所述滑动窗口对应的第二数字采样集合计算第二加权平均；
(B3)计算所述第一加权平均和所述第二加权平均之间的第二差值；以及
(B4)当所述第二差值的幅度超过第二特定阈值时，检测第二转换候选；
以及
第五转换检测滤波器算法，包括只有当转换的时间被确定与期望的转换时间相对应时，才检测转换。
5.如权利要求4所述的方法，其中
所述两个或更多个不同的转换检测滤波器包括所述第二转换检测滤波器和所述第四转换检测滤波器；以及
步骤(c)包括：只有当所述第一转换候选与所述第二转换候选相对应时，才检测转换。
6.如权利要求1所述的方法，其中：
步骤(b)包括：以由标准采样间隔分隔的采样时间的序列对所述处理的模拟信号进行周期性采样，所述标准采样间隔与所述处理的模拟信号的循环的整数倍相对应；
所述采样时间基于校准过程的结果，在所述校准过程中，以由不同于所述标准采样间隔的校准采样间隔分隔的校准采样时间，对所述处理的模拟信号进行采样以产生校准采样的序列，所述校准采样的序列接近于在所述处理的模拟信号的单个循环上对所述处理的模拟信号进行多次采样所产生的采样。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述校准采样间隔大于所述标准采样间隔。
8.如权利要求1所述的方法，其中
在所述无线充电系统中的节点的微处理器单元(MCU)中实现步骤(c)和(d)，所述节点可以操作在功率发送器模式或功率接收器模式；
当所述节点操作在所述功率发送器模式时，(i)所述功率信号是ASK调制的功率信号，且(ii)所述MCU执行步骤(c)和(d)以从所述ASK调制的功率信号恢复所述二进制数据；以及
当所述节点操作在所述功率接收器模式时，(i)所述功率信号是FSK调制的功率信号，且(ii)所述MCU执行步骤(c)和(d)以从所述FSK调制的功率信号恢复所述二进制数据。
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