CN109687598A - 一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性宇称‑时间对称电路的能量与信息传输装置，包括数据发送端、数据接收端、振荡器、接收线圈和发射线圈；数据发送端的一端与数据接收端的一端通过接收线圈和发射线圈采用磁耦合的方式实现能量和信息的无线传输，数据发送端的另一端与数据接收端的另一端分别通过串口调试助手与电脑相连用来发送和接收数据。本发明基于非线性磁共振耦合无线能量传输技术包含了两个相互耦合线圈的宇称时间（PT）对称电路中，引入非线性增益饱和机制，便可以使两个直径为58cm的线圈在20~70cm区间内保持近似100%的传输效率,该技术的出现，提供了一种利用电子元器件自身性质，实现自适应共振方法，电路实现简单，为无线能量传输领域开辟了一条新道路。
Description
技术领域
本发明属于无线传输技术，具体涉及一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置。
背景技术
目前，电气工程领域很受关注的一项技术是关于能量和信息的无线传输，这项技术是与人工智能技术等多种技术被称为引领未来的关键。与传统的有线技术相比，无线传输技术具有灵活性高、安全性高、可靠性强等优点。如今无线传输可分为：磁（场）耦合式、电（场）耦合式、电磁辐射式（如太阳辐射）、机械波耦合式（超声）等方式。磁耦合式是21世纪初研究最为火热的一种无线传输方式，将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现能量和信息的无线传输。
用基于非线性宇称-时间对称的电路来传递能量的具体功能已由“SidAssawaworrarit, Xiaofang Yu , Shanhui Fan. Robust wireless power transferusing a nonlinear parity time-symmetric circuit. Nature，2017, 546: 387–390.DOI: 10.1038/nature22404。”公开。
2007年，美国MIT的Marin Soljacic提出的磁共振耦合无线电能传输系统采用四线圈工作制，如图6所示，从左至右依次为驱动线圈A、发送线圈S、接收线圈D、拾取线圈B，A与S位于电能发送端，D与B位于电能接收端，收发端无直接物理接触，并可发生相对运动，线圈S与D为中继线圈，固有频率一致。当驱动线圈输入激励信号频率与中继线圈固有频率一致时，收发端处于电磁共振耦合运行状态，以实现能量大距离、高效率传输，有效传输距离可达线圈直径的三至五倍。但是该系统当收发端相对位置变动、线圈参数或负载波动均会引起系统共振频率的偏移，工作频率与系统实际共振频率不重合会引起传输性能的急剧下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，解决了传统的有线传输技术在极端条件下拆卸不方便、需要布线过长、安装环境比较苛刻等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，包括数据发送端、数据接收端、振荡器、接收线圈和发射线圈；数据发送端的一端与数据接收端的一端通过接收线圈和发射线圈采用磁耦合的方式实现能量和信息的无线传输，数据发送端的另一端与数据接收端的另一端分别通过串口调试助手与电脑相连用来发送和接收数据。
数据发送端包括电源模块、调制模块、数据发送模块和振荡器；电源模块输入端连接12V的直流电，输出端输出±12V、±5V和3.3V三组电压，同时隔离地把GND变为G12，3.3V电压一端接入发送数据模块，为发送数据模块供电，±12V、±5V电压均接入调制模块，为调制模块供电；3.3V电压另一端通过串口调试助手与电脑相连，发送数据模块通过隔离器Si8663使得电源模块的EN-Power端口、A0-Power端口分别与调制模块的EN-Power1、A0-Power-1端口连接；调制模块用于输出调制电压，调制模块的1管脚连接振荡器的4管脚，9管脚连接振荡器的7管脚；振荡器连接发射线圈，发射线圈和数据接收端的接收线圈通过磁耦合的方式连接；数据发送模块把接收到的信息以高低电平的形式输入到调制模块，调制模块根据接收到的高低电平输出±12V、±5V的电压，调制模块输出的电压接到振荡器电压反馈放大器的两端产生正弦信号，产生的正弦信号输出到发送线圈。
数据接收端包括整流模块、数据接收模块、降压模块和信息解调模块，接收线圈分别连接整流模块和信息解调模块，整流模块与降压模块连接，数据接收模块分别与信息解调模块和降压模块连接，数据接收模块通过串口调试助手与电脑相连；发送线圈的正弦信号通过磁耦合的方式传递到接收线圈，接收线圈接收到的信号分别输入到信息解调模块和整流模块，信息解调模块把接收到的正弦信号解调为数字信号然后输入到数据接收模块，整流模块把接收到的交流电转变为直流电输入到降压模块，降压模块把接收到的直流电转变为稳定的2V直流电压给数据接收模块供电，数据接收模块把接收到的数字信号通过串口调试助手显示在计算机上。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：基于非线性磁共振耦合无线能量传输技术包含了两个相互耦合线圈的宇称时间（PT）对称电路中，引入非线性增益饱和机制，便可以使两个直径为58cm的线圈在20~70cm区间内保持近似100%的传输效率, 该技术的出现，提供了一种利用电子元器件自身性质，实现自适应共振方法，电路实现简单，为无线能量传输领域开辟了一条新道路。
附图说明
图1为本发明基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置的整体框图。
图2为本发明的信息解调模块原理图。
图3为本发明的调制模块原理图。
图4为本发明产生正弦信号的原理图。
图5为本发明的整流电路原理图。
图6为磁共振耦合无线电能传输系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明所述的一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，包括数据发送端、数据接收端、振荡器、接收线圈和发射线圈。数据发送端的一端与数据接收端的一端通过接收线圈和发射线圈采用磁耦合的方式实现能量和信息的无线传输，数据发送端的另一端与数据接收端的另一端分别通过串口调试助手与电脑相连用来发送和接收数据。
数据发送端包括电源模块、调制模块、数据发送模块和振荡器；电源模块输入端连接12V的直流电，输出端输出±12V、±5V和3.3V三组电压，同时隔离地把GND变为G12，3.3V电压一端接入发送数据模块，为发送数据模块供电，±12V、±5V电压均接入调制模块，为调制模块供电；3.3V电压另一端通过串口调试助手与电脑相连，发送数据模块通过隔离器Si8663使得电源模块的EN-Power端口、A0-Power端口分别与调制模块的EN-Power1、A0-Power-1端口连接；调制模块用于输出调制电压，调制模块的1管脚连接振荡器的4管脚，9管脚连接振荡器的7管脚；振荡器连接发射线圈，发射线圈和数据接收端的接收线圈通过磁耦合的方式连接。数据发送模块把接收到的信息以高低电平的形式输入到调制模块，调制模块根据接收到的高低电平输出±12V、±5V的电压，调制模块输出的电压接到振荡器电压反馈放大器的两端，产生的正弦信号输出到发送线圈。
数据接收端包括整流模块、数据接收模块、降压模块和信息解调模块，接收线圈分别连接整流模块和信息解调模块，整流模块与降压模块连接，数据接收模块分别与信息解调模块和降压模块连接，数据接收模块通过串口调试助手与电脑相连。发送线圈的正弦信号通过磁耦合的方式传递到接收线圈，接收线圈接收到的信号分别输入到信息解调模块和整流模块，信息解调模块把接收到的正弦信号解调为数字信号然后输入到数据接收模块，整流模块把接收到的交流电转变为直流电输入到降压模块，降压模块把接收到的直流电转变为稳定的2V直流电压给数据接收模块供电，数据接收模块把接收到的数字信号通过串口调试助手显示在计算机上。
结合图2，所述信息解调模块包括第三分压电阻R3、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第七分压电阻R7、比较器（TLV3491AIDR）、第七电容C7、第八电容C8和包络检波电路，包络检波电路包括第四电阻R4、第一电容C1和第一二极管D1。信息解调模块从第一二极管D1正极输入信号，经过包络检波电路和第三分压电阻R3和第五分压电阻R5把输出的电压接到比较器的3管脚，比较器的4管脚接地，从整流模块输出的2V电压一部分经过第六分压电阻R6、第七分压电阻R7接到比较器的2管脚，第七电容C7、第八电容C8并联一端接2V的电压另一端接比较器的7管脚，第三分压电阻R3、第五分压电阻R5进行分压，把分压后的正弦信号输入比较器，从而输出一个数字信号。
结合图3和图4，调制模块所述调制模块包括多路复用器（ADG1436YCPZ-REEL）及其外围电路构成，是多路复用器的最小系统，用于调节输出的正弦信号的幅值，把接收到的±12的正弦电压转变为±12V和±5V输出，通过多路复用器ADG1436YCPZ-REEL输出的电压为电压反馈放大器LM7171供电，从而通过电源电压来调节输出的正弦信号的幅值。
所述电源模块包括第一稳压器（AMS1117-3.0）、第一集成电源模块（转±5V的VRA1205ZP-10WR3）、第二集成电源模块（转±12V的VRA1205ZP-10WR3）和两个第二稳压器（AMS1117-5.0），其中第一稳压器与一个第二稳压器串联后再与第二集成电源模块并联，另一个第二稳压器与第一集成电源模块串联后再与第二集成电源模块并联。
结合图5，所述整流模块匹配电路、全桥整流电路、限流电路和稳压电路，匹配电路一端连接接收线圈，另一端连接全桥整流电路的一端，全桥整流电路的另一端连接限流电路的一端，限流电路另一端连接稳压电路的一端，稳压电路的另一端把输出的信号连接到高效同步降压型DC-DC转换器（TPS62120DCNR）的1、3管脚。
匹配电路包括并联的第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6，全桥整流电路包括2个肖特基二极管（BAT54SFILM），限流电路包括并联的第一限流电阻R1和第二限流电阻R2，稳压电路包括第二充电电容C2和第二MOS管D2。全桥整流电路用于把交流信号转变为直流信号，采用两个限流电阻防止电流过大，第二充电电容C2和第二MOS管D2使输出的电压能够稳定。
所述降压模块由高效同步降压型DC-DC转换器TPS62120DCNR及其供电电路构成，用于输出的稳定的2V电压。
所述数据发送模块包括发送芯片（C8051F580IQ）、UART串口电路及其供电电路构成，UART串口电路中的BMS的3管脚接地，4管脚连接3.3V的输入电压，用于将发送过来的信息输出为高低电平，通过高低电平控调制模块的电压输出。
所述数据接收模块包括接收芯片（MSP430F149）、UART串口电路及其供电电路构成，UART串口电路中BMS的3管脚接地，4管脚连接2V的输入电压，用于处理数据发送模块发送的信息。
本发明所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置的使用过程如下：
步骤一，接通12V的直流电源，通过电源模块转化为3.3V的电压为数据发送模块和串口调试助手供电，当数据发送模块P1.5置低，指示灯D2点亮，数据发送模块正常工作，转入步骤二。
步骤二，用串口调试助手把数据发送模块与电脑相连，数据发送模块的RX连接串口调试助手的TX，数据发送模块的TX连接串口调试助手的RX，用电脑给数据发送模块发送一个传送能量的指令，数据发送模块的P1.3引脚输出高电平，发送能量传输指令后EN-Power1，A0-Power-1端同时置1，调制模块的多路复用器的D1端口与S1A端口联通、D2端口与S2A端口联通，输出±12V的电压接到振荡器的电压反馈放大器的两端，通过示波器可以看到发送线圈两端输出一个±12V的正弦信号，通过TX端口给电脑发出一个发送成功的指令，接收端指示灯D6被点亮，确定数据接收端激活，整个系统可以正常工作转入步骤三。
步骤三，用串口调试助手发送一段信息传输指令，EN-Power1置1，多路复用器ADG1436YCPZ-REEL工作，A0-Power-1置1时，多路复用器ADG1436YCPZ-REEL的D1端口与S1A端口联通、D2端口与S2A端口联通，输出±12V的电压，A0-Power-1置0时，多路复用器ADG1436YCPZ-REEL的D1端口与S1B端口联通、D2端口与S2B端口联通，输出±5V的电压，连接到电压反馈放大器的两端，从而在发射线圈两端输出一段±12V或±5V的正弦信号，通过磁场耦合，将调制后的信息传递给接收线圈，转入步骤四。
步骤四，在数据接收端，接收到的正弦信号一方面进入整流模块，通过全桥整流电路和限流电阻把输出的电压接到降压模块，经过降压模块输出2V电压，为数据接收模块（MSP430F149）、比较器（TLV3491AIDR）供电，另一方面进入信息解调模块，正弦信号经过包络检波电路后再通过R3、R5分压，得到的信号输入到比较器输出一个数字信号，转入步骤五。
步骤五，数据接收模块通过降压模块输出的2V电压供电，二极管D6点亮，数据接收模块能够正常工作，数据接收模块的P3.5端口接收解调模块输出的数字信号，经过处理后通过P3.4端口把接收到的信息发送回电脑，比较接收的信息与发送的信息是否一致，一致则转入步骤六。
步骤六，移动两个线圈之间的距离，在120mm内（两线圈直径为90mm时），线圈之间的距离对信息的传递没有影响。
步骤七，发送关闭指令，数据发送端和数据接收端的指示二极管熄灭。数据发送端与数据接收端停止工作，信息传输完成。
Claims (8)
1.一种基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：包括数据发送端、数据接收端、振荡器、接收线圈和发射线圈；数据发送端的一端与数据接收端的一端通过接收线圈和发射线圈采用磁耦合的方式实现能量和信息的无线传输，数据发送端的另一端与数据接收端的另一端分别通过串口调试助手与电脑相连用来发送和接收数据。
2.根据权利要求1所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：数据发送端包括电源模块、调制模块、数据发送模块和振荡器；电源模块输入端连接12V的直流电，输出端输出±12V、±5V和3.3V三组电压，同时隔离地把GND变为G12，3.3V电压一端接入发送数据模块，为发送数据模块供电，±12V、±5V电压均接入调制模块，为调制模块供电；3.3V电压另一端通过串口调试助手与电脑相连，发送数据模块通过隔离器Si8663使得电源模块的EN-Power端口、A0-Power端口分别与调制模块的EN-Power1、A0-Power-1端口连接；调制模块用于输出调制电压，调制模块的1管脚连接振荡器的4管脚，9管脚连接振荡器的7管脚；振荡器连接发射线圈，发射线圈和数据接收端的接收线圈通过磁耦合的方式连接；数据发送模块把接收到的信息以高低电平的形式输入到调制模块，调制模块根据接收到的高低电平输出±12V、±5V的电压，调制模块输出的电压接到振荡器电压反馈放大器的两端产生正弦信号，产生的正弦信号输出到发送线圈。
3.根据权利要求2所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：数据接收端包括整流模块、数据接收模块、降压模块和信息解调模块，接收线圈分别连接整流模块和信息解调模块，整流模块与降压模块连接，数据接收模块分别与信息解调模块和降压模块连接，数据接收模块通过串口调试助手与电脑相连；发送线圈的正弦信号通过磁耦合的方式传递到接收线圈，接收线圈接收到的信号分别输入到信息解调模块和整流模块，信息解调模块把接收到的正弦信号解调为数字信号然后输入到数据接收模块，整流模块把接收到的交流电转变为直流电输入到降压模块，降压模块把接收到的直流电转变为稳定的2V直流电压给数据接收模块供电，数据接收模块把接收到的数字信号通过串口调试助手显示在计算机上。
4.根据权利要求3所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：所述信息解调模块包括第三分压电阻R3、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6、第七分压电阻R7、比较器、第七电容C7、第八电容C8和包络检波电路，包络检波电路包括第四电阻R4、第一电容C1和第一二极管D1；信息解调模块从第一二极管D1正极输入信号，经过包络检波电路和第三分压电阻R3和第五分压电阻R5把输出的电压接到比较器的3管脚，比较器的4管脚接地，从整流模块输出的2V电压一部分经过第六分压电阻R6、第七分压电阻R7接到比较器的2管脚，第七电容C7、第八电容C8并联一端接2V的电压另一端接比较器的7管脚，第三分压电阻R3、第五分压电阻R5进行分压，把分压后的正弦信号输入比较器，从而输出一个数字信号。
5.根据权利要求3所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：调制模块把接收到的±12的正弦电压转变为±12V和±5V输出，通过多路复用器ADG1436YCPZ-REEL输出的电压为电压反馈放大器LM7171供电，从而通过电源电压来调节输出的正弦信号的幅值。
6.根据权利要求3所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：电源模块包括第一稳压器、第一集成电源模块、第二集成电源模块和两个第二稳压器，其中第一稳压器与一个第二稳压器串联后再与第二集成电源模块并联，另一个第二稳压器与第一集成电源模块串联后再与第二集成电源模块并联。
7.根据权利要求3所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：所述整流模块匹配电路、全桥整流电路、限流电路和稳压电路，匹配电路一端连接接收线圈，另一端连接全桥整流电路的一端，全桥整流电路的另一端连接限流电路的一端，限流电路另一端连接稳压电路的一端，稳压电路的另一端把输出的信号连接到高效同步降压型DC-DC转换器的1、3管脚。
8.根据权利要求3所述的基于非线性宇称-时间对称电路的能量与信息传输装置，其特征在于：降压模块由高效同步降压型DC-DC转换器及其供电电路构成，用于输出的稳定的2V电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190426 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |