CN107124047A - 无线电能传输系统及其射频通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种无线电能传输系统及其射频通信方法，该无线电能传输系统包括发射端和接收端，两者均包含射频模块，其中发射端可进行信号调制，接收端包括有信号解调电路，以解调出发射端调制的信号，在系统启动时实现了数据从发射端到接收端的传递；该射频通信方法为发射端先经过扫频扫出未被占用的通信信道频率，然后根据预定规则对该通信信道频率编码，编码后的信号调制信号传输到接收端，接收端解调出对应的通信信道频率，并以该频率发送数据信号与发射端建立通信连接，通信连接建立后，才开始进行功率传输。本发明实现了自动给发射端和接收端分配通信信道的功能，方便快捷且安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种可选择通信信道的无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输因其具有非接触、无电线连接、便捷灵活、安全美观等优点，目前发展迅速，且被广泛应用于多个领域。无线电能传输系统包括两部分：发射端和接收端，而发射端和接收端通过磁场来传递能量，两者之间不用电线连接，发射端要知道接收端状态以进行功率调节、控制能量传输，其信号传送由无线射频模块完成。其中，射频无线射频模块因其成本廉价、适应性好、扩展性好等特点，常被用来建立无线数据传输的通道，也就是我们所说的射频无线通信系统。
目前，无线电能传输系统有两种工作方式：固定通信信道工作方式和非固定通信信道工作方式。其中，固定通信信道工作方式是指每一套无线电能传输系统都有自己专属的通信信道，一个发射端只匹配一个接收端，只有二者的通信地址和通信信道完全一致时，无线电能传输装置才开始工作。这种工作方式需要预先为发射端和接收端设定好通信信道，人为操作十分麻烦，要清楚的标记好每套设备的通信信道，否则一旦出错，就容易产生混乱，使设备不能正常工作。而非固定通信信道工作方式则是指无线电能发射装置的无线通信信道并不是固定的，通信信道没有事先设定，任意一个发射端和任意一个接收端都能匹配进行电能传输，它们享有共同的通信信道。射频无线通信系统使用起来虽然简单高效，但它的数据传输距离一般比较远，通信距离从十几米到上千米不等，而无线电能传输系统的工作距离一般只有几厘米到几十厘米。在较小的空间范围内，如果有多个无线电能传输装置同时工作，由于通信信道相同，每一个发射端都可以接收到多个接收端反馈的通信信号，因此容易彼此干扰，使设备工作不正常。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无线电能传输系统及其射频通信方法，该发明可实现自动给发射端和接收端分配通信信道，方便快捷，安全可靠。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括用于传输无线电能的发射线圈，用于控制发射端信号处理与控制的发射端MCU，以及用于接收接收端状态信息的射频接收模块，接收端包括用于接收无线电能的接收线圈，用于控制接收端信号处理与控制的接收端MCU，以及用于发射接收端状态信息的射频发射模块，接收线圈与接收端MCU之间连接有用于解调出发射端调制信号的信号解调电路。
作为本发明的进一步优化，信号解调电路包括顺次相连的分压电阻，半波整流电路以及比较器U1，其中，分压电阻包括相并联的电阻R1和电阻R2，半波整流电路包括与分压电阻串联的二极管D1，电流从分压电阻流入经过二极管D1流入至比较器U1；并联于二极管D1的滤波电容C1，比较器U1串联于半波整流电路，比较器U1的另一个输入端连接输入基准电压的基准电路，输出端连接接收端MCU，以将比较后的信号输出至接收端MCU。
作为本发明的进一步优化，发射端进一步包括连接于电网的发射端整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接逆变电路，逆变电路的输出端连接发射线圈，发射端MCU与逆变电路之间连接有用于放大发射端MCU发出的驱动信号以给逆变电路进行磁场控制的驱动电路；接收端进一步包括连接于接收线圈的接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接有DC/DC变换电路，接收端整流滤波电路的输出端同时连接接收端MCU，DC/DC变换电路外接负载。
作为本发明的进一步优化，发射端MCU包括可接收射频接收模块中通信信道频率的接收模块，可将通信信道频率按照预设编码规则转换为通信频率编码信号的转换模块，以及可根据转换模块中转换信号控制驱动电路开断的控制模块，其中，接收模块电性连接转换模块，转换模块电性连接控制模块。
作为本发明的进一步优化，接收端MCU包括解调信号接收模块，用于检测解调信号高低电平的检测模块，以及用于将解读后频道信号输出至射频发射模块的输出模块，其中，解调信号接收模块电性连接于信号解调电路的输出端，检测模块电性连接解调信号接收模块，输出模块电性连接于射频发射模块。
作为本发明的进一步优化，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号.
作为本发明的进一步优化，接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。
一种无线电能传输系统的射频通信方法，使用上述所述无线电能传输系统，其特征在于：包括以下步骤：
激活发射端：发射端在不工作时处于休眠状态，当接收端处于发射端的工作范围内时，发射端被激活；
扫频：发射端扫描通信信道，并确定未被占用的通信信道以及该通信信道所对应的频率；
发射端MCU编码通信信道频率，并将编码后的编码信号传输至接收端；
接收端的信号解调电路解调发射端调制的信号，并把该解调信号传送到接收端MCU，接收端MCU控制射频发射模块初始化，并根据解调信号设定射频发射端的通信频率；
发射端与接收端之间建立通信连接；
无线电能传输系统开始工作。
作为本发明的进一步优化，在扫频步骤中，进一步包括以下步骤：
发射端的射频接收模块唤醒后进行初始化设置，并开始扫描频道；
射频接收模块以预设频道X对应的通信信道频率F0等待接收数据；
发射端MCU判断射频接收模块是否接收到数据，如是，表示该通信信道X已被占用，令预设频道X＝X+1，对应的通信信道频率为F0＝F0+Δf，并返回上一步骤；如否，则确定X为未被占用频道，以及其对应的通信信道频率F0，结束扫频。
作为本发明的进一步优化，在发射端与接收端之间建立通信连接的步骤中，进一步包括以下步骤：
接收端中的信号解调电路解调通信信道频率编码并传送至接收端MCU；
接收端MCU控制射频发射模块初始化，并发送未被占用频道X对应的通信信道频率F0至射频接收模块；
发射端MCU检测射频接收模块是否收到数据，如是，则执行下一步；如否，则返回第一步，即接收端中的信号解调电路解调通信信道频率编码并传送至接收端MCU；
发射端开始传输电能至接收端。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的无线电能传输系统，其通过设置双向通信电路，可以自动给发射端和接收端分配通信信道，方便快捷，安全可靠；
2、本发明无线电能传输系统的射频通信方法，在无线电能传输系统工作之前，发射端会先进行通信信道扫描，在分配通信信道时跳过已经被占用的频道，确保每一套无线电能传输装置都能安全稳定地工作，避免了同一时间段内同一个通信信道被多个设备使用；
3、本发明无线电能传输系统的射频通信方法，其通信分配自动控制，整个流程不需要人为干预，更加方便快捷。
附图说明
图1为本发明无线电能传输系统的框图示意图；
图2为图1中信号解调电路的拓扑示意图；
图3为本发明发射端MCU中模块的框图示意图；
图4为本发明接收端MCU中模块的框图示意图；
图5为接收线圈上的电压波形；
图6为整流二极管后的电压波形；
图7为滤波电容后的电压波形；
图8为比较器输出电压波形；
图9为本发明射频通信方法的流程图；
图10为扫频阶段的流程图；
图11为无线通信建立流程图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
参见图1，是本发明无线电能传输系统的框图示意图。如图1所示，本发明的无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括用于传输无线电能的发射线圈，用于控制发射端信号处理与控制的发射端MCU，以及用于接收接收端状态信息的射频接收模块，接收端包括用于接收无线电能的接收线圈，用于控制接收端信号处理与控制的接收端MCU，以及用于发射接收端状态信息的射频发射模块，通过上述发射线圈与接收线圈的设置，可实现无线电能的传输，该处的接收线圈通过磁场耦合拾取发射线圈的能量；而上述射频发射模块与射频接收模块的设置，实现了无线发送端与无线接收端之间的单向射频通讯传输，射频通讯传输的建立有利于无线发射端根据无线接收端负载的需求而适时改变。
进一步结合图1和图2所示，本发明的无线电能传输系统进一步在接收线圈与接收端MCU之间连接有用于解调出发射端调制信号的信号解调电路。其中，信号解调电路包括顺次相连的分压电阻，半波整流电路以及比较器U1，其中，分压电阻包括相并联的电阻R1和电阻R2，半波整流电路包括与分压电阻串联的二极管D1，电流从分压电阻流入经过二极管D1流入至比较器U1；并联于二极管D1的滤波电容C1，比较器U1串联于半波整流电路，比较器U1的另一个输入端连接输入基准电压的基准电路，输出端连接接收端MCU，以将比较后的信号输出至接收端MCU。
结合图5-图8详述上述信号解调电路，如图3所示为接收线圈上的电压波形，接收线圈上的电压一般都比较高，在经过分压电阻即电阻R1和电阻R2后，电压幅值会大大衰减，随后由二极管D1进行半波整流，把负向的电压波形去除，输出信号如图4所示。在二极管D1后的滤波电容C1，该滤波电容C1使整流后的电压波形脉动变小，其波形如图5，然后送入比较器U1；根据整流后电压波形设定合适的比较器基准电压Vth，该基准电压Vth并不唯一，且不限定，人为设定即可，使比较器的输出信号与调制信号相对应，如图6所示，以方便接收端MCU对解调信号进行处理。
继续参见图1，本发明的发射端进一步包括连接于电网的发射端整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接逆变电路，逆变电路的输出端连接发射线圈，发射端MCU与逆变电路之间连接有用于放大发射端MCU发出的驱动信号以给逆变电路进行磁场控制的驱动电路；接收端进一步包括连接于接收线圈的接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接有DC/DC变换电路，接收端整流滤波电路的输出端同时连接接收端MCU，DC/DC变换电路外接负载。另外，在发射端还具有线性稳压器，连接于发射端整流滤波电路与发射端MCU之间，用于为发射端MCU提供正常工作所需的电能；接收端还具有辅助供电模块，连接于接收端整流滤波电路与接收端MCU之间，用于为接收端MCU提供电能。
另外，参见图3，本发明的发射端MCU包括可接收射频接收模块中通信信道频率的接收模块，可将通信信道频率按照预设编码规则转换为通信频率编码信号的转换模块，以及可根据转换模块中转换信号控制驱动电路开断的控制模块，其中，接收模块电性连接转换模块，转换模块电性连接控制模块。在本发明中，所述预设编码规则可为将频率转换为二进制数值的通用规则，为本领域技术人员所公知，在此不再具体说明该编码规则。
如图4所示，本发明的接收端MCU包括解调信号接收模块，用于检测解调信号高低电平的检测模块，以及用于将解读后频道信号输出至射频发射模块的输出模块，其中，解调信号接收模块电性连接于信号解调电路的输出端，检测模块电性连接解调信号接收模块，输出模块电性连接于射频发射模块。
同时，为了更精准的检测接收端是否在发射端的工作范围内，发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号。接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。
参见图9，是本发明无线电能传输系统的射频通信方法，该方法建立在上述无线电能传输系统的基础上，即必须使用上述无线电能传输系统，包括以下步骤：
第一步：激活发射端：发射端在不工作时处于休眠状态，当接收端处于发射端的工作范围内时，发射端被激活；在该步骤中，发射线圈中的传感器感应到接收线圈中的感应物，进一步将感应信号传送至发射端MCU，发射端MCU接收到该感应信号，即被激活；
第二步：扫频：发射端扫描通信信道，并确定未被占用的通信信道以及该通信信道所对应的频率；在该步骤中，具体参见图10，具体包括以下步骤：射频接收模块唤醒后进行初始化设置，并开始扫描频道；射频接收模块以预设频道X所对应的通信信道频率F0等待接收数据，此处F0＝(2400+X)MHz，X的步长为1；发射端MCU判断射频接收模块是否接收到数据，如是，则修改预设频道X＝X+1，其对应的通信信道频率为F0＝F0+Δf，该Δf需要根据射频的频谱宽度设定，并返回上一步骤，重新检测F0是否被占用；如否，则确定X为未占用频道，结束扫频。在该步骤中，需要说明的是，预设频道X的设置并不局限于某一具体数值，例如，并不局限于从1开始，可从任意频道开始；
第三步：发射端MCU编码通信信道频率，并将编码后的编码信号传输至接收端；
第四步：接收端的信号解调电路解调发射端调制的信号，并把该解调信号传送到接收端MCU，接收端MCU控制射频发射模块初始化，并根据解调信号设定射频发射端的通信频率；
上述步骤，现举例说明：以扫描出的未占用频道为0xa6为例对信号的调制与解调进行说明。若通信信道信号X＝0xa6，其对应的二进制为0B10100110，发射端MCU以周期T为间隔控制PWM的开通与关断，当要发送的位数为1时，打开PWM输出进入驱动电路，控制逆变电路的开通，发射线圈上有电，并且电能通过谐振网络传到接收线圈；当要发送的位数为0时，关闭PWM输出信号，逆变电路关断，发射线圈和接收线圈都会掉电。一个完整的8位数据调制完成后，对应的接收线圈上电压V_coil的波形如图5所示。接收线圈上的电压在经过电阻R1和电阻R2组成的分压网络后，电压幅值会大大衰减，随后由二极管D1进行半波整流，把负向的电压波形去除，输出信号如图6所示。在二极管D1后接一个容值较大的滤波电容C1，使整流后的电压波形脉动变小，整流滤波后的电压波形如图7所示，然后送入比较器U1。根据整流后电压波形设定合适的比较器基准电压Vth，本实施例中设定Vth＝12V，使比较器的输出信号与调制信号相对应，如图8所示，方便接收端MCU对解调信号进行处理。接收端MCU的解调信号接收模块检测到解调信号后，以周期T检测高低电平，高电平则读为1，低电平读为0，其后则可以完整的读出发射端MCU调制的通信信道信号X。
第五步：发射端与接收端之间建立通信连接；
其具体步骤为：
(1)接收端MCU控制射频发射模块初始化，并发送未被占用频道X对应的通信信道频率F0至射频接收模块；
(2)发射端MCU检测射频接收模块是否收到数据，如是，则执行下一步；如否，则返回本具体步骤中的第一步，即接收端中的信号解调电路解调通信信道频率编码并传送至接收端MCU；
(3)发射端开始传输电能至接收端。
发射端每完成一次信号调制后都先等待一段时间再进行下一次调制，在这段时间内，射频接收模块以频道X等待接收数据。若无线通信接收端收到了射频发射端的反馈数据，则结束频道信号的循环调制，正式开始传输能量到接收端，无线电能传输装置开始工作，并通过无线射频模块以频道X进行通信控制。这样就不会受到其它无线电能传输装置的干扰，亦不会干扰其它装置正常工作。在整个调制流程都是自动控制的，不需要人为干预，更加方便快捷。
第六步：无线电能传输系统开始工作。
Claims (10)
1.一种无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括用于传输无线电能的发射线圈，用于控制发射端信号处理与控制的发射端MCU，以及用于接收接收端状态信息的射频接收模块，接收端包括用于接收无线电能的接收线圈，用于控制接收端信号处理与控制的接收端MCU，以及用于发射接收端状态信息的射频发射模块，其特征在于：接收线圈与接收端MCU之间连接有用于解调出发射端调制信号的信号解调电路。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：信号解调电路包括顺次相连的分压电阻，半波整流电路以及比较器U1，其中，分压电阻包括相并联的电阻R1和电阻R2，半波整流电路包括与分压电阻串联的二极管D1，电流从分压电阻流入经过二极管D1流入至比较器U1；并联于二极管D1的滤波电容C1，比较器U1串联于半波整流电路，比较器U1的另一个输入端连接输入基准电压的基准电路，输出端连接接收端MCU，以将比较后的信号输出至接收端MCU。
3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于：发射端进一步包括连接于电网的发射端整流滤波电路，整流滤波电路的输出端连接逆变电路，逆变电路的输出端连接发射线圈，发射端MCU与逆变电路之间连接有用于放大发射端MCU发出的驱动信号以给逆变电路进行磁场控制的驱动电路；接收端进一步包括连接于接收线圈的接收端整流滤波电路，接收端整流滤波电路的输出端连接有DC/DC变换电路，接收端整流滤波电路的输出端同时连接接收端MCU，DC/DC变换电路外接负载。
4.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于：发射端MCU包括可接收射频接收模块中通信信道频率的接收模块，可将通信信道频率按照预设编码规则转换为通信频率编码信号的转换模块，以及可根据转换模块中转换信号控制驱动电路开断的控制模块。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输系统，其特征在于：接收端MCU 包括解调信号接收模块，用于检测解调信号高低电平的检测模块，以及用于将解读后频道信号输出至射频发射模块的输出模块。
6.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：发射线圈内设有可感应发射线圈与接收线圈位置的传感器，传感器根据发射线圈与接收线圈距离形成感应信号。
7.根据权利要求6所述的无线电能传输系统，其特征在于：接收线圈内置有可增强接近式传感器感应强度的感应物。
8.一种无线电能传输系统的射频通信方法，使用权利要求1-7中任一项所述无线电能传输系统，其特征在于：包括以下步骤：
激活发射端：发射端在不工作时处于休眠状态，当接收端处于发射端的工作范围内时，发射端被激活；
扫频：发射端扫描通信信道，并确定未被占用的通信信道以及该通信信道所对应的频率；
发射端MCU编码通信信道频率，并将编码后的编码信号传输至接收端；
接收端的信号解调电路解调发射端调制的信号，并把该解调信号传送到接收端MCU，接收端MCU控制射频发射模块初始化，并根据解调信号设定射频发射端的通信频率；
发射端与接收端之间建立射频通信连接；
无线电能传输系统开始工作。
9.根据权利要求8所述无线电能传输系统的射频通信方法，其特征在于：在扫频步骤中，进一步包括以下步骤：
发射端的射频接收模块唤醒后进行初始化设置，并开始扫描频道；
射频接收模块以预设频道X对应的通信信道频率F0等待接收数据；
发射端MCU判断射频接收模块是否接收到数据，如是，表示该通信信道X已被占用，令预设频道X＝X+1，对应的通信信道频率为F0＝F0+Δf，并返回上一步骤；如否，则确定X为未被占用频道，以及其对应的通信信道频率F0，结束扫频。
10.根据权利要求8或9所述无线电能传输系统的射频通信方法，其特征在于：在发射端与接收端之间建立通信连接的步骤中，进一步包括以下步骤：
接收端中的信号解调电路解调通信信道频率编码并传送至接收端MCU；
接收端MCU控制射频发射模块初始化，并发送未被占用频道X对应的通信信道频率F0至射频接收模块；
发射端MCU检测射频接收模块是否收到数据，如是，则执行下一步；如否，则返回第一步，即接收端中的信号解调电路解调通信信道频率编码并传送至接收端MCU；
发射端开始传输电能至接收端。
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