CN107592140B - 基于部分能量线圈的icpt双向数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，包括原边能量发射装置和副边能量接收装置，所述原边能量发射装置中设置有能量发射线圈L_p，所述副边能量接收装置中设置有能量接收线圈L_s，在所述原边能量发射装置中还设置有原边数据传输模块，该原边数据传输模块利用能量发射线圈L_p的部分匝数作为原边数据耦合线圈L_p1，在所述副边能量接收装置中还设置有副边数据传输模块，该副边数据传输模块利用能量接收线圈L_s的部分匝数作为副边数据耦合线圈L_s1，所述原边数据传输模块和所述副边数据传输模块利用所述原边数据耦合线圈L_p1和所述副边数据耦合线圈L_s1实现数据双向传输，数据传输速率最高达到15Mbps。

Description

基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统

技术领域

本发明涉及感应耦合电能传输技术领域，具体涉及一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统。

背景技术

感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer，ICPT)技术利用交变的电流在耦合的电感线圈间产生磁场即可实现电能的无线传递，电能传输过程具有安全、可靠及灵活性强的特点，感应电能传输技术称为无线电能传输领域的研究热点。其具有环境亲和力强、绿色环保、便捷、灵活、安全等接触式电能传输所无法比拟的优点，目前已经在轨道交通、电动汽车、生物医电、家用电器等领域取得了成功的应用。然而在实际工程应用，为了提升ICPT系统性能以及适应更多应用对象，在进行电能无线传输的同时还需要进行数据的传输。因此，实现ICPT系统能量发送端和接收端间的数据传输也成为实现ICPT技术应用推广所亟待解决的问题。

目前针对ICPT系统能量和数据并行传输问题的解决方案主要有以下两种：(1)利用近场通信技术(IrDA、Bluetooth、Zigbee、RFID等)以及增设信号传输耦合线圈构建数据传输通道方式，(2)利用ICPT系统的能量通道(电能耦合线圈)构建出信号传输通道使得电能与数据可以利用同一耦合机构完成传输。从大量文献研究分析中知第二种方案更节省系统空间和成本，具有更好的应用灵活性，能更好地体现无线电能传输技术的优势及意义。

针对利用电能耦合线圈实现数据无线传输的问题，目前主要有以下两种方式：(1)将电能功率波作为数据载波，利用包含数据特征的电能信息流来实现数据的无线传输，(2)利用包含数据特征的高频载波流来实现数据的无线传输。方式(1)通过改变注入到高频谐振网络的电能幅值或频率，根据拾取到的电能信息流的特征复原出数据；方式(2)通过在电能传输回路串接信号耦合变压器，利用信号耦合变压器完成信号高频载波的加载与提取，实现利用电能传输耦合线圈完成信号的双向传输目的。其中，方式(1)受限于电能传输稳定性要求，电能的频率和幅值不能变化过快，这两种方案抗干扰性差且信号传输速率一般低于10Kbps/s；方式(2)的数据载波经过电能传输谐振电路，谐振电路的滤波效果(S型的带通效果，P型的带阻效果)会削弱数据载波。经过分析，目前已有的这两种方式都无法很好地实现ICPT系统高速数据传输。然而在一些应用场合在给用电设备进行无线供电的同时还需要进行高速数据传输；为了提高数据传输速率，一般需要提高数据载波频率，而目前使用全部能量耦合线圈作为数据传输线圈的方案会因感值较大导致数据传输回路高频阻抗很大，最终会导致高频数据载波衰减比较大。

有了高速数据传输通道，还需要高速的数据调制解调技术。在已有的文献可知，目前用于ICPT系统数据传输过程的载波调制解调技术振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)，这些技术一般都是用于串行数据传输，数据传输率较低且抗干扰性较差。为了提高信号传输的稳定性、传输速率、抗干扰性能等，在传统载波调制方案基础上，很多性能更优的调制解调技术被提了出来，如QPSK、DQPSK、QAM、MQAM以及OFDM等。其中，OFDM技术是一种特殊的多载波调制方式，同时也可以看成多个子载波信号的复用技术。其相比于其他技术具有传输的符号持续时间长、带宽窄的特性，且具有抗干扰性强和频带利用率高的特点。

发明内容

本申请通过提供一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，以解决目前应用在无线电能传输系统中的数据双向传输技术存在的传输速率低、系统电路等技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，包括原边能量发射装置和副边能量接收装置，所述原边能量发射装置中设置有能量发射线圈L_p，所述副边能量接收装置中设置有能量接收线圈L_s，在所述原边能量发射装置中还设置有原边数据传输模块，该原边数据传输模块利用能量发射线圈L_p的部分匝数作为原边数据耦合线圈L_p1，在所述副边能量接收装置中还设置有副边数据传输模块，该副边数据传输模块利用能量接收线圈L_s的部分匝数作为副边数据耦合线圈L_s1，所述原边数据传输模块和所述副边数据传输模块利用所述原边数据耦合线圈L_p1和所述副边数据耦合线圈L_s1实现数据双向传输。

进一步地，所述能量发射线圈L_p和所述能量接收线圈L_s均是由励磁线绕制的平面线圈，选取最外侧部分匝数能量发射线圈L_p作为原边数据耦合线圈L_p1，并使其对应的电感大小关系为：

且L_p1＜＜L_p，同时，选取最外侧部分匝数能量接收线圈L_s作为副边数据耦合线圈L_s1，并使其对应的电感大小关系为：

L_S1＜＜L_S，n₁和n₂为正整数。

进一步地，所述原边数据传输模块还包括原边数据发送接收电路和原边数据调制解调电路，所述原边数据发送接收回路串接在所述原边数据耦合线圈L_p1的两端，所述原边数据调制解调电路与所述原边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取，所述副边数据传输模块还包括副边数据发送接收电路和副边数据调制解调电路，所述副边数据发送接收回路串接在所述副边数据耦合线圈L_s1的两端，所述副边数据调制解调电路与所述副边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取。

进一步地，所述原边数据发送接收电路包括电容C₁、数据载波拾取电阻R₁以及稳压管D₁，其中，所述电容C₁、数据载波拾取电阻R₁与所述原边数据耦合线圈L_p1串联，所述稳压管D₁与所述数据载波拾取电阻R₁并联，所述原边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₁并联。

进一步地，所述副边数据发送接收电路包括电容C₂、数据载波拾取电阻R₂和稳压管D₂，其中，所述电容C₂、数据载波拾取电阻R₂与所述副边数据耦合线圈L_s1串联，所述稳压管D₂与所述数据载波拾取电阻R₂并联，所述副边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₂并联。

进一步地，所述原边能量发射装置包括依次相连的直流输入电源、高频逆变电路以及原边谐振电路，所述副边能量接收装置包括依次相连的副边谐振电路、整流滤波电路以及负载。

进一步地，所述原边谐振电路包括能量发射线圈L_p和补偿电容C_p，所述能量发射线圈L_p与所述补偿电容C_p并联，所述副边谐振电路包括能量接收线圈L_s和补偿电容C_s，所述能量接收线圈L_s与所述补偿电容C_s串联。

进一步地，所述原边数据调制解调电路和所述副边数据调制解调电路均采用OFDM进行数字信号的调制与解调，其中，

在发送端，将发送的数据交织形成N个发送序列d(0)、d(1)、……、d(N-1)，进行串并转换；将信号调制到f₀、……、f_N-1的N个正交的子载波上，f_n＝f₀+n/T，f₀为最低的子载波频率，相邻的子载波频率间隔是1/T；调制后的系统合成包络，得到实际输出信号

式中，d(n)为第n个被调制的信号；

在接收端，系统使用相同的N个子载波信号分别对接收信号进行混频和积分，利用子载波的正交性，将各子载波上有效信号分离出来：

式中，

为接收端第m个子信道的输出，T为延长分路后的码元周期。

进一步地，在发送端，通过N点离散傅里叶反变换将频域数据符号s(k)，经过载波调制后，发送到信道中，在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点离散傅里叶变换，即可获得发送的数据符号d_i。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：本系统在保证电能正常传输的前提下，利用能量耦合线圈的一部分来构建高速数据传输通道，采用OFDM技术提高数据载波频带利用率及抗干扰性，从而实现了数据的高速传输，数据传输速率最高达到15Mbps。

附图说明

图1为基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统结构框图；

图2为基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统电路图；

图3为系统电能传输电路结构图；

图4为系统电能传输等效电路结构图；

图5为系统数据传输电路结构图；

图6为系统数据传输等效电路结构图；

图7为OFDM系统数学模型；

图8为基于FFT/IFFT实现的OFDM系统框图；

图9为数据正向传输通道Bode图；

图10(a)为电能传输对数据正向传输通道的干扰Bode图；

图10(b)为电能传输对数据反向传输通道的干扰Bode图；

图11(a)为原系统电能传输波形图；

图11(b)为增加数据传输回路后电能传输波形图；

图12为数据传输效果图；

图13(a)为数据正向传输实验波形图；

图13(b)为数据反向传输实验波形图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，以解决目前应用在无线电能传输系统中的数据双向传输技术存在的传输速率低、系统电路复杂等技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，如图1所示，包括原边能量发射装置和副边能量接收装置，所述原边能量发射装置中设置有能量发射线圈L_p，所述副边能量接收装置中设置有能量接收线圈L_s，在所述原边能量发射装置中还设置有原边数据传输模块，该原边数据传输模块利用能量发射线圈L_p的部分匝数作为原边数据耦合线圈L_p1，在所述副边能量接收装置中还设置有副边数据传输模块，该副边数据传输模块利用能量接收线圈L_s的部分匝数作为副边数据耦合线圈L_s1，所述原边数据传输模块和所述副边数据传输模块利用所述原边数据耦合线圈L_p1和所述副边数据耦合线圈L_s1实现数据双向传输。

所述能量发射线圈L_p和所述能量接收线圈L_s均是由励磁线绕制的平面线圈，选取最外侧部分匝数能量发射线圈L_p作为原边数据耦合线圈L_p1，并使其对应的电感大小关系为：

且L_p1＜＜L_p，同时，选取最外侧部分匝数能量接收线圈L_s作为副边数据耦合线圈L_s1，并使其对应的电感大小关系为：

L_S1＜＜L_S，n₁和n₂为正整数，一般地，可取n₁和n₂为10或更大，作为一种简化，也可取能量发射线圈和能量接收线圈最外侧的1至3匝线圈用作数据耦合线圈。

所述原边数据传输模块还包括原边数据发送接收电路和原边数据调制解调电路，所述原边数据发送接收回路串接在所述原边数据耦合线圈L_p1的两端，所述原边数据调制解调电路与所述原边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取，所述副边数据传输模块还包括副边数据发送接收电路和副边数据调制解调电路，所述副边数据发送接收回路串接在所述副边数据耦合线圈L_s1的两端，所述副边数据调制解调电路与所述副边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取。

本发明在原有ICPT系统的基础上选取能量耦合线圈的一小部分作为数据传输的耦合线圈，将数据发送接收电路串接在数据耦合线圈的两端，形成数据传输回路，而全部的能量耦合线圈则构建成电能传输回路，从而实现了数据与电能的并行传输。

如图2所示，所述原边能量发射装置包括依次相连的直流输入电源、高频逆变电路以及原边谐振电路，所述原边谐振电路包括能量发射线圈L_p和补偿电容C_p，所述副边能量接收装置包括依次相连的副边谐振电路、整流滤波电路以及负载，所述副边谐振电路包括能量接收线圈L_s和补偿电容C_s，所述能量接收线圈L_s与所述补偿电容C_s串联。

与所述原边数据耦合线圈L_p1串接的原边数据发送接收电路包括电容C₁、数据载波拾取电阻R₁以及稳压管D₁，其中，所述电容C₁、数据载波拾取电阻R₁与所述数据耦合线圈L_p1串联，所述稳压管D₁与所述数据载波拾取电阻R₁并联，所述原边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₁并联；所述副边数据耦合线圈L_s1串接的副边数据发送接收电路包括电容C₂、数据载波拾取电阻R₂和稳压管D₂，其中，所述电容C₂、数据载波拾取电阻R₂与所述副边数据耦合线圈L_s1串联，所述稳压管D₂与所述数据载波拾取电阻R₂并联，所述副边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₂并联。

当进行电能传输时，原边数据耦合线圈L_p1、电容C₁以及数据载波拾取电阻R₁组成RLC串联电路，此电路具有高频带通滤波器的特性，对信号传输回路呈现低阻抗特性，而对电能传输回路呈现高阻抗特性，这样可以消除电能对数据的影响。副边数据耦合线圈L_s1、电容C₂以及数据载波拾取电阻R₂组成RLC串联电路同理。由于电容C_p、C_s和电能耦合线圈构成谐振网络，谐振点为电能传输回路工作频率，当进行数据传输时，数据高频载波源进入电能传输回路时会被严重削弱，从而避免了数据传输对电能传输回路的影响。这样一来，整个系统就具有双线圈传输模式优势，可以方便电能传输回路和数据传输回路参数设计。

首先，分析ICPT能量传输过程。

在分析电能传输过程时，将输入的数据载波电压源等效成短路，电能传输电路结构如图3所示。C_p为原边回路谐振环节的补偿电容，C_s为副边回路谐振环节的补偿电容，R_p为能量发射线圈L_p的内阻，R_s为能量接收线圈L_s的内阻，电容C₁和原边数据耦合线圈L_p1构成高频阻波电路，电容C₂和副边数据耦合线圈L_s1构成高频阻波电路，由于系统数据载波频率远远大于电能功率波工作频率，高阻波电路在电能功率波频率下相当于一个电感，在参数选选取时数据耦合线圈只取全部能量耦合线圈的一小部分，既有：L_p1＜＜L_p，L_S1＜＜L_S (1)

众所周知，LC并联电路的阻抗为

电感L的阻抗为Z₂＝jωL；当电容C为nF级别，电感L取μH级别，在低频段10-100KHz时，有

即：

由此在进行电能传输过程分析时，将并联的L_p1和C₁等效成L_p1；同理，将并联的L_s1和C₂等效成L_s1，进一步简化后的电能传输电路结构如图4所示。

图4即是典型的ICPT系统电能传输拓扑结构，其中谐振网络为PS结构。直流电压源经电感L₁和高频逆变电路产生高频交流源，此交流源注入发射端谐振网络后由能量发射线圈L_p产生高频交变磁场，能量接收线圈L_s拾取到感应电压，经变换后给负载供电。

接下来，分析数据传输过程。

由图1可知，数据调制解调电路分别并联在数据载波拾取电阻R₁和R₂两端，利用部分能量耦合线圈(即数据耦合线圈)L_p1和L_s1构成数据传输通道，实现高频数据载波的加载和拾取，以达到数据双向高速传输的目的。在分析数据传输过程时，将经过高频逆变电路输出的交变电流源等效成断路，由图1可知，数据双向传输回路为对称结构，数据双向传输过程相似，在此只分析数据正向传输过程，简化后的数据传输电路如图5所示。

在已有注入式数据传输模式研究的基础上去掉数据加载和拾取变压器，经过调制后的高频数据载波要经过回路1和回路2，同理电能接收端拾取到的高频载波主要经过回路3和回路4。因为回路1和3是根据数据载波进行调谐而回路2和4是根据电能功率波调谐，所以回路1和回路3对高频数据载波呈现出低阻抗特性，而回路2和回路4对高频数据载波呈现出高阻抗特性。因此，系统主要利用回路1和回路3来传输高频数据载波。进一步将数据传输回路进行简化，以方便分析，简化后的数据传输结构图如图6所示。

本发明中，所述数据调制解调电路采用OFDM(正交频分复用)进行数字信号的调制与解调，OFDM的主要思想是通过串并转换，将串行传输的数据流转换成若干个独立的低速数据流，调制到相应的子载波上，同时对频谱相互重叠的子信道应用频分复用技术(FDM)。OFDM技术使用的子载波都是正交的，相邻子载波占据的带宽允许重叠将近50％。图7给出了OFDM系统数学模型。

在发送端，将发送的数据交织形成N个发送序列d(0)、d(1)、……、d(N-1)，进行串并转换；经过交织后的N路子信道码元的周期T从Δt增加NΔt，系统将信号调制到f₀、……、f_N-1的N个正交的子载波上，f_n＝f₀+n/T (3)

f₀为最低的子载波频率，相邻的子载波频率间隔是1/T；

调制后的系统合成包络，即输出信号

实际输出信号应该为实信号，实际输出信号

式中，d(n)为第n个被调制的信号，T为延长分路后的码元周期；

在接收端，系统使用相同的N个子载波信号分别对接收信号进行混频和积分，利用子载波的正交性，将各子载波上有效信号分离出来，

式中，

为接收端第m个子信道的输出，它恰好是发送端的输入信号，(相差一个系数T)。这样只需要将发送数据分解到多个OFDM信道上进行传输，在接收端通过分别解调就可以得到发送的原数据。

由图7可知，OFDM系统的调制和解调可以分别由离散傅里叶变换/反变换(DFT/IDFT)来代替，通过N点IDFT运算，把频域数据符号S(k)，经过载波调制之后，发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点DFT运算，即可获得发送的数据符号d_i。在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅里叶变换/反变换(FFT/IFFT)来实现调制和解调。如图8所示，为基于FFT/IFFT实现的OFDM系统框图。

系统进行数据传输时数据调制解调电路功率为1W左右，数据传输对电能传输的影响可忽略不计。为了验证本发明所提出的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统的可行性，现将对系统数据传输过程以及电能传输对数据传输的干扰进行仿真分析，系统各主要电路参数如表1所示。

表1系统参数表

(1)数据载波传输通道

由于双向高速数据传输电路拓扑结构对称，数据正向传输与反向传输过程类似，因此只需要其中一种情况分析即可。本实施例对数据正向传输通道的频域特性进行分析来验证利用数据传输通道进行高速数据传输的可能性，利用matlab进行仿真，得到数据正向传输通道的Bode图，如图9所示。

由数据传输通道的Bode曲线图可知，整个数据传输通道的衰减曲线只有一个峰值点，即为高速数据载波的中心频率。在低频段，衰减达到了100dB以上，数据传输通道几乎可以完全消除电能功率波带来的影响。在高频衰减比较小，对于2-28MHz高频数据载波而言，虽然通道有衰减，但是该处的Bode曲线较为平缓且整个频段的衰减基本保持在8dB以下，对调制好的高频数据载波进行功率放大即可解决此问题。因此，在本发明提出的电路拓扑结构和耦合线圈结构的基础上构建的数据传输通道可以基本满足数据传输带宽的需求，可以实现高速数据传输。

(2)电能传输对数据传输的干扰通道

为确保数据传输过程的可靠性，以及满足数据高速传输的需求，数据传输通道应该具有足够大的信噪比。因此，除了需要保证高频数据载波在数据传输通道传输过程中的衰减尽量小之外，还要确保来自电能传输的干扰要尽量小。根据定义的干扰通道的衰减性质来表示电能传输对数据接收干扰的衰减性质，通过仿真进而得到电能传输对数据接收干扰的Bode图，结果如图10所示。其中图10(a)和图10(b)分别为电能传输过程对数据正向传输通道和反向传输通道的干扰Bode图。

由衰减Bode曲线可知，干扰通道的幅值衰减很大，电能传输对数据传输的干扰被严重削弱。①数据正向传输过程：在1KHz-100KHz频段时干扰通道的幅值衰减在60-120dB之间，衰减很大；而在1MHz以上高频段时干扰通道的幅值衰减基本稳定在35.5dB。②信号反向传输过程：在1KHz-100KHz频段时干扰通道的幅值衰减在51.4-90dB之间，幅值衰减和频率之间呈近似线性；而在1MHz以上高频段时干扰通道的幅值衰减基本稳定在27.7dB。由以上的定量分析可知，虽然数据反向传输时干扰通道衰减性能比正向传输时差了一点，但从逆变输出到数据拾取端的干扰通道无论是对电能功率波，还是对逆变电路产生的高次谐波都会产生很大的削弱。换言之，电能传输对数据传输的干扰可以通过系统参数设计被忽略掉，由此也验证了前面理论分析的正确性。

通过仿真研究及仿真结果分析，数据传输回路的加入并不会对电能传输带来很大的影响；而电能传输过程对数据传输过程的干扰也比较小，求得数据传输通道的信噪比比较大，且数据传输通道的频带较宽、衰减较小。因此，数据传输系统可以利用OFDM调制解调技术实现高速数据无线传输。此外，也证实了系统所提出的电路拓扑结构、耦合线圈设计方法和数字调制解调技术能够保证电能与数据共享能量耦合线圈进行并行传输，验证了整个系统设计在理论上具有可行性。

为了进一步验证本发明所提出的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统的实际可行性，在理论分析、仿真研究及硬件电路设计的基础上根据图1搭建了实验测试平台。实验参数设置如表1所示，数据载波频率为2-28MHz，由于硬件电路中一些不可避免的误差，主电路软开关工作频率为43KHz。为了验证加入数据传输回路是否对原系统电能传输产生影响，首先对系统的电能传输性能进行了测试，其结果如图11所示。图11(a)为原系统电能传输波形图，图11(b)为增加数据传输回路后电能传输波形图。

由图11的实验结果可知，原系统工作频率为43.83kHz，且逆变器开关管的驱动在谐振电压过零点处进行切换，系统工作在软开关工作模式；此时，系统输出电压有效值为14.1V，输入电压有效值为20V，输入电流有效值为1.16A，系统输入输出功率分别为23.2W和19.88W，系统工作效率η＝85.7％。而加入数据传输回路后系统的逆变工作频率为43.836kHz，系统依然工作在软开关工作模式；此时，系统输出电压有效值为14.1V，输入电压有效值为20V，输入电流有效值为1.17A，系统输入输出功率分别为23.4W和19.88W，求得系统工作效率η＝85％。对比两种情况下的实验波形可知，系统的输出电压有效值基本不变，软开关工作频率改变了0.03KHz，输入电流增加了0.01A，效率降低了0.7％，电能传输性能只有细微变化，数据传输电路的引入对电能传输过程几乎没有影响。

为了直观地展示数据传输速率，使用了两台PC机在ICPT系统基础上构建了局域网，基于此局域网在两台PC机中新建共享文件夹，通过互相访问对方PC机共享文件夹中的文件，以及观察从此文件夹中读取/写入文件的速度来验证数据传输性能。在只进行数据传输时，传输速率达到了10.2MB/S，约为81Mbps，传输效果图见图12。

在系统电能与数据并行传输时，数据传输的实验结果如图13所示。图13(a)为数据正向传输实验波形图，图13(b)为数据反向传输实验波形图。

数据正反向传输均能稳定进行，数据载波收到了能量载波的些许干扰，随机产生了幅值相对较大的毛刺；反向传输时载波受到的干扰较大，解调传输的差分信号的频率相对小一点，但数据依然保持着高速传输特性。在实验中可以观察到随着电能功率的提升，数据传输速率不断降低，数据传输速率之所以会下降是因为随着电能功率的提升，谐振电流不断增加，数据传输回路的信噪比不断降低；电磁场强度不断增强，也会影响数据载波的传输性能，因而数据传输逐渐降低。但数据传输速率依然保持在10Mbps以上，这足以满足实际工程需要。

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，包括原边能量发射装置和副边能量接收装置，所述原边能量发射装置中设置有能量发射线圈L_p，所述副边能量接收装置中设置有能量接收线圈L_s，在所述原边能量发射装置中还设置有原边数据传输模块，该原边数据传输模块利用能量发射线圈L_p的部分匝数作为原边数据耦合线圈L_p1，在所述副边能量接收装置中还设置有副边数据传输模块，该副边数据传输模块利用能量接收线圈L_s的部分匝数作为副边数据耦合线圈L_s1，所述原边数据传输模块和所述副边数据传输模块利用所述原边数据耦合线圈L_p1和所述副边数据耦合线圈L_s1实现数据双向传输，数据传输速率最高达到15Mbps。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，包括原边能量发射装置和副边能量接收装置，所述原边能量发射装置中设置有能量发射线圈L_p，所述副边能量接收装置中设置有能量接收线圈L_s，所述能量发射线圈L_p和所述能量接收线圈L_s构成能量传输通道实现能量无线传输，其特征在于：在所述原边能量发射装置中还设置有原边数据传输模块，该原边数据传输模块利用能量发射线圈L_p的部分匝数作为原边数据耦合线圈L_p1，在所述副边能量接收装置中还设置有副边数据传输模块，该副边数据传输模块利用能量接收线圈L_s的部分匝数作为副边数据耦合线圈L_s1，所述原边数据传输模块和所述副边数据传输模块利用所述原边数据耦合线圈L_p1和所述副边数据耦合线圈L_s1构成数据传输通道实现数据双向传输；

所述能量发射线圈L_p和所述能量接收线圈L_s均是由励磁线绕制的平面线圈，选取最外侧部分匝数能量发射线圈L_p作为原边数据耦合线圈L_p1，并使其对应的电感大小关系为：

且L_p1＜＜L_p，同时，选取最外侧部分匝数能量接收线圈L_s作为副边数据耦合线圈L_s1，并使其对应的电感大小关系为：

且L_S1＜＜L_S，n₁和n₂为正整数；

所述原边数据传输模块还包括原边数据发送接收电路和原边数据调制解调电路，所述原边数据发送接收回路串接在所述原边数据耦合线圈L_p1的两端，所述原边数据调制解调电路与所述原边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取，所述副边数据传输模块还包括副边数据发送接收电路和副边数据调制解调电路，所述副边数据发送接收回路串接在所述副边数据耦合线圈L_s1的两端，所述副边数据调制解调电路与所述副边数据发送接收电路连接，以实现高频数据载波的加载和拾取。

2.根据权利要求1所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，所述原边数据发送接收电路包括电容C₁、数据载波拾取电阻R₁以及稳压管D₁，其中，所述电容C₁、数据载波拾取电阻R₁与所述原边数据耦合线圈L_p1串联，所述稳压管D₁与所述数据载波拾取电阻R₁并联，所述原边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₁并联。

3.根据权利要求1所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，所述副边数据发送接收电路包括电容C₂、数据载波拾取电阻R₂和稳压管D₂，其中，所述电容C₂、数据载波拾取电阻R₂与所述副边数据耦合线圈L_s1串联，所述稳压管D₂与所述数据载波拾取电阻R₂并联，所述副边数据调制解调电路与所述数据载波拾取电阻R₂并联。

4.根据权利要求1所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，所述原边能量发射装置包括依次相连的直流输入电源、高频逆变电路以及原边谐振电路，所述副边能量接收装置包括依次相连的副边谐振电路、整流滤波电路以及负载。

5.根据权利要求4所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，所述原边谐振电路包括能量发射线圈L_p和补偿电容C_p，所述能量发射线圈L_p与所述补偿电容C_p并联，所述副边谐振电路包括能量接收线圈L_s和补偿电容C_s，所述能量接收线圈L_s与所述补偿电容C_s串联。

6.根据权利要求1所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，所述原边数据调制解调电路和所述副边数据调制解调电路均采用OFDM进行数字信号的调制与解调，其中，

在发送端，将发送的数据交织形成N个发送序列d(0)、d(1)、……、d(N-1)，进行串并转换；将信号调制到f₀、……、f_N-1的N个正交的子载波上，f_n＝f₀+n/T，f₀为最低的子载波频率，相邻的子载波频率间隔是1/T；调制后的系统合成包络，得到实际输出信号

式中，d(n)为第n个被调制的信号；

在接收端，系统使用相同的N个子载波信号分别对接收信号进行混频和积分，利用子载波的正交性，将各子载波上有效信号分离出来，

式中，

为接收端第m个子信道的输出，T为延长分路后的码元周期。

7.根据权利要求6所述的基于部分能量线圈的ICPT双向数据传输系统，其特征在于，在发送端，通过N点离散傅里叶反变换将频域数据符号s(k)，经过载波调制后，发送到信道中，在接收端，将接收信号进行相干解调，然后将基带信号进行N点离散傅里叶变换，即可获得发送的数据符号d_i。

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