CN112583451A - 共享通道无线电能与数据同步传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共享通道无线电能与数据同步传输系统及传输方法，以发射线圈电压U_p作为发射端时钟参考信号，当U_p为正半周时发射端时钟信号为高电平，当U_p为负半周时发射端时钟信号为低电平，时钟信号频率与U_p频率相同。在发射线圈电压U_p正半周将数据信号发送出去，即数字信号为“1”时，发射线圈电压U_p正半周叠加高频信号，数字信号为“0”时，发射线圈电压U_p正半周不叠加高频信号。高频信号传输至二次侧，经过带通滤波器、包络检波器以及滞回电压比较器等环节将高频信号转换为数字信号，以时钟周期内高电平或低电平的持续时间对数据进行解析。本发明提高了水下数据传输准确性与传输速度。

Description

共享通道无线电能与数据同步传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及一种共享通道无线电能与数据同步传输系统及数据传输方法，特别是一种基于高频注入式的共享通道水下无线电能与数据同步传输系统和传输方法，属于无线电能传输领域。

背景技术

在无线电能传输系统(Wireless Power Transmission，WPT)中，通常需要在能量传输基础上，实现一次侧和二次侧信息交流，即实现无线电能与数据同步传输。按照能量与数据传输通道是否分离，分为分离通道传输和共享通道传输两种方式。分离通道传输是指能量传输通道与数据传输通道在空间上相互分离，采用两套松耦合变压器分别传输能量和数据。由于分离通道传输方式需要额外增加一套数据调制解调系统，增大了硬件设计的成本和难度，且电能传输系统功率一般远大于数据传输系统的功率，所以能量传输会对数据传输造成较为严重的干扰，甚至导致数据信号无法解调。共享通道传输是指利用一套能量耦合线圈同时进行电能和数据的传输，该传输方式按照数据调制原理的不同，又可分为能量调制式和高频注入式两种方法。

能量调制式即根据一侧的发送数据对WPT系统传输的电能波形直接进行调制，一般是通过改变电能波形的幅值来表征传输的数据，例如幅值大的部分表示传输数据“1”，幅值小的部分表示传输数据“0”等。另一侧将耦合得到的电能波形部分提取出来，经过稳压器稳压后送入包络检波电路提取能量包络信息流，再经过电压比较器即可解调输出数据信号。能量调制方式优点是数据传输正确率高，缺点是信号传输速率较低，远小于能量传输频率，而且严重影响能量传输。高频注入式即将数据调制后的数据载波通过耦合线圈加载到一次侧电能波上完成信号的注入与同步传输，在二次侧通过另外一组耦合线圈提取叠加波形，经过高通滤波滤除频率较低的能量波，留下频率较高的数据载波，再经过稳压、放大后送入包络检波电路，经电压比较器解调出原来的数据信号。高频注入方式优点是传输速率高且对能量传输影响小，缺点是容易受到干扰。

实现高频注入方式的一种拓扑结构如图1所示，以数据由一次侧传输至二次侧为例(一次侧指能量发送侧，二次侧指能量接收侧，下同)，数据由二次侧传输至一次侧的原理相同。如图1所示，一次侧发送数据，通过控制开关管S_D1与S_D2将直流电压U_DP转换为高频交流电，电容C_DP与变压器T_DP一次侧绕组实现高频振荡，将高频信号放大，变压器T_DP二次侧绕组将该高频信号添加至发射线圈。二次侧变压器T_DS绕组检测到高频信号，该高频信号经过带通滤波器、包络检波器以及滞回电压比较器等环节将高频信号转换为数字信号。

如图1所示电路框图的数据传输理论波形如图2所示，当发送数据“1”时，发送电路的开关管S_D1与S_D2被互补的占空比为50％的PWM驱动信号高频驱动，将直流电压U_DP转换为高频交流电，发射线圈电压U_P被叠加上高频信号。该高频信号与能量一起被传送至二次侧，紧耦合变压器T_DS的线圈与C_DS谐振将该高频信号放大，最后在检测电阻R_S上测量该信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，然后经过包络检波器以及滞回电压比较器将数字信号“1”还原。当发送数据“0”时，开关管S_D1与S_D2关闭，没有高频信号。

数据由一次侧传输至二次侧之后，需要对收到的数据进行解析。传统的无线电能与数据传输方式属于串行异步方式传输，其解析依赖于开始位以及准确的波特率。如果数据传输中受到干扰，则会导致传输失败，图3为受到干扰后数据的解析问题。波特率决定数据采样点，如果干扰发生在波特率决定的采样点附近，则会得到错误的解析结果。当数据受到干扰后，数据出现错误解析，当标志位受到干扰，如开始位受到干扰则会导致数据丢失。

而水下无线电能传输系统存在较多干扰源，导致高频注入式信号传输方式误码率高，甚至无法实现数据传输。水下无线电能与输出同步传输系统的干扰源主要包括：海水对高频信号衰减明显，导致耦合至二次侧的高频载波信号较弱；由于洋流原因，无线电能传输的松耦合变压器会存在低频的位移扰动，带来耦合系数变化，导致高频载波信号幅值变化；一次侧采用电压型逆变电路，开关管开关瞬间产生高频电磁干扰通过松耦合变压器传输至二次侧，该高频干扰将与高频载波信号幅值叠加，带来干扰；二次侧采用二极管整流，将高频交流电转换为直流电，二极管整流电路同样会产生高频电磁干扰与高频载波信号幅值叠加，带来干扰。以上干扰因素将导致水下环境很难实现高速数据传输。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种采用串行同步数据传输的共享通道无线电能与数据同步传输系统及传输方法，提高水下能量与数据同步传输系统的数据传输速度与可靠性。

为解决上述技术问题，本发明的一种共享通道无线电能与数据同步传输系统，包括电能发射电路、电能接收电路、数据发送电路和数据接收电路；电能发射电路中输入直流电源将电能传递给发射线圈；电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并传递给电池负载；数据发射电路中通过控制开关管S_D1与S_D2将直流电压U_DP转换为高频交流电，电容C_DP与变压器T_DP一次侧绕组实现高频振荡，将高频信号放大，变压器T_DP二次侧绕组将该高频信号输送至发射线圈；数据接收电路中变压器T_DS绕组检测到高频信号，变压器T_DS的线圈与电容C_DS谐振将该高频信号放大，在检测电阻R_S上测量高频信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，U_HF经过包络检波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号，发射端时钟信号以发射线圈电压U_p作为参考信号，将发射线圈电压U_p经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为发射端时钟信号，发射端时钟信号、待发送数据信号和高频驱动信号相与输出信号作为开关管S_D1与S_D2的驱动信号；接收端时钟信号以接收线圈端电压U_S作为参考信号，将接收线圈端电压U_S经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为接收端时钟信号，数据接收电路输出的数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析。

作为本发明的一种优选方案，数据接收电路中U_HF经过包络检波器、低通滤波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号。

作为本发明的另一种优选方案，电能发射电路中输入直流电源经过电能发射调节电路和网络补偿模块将电能传递给发射线圈，电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并经过补偿网络和整流滤波电路传递给电池负载，电能发射调节电路控制电能发射功率，补偿网络用于补偿发射绕组或接收绕组的感抗，使补偿后的阻抗接近阻性或弱感性。

本发明还包括采用上述任意一种共享通道无线电能与数据同步传输系统的传输方法，包括以下步骤：

步骤1：电能和数据发射，具体为：

当U_p为正半周时发射端时钟信号为高电平，当U_p为负半周时发射端时钟信号为低电平，时钟信号频率与U_p频率相同，发射端时钟信号、待发送数据信号和高频驱动信号通过与门后的输出信号控制开关管S_D1与S_D2的开通和关断，当待发送数据信号为“1”且发射端时钟信号为高电平时，发射线圈电压U_p叠加变压器T_DP二次侧绕组输出的高频信号；

步骤2：电能和数据接收，具体为：

接收线圈接收发射线圈传输的发射线圈电压U_p和叠加的高频信号，变压器T_DS绕组检测到高频信号，变压器T_DS线圈与电容C_DS谐振将高频信号放大，在检测电阻R_S上测量高频信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，U_HF经过包络检波器、低通滤波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号；

步骤3：步骤2得到的数字信号作为待解析数字信号，将待解析数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析，在接收端时钟信号为高电平时，开始对高电平时间t_H以及低电平时间t_L进行计时，在接收端时钟信号为低电平时停止计时，当t_H>t_L，则数据解析结果为“1”，当t_H<t_L，则数据解析结果为“0”。

本发明的有益效果：本发明解决了水下无线电能与数据信号的同步传输过程中，传统高频注入法数据传输受干扰后数据解析困难，导致传输准确率低，数据传输速度慢的问题，提出串行同步数据传输与解析系统和方法，大大提高了水下数据传输准确性与传输速度。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.传输速度快，数据传输波特率等于能量传输的频率，数据传输速度远高于能量调制式数据传输方式。

2.可靠性高，传统串行异步数据传输方式的数据以采样点时刻数据为准，易受干扰。本发明采用同步数据时钟期间的高低电平的持续时间作为判断数据标准，即使受到干扰情况下也能大大提高数据识别的准确率。

3.数据与时钟同步传输，去除了传统串行异步通信所需的起始位，校验位，停止位等标志位信息，提高了数据传输速度，并且避免了传统串行异步通信由于波特率设置不一致导致的无法通信的情况。

附图说明

图1是高频注入方式数据一次侧发送至二次侧的能量数据同步传输电路框图；

图2是高频注入方式的数据传输理论波形；

图3是受到干扰后的数据解析问题；

图4是串行同步传输方式数据传输理论波形；

图5是串行同步传输方式数据解析方法；

图6是高频注入方式串行同步数据传输电路框图；

图7是负载阻抗较小时，以U_S作为接收端时钟参考信号的数据传输理论波形；

图8是微处理器的数据解析流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

传统高频注入方式抗干扰能力弱的一个重要原因是采用串行异步的数据传输与解析方式，如果采用串行同步传输的方式，将大大提高数据传输的抗干扰能力。实现串行同步传输方式需要时钟信号，本发明拟利用高频能量波产生时钟信号，如图4所示。以发射线圈电压U_p作为发射端时钟参考信号，当U_p为正半周时发射端时钟信号为高电平，当U_p为负半周时发射端时钟信号为低电平，时钟信号频率与U_p频率相同。在发射线圈电压U_p正半周将数据信号发送出去，即数字信号为“1”时，发射线圈电压U_p正半周叠加高频信号，数字信号为“0”时，发射线圈电压U_p正半周不叠加高频信号。高频信号传输至二次侧，经过带通滤波器、包络检波器以及滞回电压比较器等环节将高频信号转换为数字信号。

二次侧识别到高频信号后，需要对信号进行解析，转化为数字信号。为进一步提高数据的准确性，滤除干扰信号对数据解析的影响，本发明采用平均时间对数据进行识别。如图5所示，判断数据是“1”还是“0”不是以采样时刻对应的高低电平为准，而是以时钟周期内高电平或低电平的持续时间判断。在接收端时钟信号为高电平时，开始对高电平时间t_H以及低电平时间t_L进行计时，在接收端时钟信号为低电平时停止计时。当t_H>t_L，则数据解析结果为“1”，当t_H<t_L，则数据解析结果为“0”。如图5所示，当采用高低电平持续时间作为数据解析参考时，即使数据传输结果受到干扰也能解析出准确的数据。

本发明主要通过上述的串行同步数据传输方式以及根据高低电平持续时长判断数字信号的方法提高数据数据传输准确率以及数据传输速率。本发明数据传输的速率等于能量传输的频率，远大于能量调制式数据传输方式。由于采用串行同步传输方式，与串行异步方式相比，省去了数据传输过程中的起始位，校验位，停止位等标志位信息，提高了传输速度。采用时钟周期内高低电平持续时间判断数字信号，能够有效滤除干扰信息，提高了数据传输准确率。

具体实施方式以数据由一次侧发送至二次侧为例，数据由二次侧发送至一次侧的实施方式相同。本发明采用的数据传输理论波形如图4所示，其实现电路框图如图6所示。本发明提出的串行同步数据传输方式实施过程中的要点是同步时钟的产生与数据的解析。首先是同步时钟的产生，同步时钟分为发射端时钟与接收端时钟。发射端时钟以发射线圈电压U_p作为参考信号，当U_p为正半周时发射端时钟信号为高电平，当U_p为负半周时发射端时钟信号为低电平，通过一个比较器实现。将U_p信号经过低通滤波后，与零电压进行比较，当U_p信号大于零时，为正半周，比较器输出高电平，当小于零时，为负半周，比较器输出低电平。然后将数字信号、比较器输出以及高频驱动信号相与形成开关管S_D1与S_D2的最终驱动信号，完成数据的发射。

接收端时钟信号可以选择二次侧接收线圈端电压U_S。电压U_S与U_p的关系如式(1)所示。假设二次侧完全谐振，二次侧负载阻抗Z_L为阻性。由式(1)可知，当接收线圈负载阻抗Z_L较大时，电压U_S与U_p同相位，当接收线圈负载阻抗Z_L较小时，电压U_S滞后U_p 90°电角度，电压U_S滞后U_p的范围为0～90°。当U_S滞后U_p 90°时，数据传输关系如图7所示。当发送数字“1”时，数据传输结果的高电平信号只有一半时间落在接收端时钟信号高电平区间，在数据解析时，数据传输结果没有被充分利用。在检波环节后加入低通滤波器可提高数据的利用率。如图6所示，在二次侧数据接收环节，二次侧变压器T_DS绕组检测到高频信号，该高频信号经过带通滤波器、包络检波器、低通滤波器以及滞回电压比较器等环节将高频信号转换为数字信号。由于低通滤波器的加入，数据传输结果将滞后一段时间，如图7所示，当发送数字“1”时，数据传输结果的高电平信号落在接收端时钟信号高电平区间的时间大于一半。

式中L₁为发射线圈自感，L₂为接收线圈自感，ω为电角频率，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，Z_L为接收线圈的负载阻抗。

本发明通过时钟信号对数据进行解析，检测到的数据信号传输结果为待解析数字信号，将待解析的数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析。微处理器开展数据解析的依据是时钟高电平期间待解析的数字信号高低电平的持续时间，如果高电平持续时间大于低电平持续时间则输出数字信号“1”，否则输出数字信号“0”，实现框图如图8所示。首先判断时钟是否为高电平，当时钟为高电平时，开启周期性定时器并设置定时器周期远小于时钟周期，初始化变量T_count＝0，否则继续等待直到时钟为高电平。然后判断是否到定时器设定时间，如果到了定时器设定时间，则判断解析数据是否为高电平，否则继续等待。当待解析数据为高电平时T_count＝T_count+1，否则T_count＝T_count-1。然后判断时钟是否为高电平，如果为高电平则继续等待定时器达到设定时间，否则开始判断数据。当T_count大于零时，解析结果为数字“1”，否则解析结果为数字“0”。然后关闭周期性定时器，数据解析结束。

结合图6，本发明的一种共享通道无线电能与数据同步传输系统，包括电能发射电路、电能接收电路、数据发送电路和数据接收电路；电能发射电路中输入直流电源将电能传递给发射线圈；电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并传递给电池负载；数据发射电路中通过控制开关管S_D1与S_D2将直流电压U_DP转换为高频交流电，电容C_DP与变压器T_DP一次侧绕组实现高频振荡，将高频信号放大，变压器T_DP二次侧绕组将该高频信号添加至发射线圈；数据接收电路中变压器T_DS绕组检测到高频信号，变压器T_DS的线圈与电容C_DS谐振将该高频信号放大，在检测电阻R_S上测量高频信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，U_HF经过包络检波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号，发射端时钟信号以发射线圈电压U_p作为参考信号，将发射线圈电压U_p经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为发射端时钟信号，发射端时钟信号、待发送数据信号和高频驱动信号相与输出信号作为开关管S_D1与S_D2的驱动信号；接收端时钟信号以接收线圈端电压U_S作为参考信号，将接收线圈端电压U_S经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为接收端时钟信号，数据接收电路输出的数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析。

另一种实施方式，数据接收电路中U_HF经过包络检波器、低通滤波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号。

再一种实施方式，电能发射电路中输入直流电源经过电能发射调节电路和网络补偿模块将电能传递给发射线圈，电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并经过补偿网络和整流滤波电路传递给电池负载，电能发射调节电路控制电能发射功率，补偿网络用于补偿发射绕组或接收绕组的感抗，使补偿后的阻抗接近阻性或弱感性。

Claims (4)

1.一种共享通道无线电能与数据同步传输系统，包括电能发射电路、电能接收电路、数据发送电路和数据接收电路；所述电能发射电路中输入直流电源将电能传递给发射线圈；所述电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并传递给电池负载；数据发射电路中通过控制开关管S_D1与S_D2将直流电压U_DP转换为高频交流电，电容C_DP与变压器T_DP一次侧绕组实现高频振荡，将高频信号放大，变压器T_DP二次侧绕组将该高频信号输送至发射线圈；数据接收电路中变压器T_DS绕组检测到高频信号，变压器T_DS的线圈与电容C_DS谐振将该高频信号放大，在检测电阻R_S上测量高频信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，U_HF经过包络检波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号，其特征在于：发射端时钟信号以发射线圈电压U_p作为参考信号，将发射线圈电压U_p经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为发射端时钟信号，发射端时钟信号、待发送数据信号和高频驱动信号相与输出信号作为开关管S_D1与S_D2的驱动信号；接收端时钟信号以接收线圈端电压U_S作为参考信号，将接收线圈端电压U_S经过低通滤波器后通过比较器与零电压进行比较，比较器输出结果作为接收端时钟信号，数据接收电路输出的数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析。

2.根据权利要求1所述的一种共享通道无线电能与数据同步传输系统，其特征在于：数据接收电路中U_HF经过包络检波器、低通滤波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号。

3.根据权利要求2所述的一种共享通道无线电能与数据同步传输系统，其特征在于：所述电能发射电路中输入直流电源经过电能发射调节电路和网络补偿模块将电能传递给发射线圈，所述电能接收电路中接收线圈接收发射线圈发射的电能并经过补偿网络和整流滤波电路传递给电池负载，所述电能发射调节电路控制电能发射功率，所述补偿网络用于补偿发射绕组或接收绕组的感抗，使补偿后的阻抗接近阻性或弱感性。

4.一种采用权利要求1、2或3所述共享通道无线电能与数据同步传输系统的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：电能和数据发射，具体为：

当U_p为正半周时发射端时钟信号为高电平，当U_p为负半周时发射端时钟信号为低电平，时钟信号频率与U_p频率相同，发射端时钟信号、待发送数据信号和高频驱动信号通过与门后的输出信号控制开关管S_D1与S_D2的开通和关断，当待发送数据信号为“1”且发射端时钟信号为高电平时，发射线圈电压U_p叠加变压器T_DP二次侧绕组输出的高频信号；

步骤2：电能和数据接收，具体为：

接收线圈接收发射线圈传输的发射线圈电压U_p和叠加的高频信号，变压器T_DS绕组检测到高频信号，变压器T_DS线圈与电容C_DS谐振将所述高频信号放大，在检测电阻R_S上测量高频信号，经带通滤波器后得到高频信号U_HF，U_HF经过包络检波器、低通滤波器和滞回电压比较器将高频信号转换为数字信号；

步骤3：步骤2得到的数字信号作为待解析数字信号，将待解析数字信号与接收端时钟信号送入微处理器进行数据解析，在接收端时钟信号为高电平时，开始对高电平时间t_H以及低电平时间t_L进行计时，在接收端时钟信号为低电平时停止计时，当t_H>t_L，则数据解析结果为“1”，当t_H<t_L，则数据解析结果为“0”。

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