CN107994927A - 一种多设备间电能和信息同步无线传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种多设备间电能和信息同步无线传输系统与方法。多设备间电能和信息同步无线传输系统包括主节点和多个从节点，采用磁耦合谐振无线传输技术原理。主节点和从节点的多谐振无线收发线圈具有两个共振频点，其中低频点主要用于主节点为各从节点供电，高频点用于主节点和各从节点间信息交互。

Description

一种多设备间电能和信息同步无线传输系统和方法

技术领域

本发明涉及一种多设备间电能和信息同步无线传输系统与方法。

背景技术

航空航天飞行器、车辆、船舶等装备的电气电子系统内部均为复杂的电能和信息交互网络，传统系统设计均采用电缆进行信息和电能的传输，从而构成复杂的电缆网，连接复杂，设计生产安装过程的工作量很大，且极易发生故障，此外这些电缆也占用了很大的重量和空间，严重影响装备性能。

目前国内外关于无线电能与信息同步传输技术开展了初步的研究，实现了基本的点对点传输，主要通过如下几种技术手段：增设信号线圈实现电能信号并行传输、调制开关电能通道调幅调制信号、多软开关工作点功率传输差异调制、能量载波。但目前的技术均无法满足复杂电气系统内电能和信息的交互需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

本发明提出一种适用于航空航天飞行器、车辆、船舶等装备复杂电气系统的电能和信息同步无线传输方法，仅使用一套无线传输机构，即可实现全电气系统无缆化互联。

本发明的技术解决方案是：

一种多设备间电能和信息同步无线传输系统，包括：主节点和多个从节点；

主节点包括主设备、信号传输部分、电能传输部分和多谐振无线收发线圈；

从节点包括从设备、信号传输部分、电能接收部分和多谐振无线收发线圈；

在主节点向从节点供应电能时，主设备上电，并调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，主设备的电能经过电能传输部分到达主节点的多谐振无线收发线圈，并通过低频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过电能接收部分传输至从设备；

在主节点向从节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，主设备的信号通过主节点的信号传输部分加载至主节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过从节点的信号传输部分传输至从设备。

根据本发明的实施例，在主节点向从节点传输信号之前，先由主节点向从节点供应电能达到预定时间，使得从节点达到稳定工作状态。

根据本发明的实施例，电能传输部分包括高频逆变模块，用于将主设备提供的直流电转换为交流电，并传输至主节点的多谐振无线收发线圈。

根据本发明的实施例，电能接收部分包括整流滤波模块和稳压变换模块；

整流滤波模块用于接收从节点的多谐振无线收发线圈传输的交流电，并对交流电进行整流以形成直流电，并滤除直流电中的高频谐波，随后将滤波后的直流电传输至稳压变换模块；

稳压变换模块用于将滤波后的直流电变换为从设备所需的电压水平。

根据本发明的实施例，主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈均包括两组电容器和一组电感器，通过调节一组电容器的参数来实现低频谐振点共振，通过调节另一组电容器的参数来实现高频谐振点共振。

根据本发明的实施例，在多个从节点向主节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，各个从设备在信号总线周期内分配的时段内通过从节点的信号传输部分加载至从节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至主节点的多谐振无线收发线圈，随后通过主节点的信号传输部分传输至主设备。

根据本发明的实施例，主节点的信号传输部分包括主节点总线通信接口、主节点信号调制模块、主节点信号检测模块和主节点信号解调模块；

主节点总线通信接口，在主节点向从节点传输信号时，将主设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在从节点向主节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至主设备；

主节点信号检测模块，在从节点向主节点传输信号时，检测主节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块；

主节点信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送至总线通信接口；

主节点信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至主节点的多谐振无线收发线圈。

根据本发明的实施例，从节点的信号传输部分包括从节点总线通信接口、从节点信号调制模块、从节点信号检测模块和从节点信号解调模块；

从节点总线通信接口，在从节点向主节点传输信号时，将从设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在主节点向从节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至从设备；

从节点信号检测模块，在主节点向从节点传输信号时，检测从节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块；

从节点信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送至总线通信接口；

从节点信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至从节点的多谐振无线收发线圈。

一种多设备间电能和信息同步无线传输方法，包括以下步骤：

S1、主节点上电，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，以实现主节点向从节点供应电能；

S2、主节点向从节点供应电能达到预定时间后，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，以实现主节点向从节点传输信号；

S3、在多个从节点向主节点传输信号时，各个从节点在总线周期内分配的时段内向主节点发送信号。

根据本发明的实施例，多设备间电能和信息同步无线传输方法还包括以下步骤：

(1)在信息传输完成后，主节点停止传输信号；

(2)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止高频谐振点共振；

(3)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止低频谐振点共振；

(4)主节点断电。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明为实现复杂电气系统无缆化设计提供了可行方法，有效简化系统设计，减轻系统重量；

(2)本发明提出的轨道式系统结构形式，有效简化了多节点无线收发装置间磁耦合机构设计，高效而实用；

(3)本发明提出的总线式电能和信息一体化无线传输方式，有效解决了电气系统多节点间电能和信息的交互问题。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的多设备间电能和信息同步无线传输系统结构形式示意图。

图2是根据本发明的实施例的电能流和信号流示意图。

图3是根据本发明的实施例的多设备间电能和信息同步无线传输系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，详细描述本发明的实施例。

如图1所示，多设备间电能和信息同步无线传输系统包括主节点和多个从节点，采用磁耦合谐振无线传输技术原理，主节点和从节点安装于轨道形式的设备安装板上。主节点和从节点的多谐振无线收发线圈具有两个共振频点，其中低频点主要用于主节点为各从节点供电，高频点用于主节点和各从节点间信息交互。

系统为各节点分配总线通信地址，每个节点均有唯一地址，各节点间通信协议满足GJBZ209-2002《数字式时分制指令响应型多路传输数据总线应用手册》。

如图3所示，主节点包括主设备、信号传输部分、电能传输部分和多谐振无线收发线圈。

主节点的信号传输部分包括总线通信接口、信号调制模块、信号检测模块和信号解调模块。总线通信接口，在主节点向从节点传输信号时，将主设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在从节点向主节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至主设备。信号检测模块，在从节点向主节点传输信号时，检测主节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块。信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送至总线通信接口。信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至主节点的多谐振无线收发线圈。

主节点的电能传输部分包括高频逆变模块，用于将主设备提供的直流电转换为交流电，并传输至主节点的多谐振无线收发线圈。在示例中，高频逆变模块可以是半桥逆变，全桥逆变，E类变换器等。

多个从节点分别包括从设备、信号传输部分、电能接收部分和多谐振无线收发线圈。

从节点的信号传输部分包括总线通信接口、信号调制模块、信号检测模块和信号解调模块。

从节点的总线通信接口，在从节点向主节点传输信号时，将从设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在主节点向从节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至从设备。信号检测模块，在主节点向从节点传输信号时，检测从节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块。信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，信号解调模块可将信号从载波信号中解调出来，并将解调后的信号发送至总线通信接口。信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至从节点的多谐振无线收发线圈。

从节点的电能接收部分包括整流滤波模块和稳压变换模块。

整流滤波模块用于接收从节点的多谐振无线收发线圈传输的交流电，并对交流电进行整流以形成直流电，并滤除直流电中的高频谐波，随后将滤波后的直流电传输至稳压变换模块。整流滤波模块可采用半波整流、全波整流、倍压整流、桥式整流等形式。稳压变换模块用于将滤波后的直流电变换为从设备所需的电压水平。

主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈均包括两组电容器和一组电感器，通过调节一组电容器的参数来实现低频谐振点共振，通过调节另一组电容器的参数来实现高频谐振点共振。

主节点和从节点之间的电能流和信号流如图2所示。在主节点向从节点供应电能时，主设备上电，并调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的一组电感器参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，主设备的电能经过高频逆变模块转换为交流电后，到达主节点的多谐振无线收发线圈，并通过低频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过整流滤波模块和稳压变换模块后传输至从设备。

在主节点向从节点传输信号之前，先由主节点向从节点供应电能达到预定时间，使得从节点达到稳定工作状态。在主节点向从节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的另一组电容器参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，主设备的信号通过主节点的信号总线通信接口和信号调制模块加载至主节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过从节点的信号检测模块、信号解调模块和总线通信接口传输至从设备。

在本发明的实施例中，还可利用高频谐振点共振传输少量电能，从节点将高低两个频点发送过来的电能均进行整流变换以供给从设备。

在多个从节点向主节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，各个从设备在信号总线周期内分配的时段内通过从节点的总线通信接口和信号调制模块加载至从节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至主节点的多谐振无线收发线圈，随后通过主节点的信号检测模块、信号解调模块和总线通信接口传输至主设备。

根据以上多设备间电能和信息同步无线传输系统，本发明还提供一种多设备间电能和信息同步无线传输方法，包括以下步骤：

S1、主节点上电，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，以实现主节点向从节点供应电能。即主设备提供的电能经过高频逆变模块转换成交流电后，通过多谐振无线收发线圈之间的低频谐振点共振到达从节点，再经过整流滤波模块转换为直流电并经过稳压变化成从设备所需的电压水平之后，提供给从设备。

S2、主节点向从节点供应电能达到预定时间后，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，以实现主节点向从节点传输信号。即主设备经过总线通信接口转换为总线标准信号，并经过信号调制后，通过多谐振无线收发线圈之间的高频谐振点共振传输至从节点，从节点的信号检测模块检测到该信号，并经过解调发送至从节点的总线通信接口，转换为总线标准信号后提供给从设备。其中，主节点上电后首先给各从节点发送总线自检和时间同步命令，待总线各节点均反馈正常后，主节点和从节点总线通信进入正常工作模式。

S3、在多个从节点向主节点传输信号时，各个从节点在总线周期内分配的时段内向主节点发送信号。即从设备的信号通过总线通信接口转换为总线标准信号，并经过信号调制后，通过多谐振无线收发线圈之间的高频谐振点共振传输至主节点，主节点的信号检测模块检测到该信号，并经过解调发送至主节点的总线通信接口，转换为总线标准信号后提供给主设备。

在主设备和从设备的信息传输完成后，可关闭该系统，具体步骤如下：

(1)在信息传输完成后，主节点停止传输信号。

(2)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止高频谐振点共振，即断开主节点和从节点之间的信号通信。

(3)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止低频谐振点共振，即主节点停止向从节点供电。

(4)主节点断电。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，包括：主节点和多个从节点；

主节点包括主设备、信号传输部分、电能传输部分和多谐振无线收发线圈；

从节点包括从设备、信号传输部分、电能接收部分和多谐振无线收发线圈；

在主节点向从节点供应电能时，主设备上电，并调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，主设备的电能经过电能传输部分到达主节点的多谐振无线收发线圈，并通过低频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过电能接收部分传输至从设备；

在主节点向从节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，主设备的信号通过主节点的信号传输部分加载至主节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至从节点的多谐振无线收发线圈，随后通过从节点的信号传输部分传输至从设备。

2.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，在主节点向从节点传输信号之前，先由主节点向从节点供应电能达到预定时间，使得从节点达到稳定工作状态。

3.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，电能传输部分包括高频逆变模块，用于将主设备提供的直流电转换为交流电，并传输至主节点的多谐振无线收发线圈。

4.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，电能接收部分包括整流滤波模块和稳压变换模块；

整流滤波模块用于接收从节点的多谐振无线收发线圈传输的交流电，并对交流电进行整流以形成直流电，并滤除直流电中的高频谐波，随后将滤波后的直流电传输至稳压变换模块；

稳压变换模块用于将滤波后的直流电变换为从设备所需的电压水平。

5.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈均包括两组电容器和一组电感器，通过调节一组电容器的参数来实现低频谐振点共振，通过调节另一组电容器的参数来实现高频谐振点共振。

6.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，在多个从节点向主节点传输信号时，在主节点向从节点供应电能的情况下，各个从设备在信号总线周期内分配的时段内通过从节点的信号传输部分加载至从节点的多谐振无线收发线圈，并通过高频谐振点共振传输至主节点的多谐振无线收发线圈，随后通过主节点的信号传输部分传输至主设备。

7.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，主节点的信号传输部分包括主节点总线通信接口、主节点信号调制模块、主节点信号检测模块和主节点信号解调模块；

主节点总线通信接口，在主节点向从节点传输信号时，将主设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在从节点向主节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至主设备；

主节点信号检测模块，在从节点向主节点传输信号时，检测主节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块；

主节点信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送至总线通信接口；

主节点信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至主节点的多谐振无线收发线圈。

8.根据权利要求1所述的多设备间电能和信息同步无线传输系统，其特征在于，从节点的信号传输部分包括从节点总线通信接口、从节点信号调制模块、从节点信号检测模块和从节点信号解调模块；

从节点总线通信接口，在从节点向主节点传输信号时，将从设备的信号转换为总线标准信号并发送至信号调制模块；在主节点向从节点传输信号时，将从信号解调模块接收的信号转换为总线标准信号并发送至从设备；

从节点信号检测模块，在主节点向从节点传输信号时，检测从节点的多谐振无线收发线圈接收的信号，并发送至信号解调模块；

从节点信号解调模块，对从检测模块接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送至总线通信接口；

从节点信号调制模块，对总线通信接口发送的总线标准信号进行调制，并加载至从节点的多谐振无线收发线圈。

9.一种多设备间电能和信息同步无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、主节点上电，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在低频谐振点共振，以实现主节点向从节点供应电能；

S2、主节点向从节点供应电能达到预定时间后，调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，使主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈在高频谐振点共振，以实现主节点向从节点传输信号；

S3、在多个从节点向主节点传输信号时，各个从节点在总线周期内分配的时段内向主节点发送信号。

10.根据权利要求9所述的多设备间电能和信息同步无线传输方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(1)在信息传输完成后，主节点停止传输信号；

(2)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止高频谐振点共振；

(3)调节主节点的多谐振无线收发线圈和从节点的多谐振无线收发线圈的参数，以停止低频谐振点共振；

(4)主节点断电。