CN117938184B - 一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，涉及无线携能通信技术，针对现有技术中对无线能量利用不足的问题提出本方案。整流电路模块将接收天线收到的射频信号进行整流形成基带信号与直流能量，将基带信号传输至微控制器，将直流能量传输至能量采集模块；定时模块根据微控制器信号进行定时和状态转换，并根据微控制器的休眠需求令微控制器唤醒或休眠，形成自适应循环工作模式。优点在于，利用能量采集技术收集射频能量并存储于储能元件中，为定时模块及双稳态锁存器供能，在不影响设备正常工作的基础上充分解放高功耗的微控制器，从而在自适应循环工作模式中高效利用能量，延长无线携能接收装置的生命周期。

Description

一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置

技术领域

本发明涉及无线携能通信技术，尤其涉及一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置。

背景技术

无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术既能实现信息高效传输，又能很好地解决能源危机问题。无线携能通信技术集无线信息传输(Wireless Information Transmission, WIT)技术和无线能量传输(Wireless Power Transmission, WPT)技术于一体，是一种较为突出的无线信息能量同步传输技术。

对于无线携能通信系统中的无线携能接收装置而言，从射频信号中获取的能量有限且珍贵，因而要求无线携能接收装置对其所储能量进行高效的资源调度。当前针对无线携能接收装置的研究主要集中于提高能量接收效率及降低功耗两方面，而鲜有对其处于非工作状态下或无任务处理需求状态下进行休眠的电路设计及控制逻辑，缺乏最大限度利用无线携能接收装置所获取的射频能量的有效方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，以解决现有技术存在的问题。

本发明中所述一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，包括接收天线、整流电路模块、能量采集模块、储能元件、第一开关电路、第一双稳态锁存器模块、第二开关电路、第三开关电路、第二双稳态锁存器模块、选择开关电路、定时模块及微控制器；微控制器还与板载外部电路进行交互，并根据实际应用需求调用板载外部电路的资源或控制板载外部电路实现拓展功能；

接收天线与整流电路模块相连，整流电路模块将接收天线收到的射频信号转换为直流信号，并将该直流信号分割为基带信号及直流能量，进而将基带信号传输至所述微控制器，将直流能量传输至所述能量采集模块。

所述能量采集模块在直流能量的电压达到预设的冷启动电压时，对直流能量进行升压并通过所述储能元件进行存储；储能元件将采集到的能量输出至所述第一开关电路的输入端并为其提供开关偏置电压；当储能元件的输出电压达到预设的阈值时，能量采集模块将控制第一开关电路导通，从而将储能元件预先输送至第一开关电路输入端的能量经过第一开关电路的输出端输送至后端电路；

第一开关电路的输出端优先以VDD的形式为定时模块、第一双稳态锁存器模块及第二双稳态锁存器模块提供电源；其次，第一开关电路的输出端还为第二开关电路、第三开关电路及选择开关电路提供开关偏置电压；同时，第一开关电路还需将VDD提前输送至第三开关电路的输入端，随时准备将VDD经由第三开关电路以VCC的形式输出至微控制器。

定时模块包括定时预设状态S1、休眠节能状态S2及计时工作状态S3三种状态：

处于定时预设状态S1时，持续等待定时时长选择指令；

处于休眠节能状态S2时，以静态电流保持静默且不再接受定时时长设置，持续等待开始计时指令；

处于计时工作状态S3时，按照定时预设的定时时长进行计时，当计时结束或微控制器主动结束计时时，结束计时并重新恢复至定时预设状态。

所述定时模块初次上电时应处于定时预设状态S1，在该状态下，其输出端将高电平输送至所述第三开关电路的控制端，控制第三开关电路导通，将所述第一开关电路预先输送至第三开关电路输入端的VDD导通至第三开关电路的输出端，从而以VCC的形式为所述微控制器提供电源；优点在于，优先为定时模块提供电源，再由定时模块的输出端控制第三开关电路导通，从而为微控制器提供电源，避免微控制器长时间待机而造成能量过耗。

所述微控制器上电后，作为核心控制器对无线携能接收装置进行整体资源调度及任务分配；微控制器将对所述整流电路模块产生的基带信号进行模数转换，进而对基带信号进行解码，获取接收天线所接收到的射频信号中携带的指令信息；微控制器将对指令进行响应，根据指令信息的要求将各工作任务分配至板载外部电路的各个模块；若指令信息表示微控制器暂时没有任务需执行，则微控制器将根据指令信息要求的休眠时长进入休眠状态。

所述微控制器根据指令信息要求的休眠时长，对处于定时预设状态S2的定时模块发送定时时长选择指令，从而设定定时模块的定时时长等于指令信息要求的休眠时长；定时时长选择完毕，定时模块将进入休眠节能状态S2，微控制器将其发送开始计时指令；开始计时指令到达时，定时模块将进入计时工作状态S3，根据预设的定时时长开始计时；

在计时工作状态S3下，定时模块的输出端将由高电平转换为低电平，输送至所述第三开关电路的控制端，控制第三开关电路断开，从而断开所述微控制器的电源VCC，使微控制器彻底断电而进入休眠状态；在计时工作状态S3下，仅需为定时模块提供电源，而微控制器无需用电，在不影响设备正常工作的基础上，又能实现解放微控制器，延长所述无线携能接收装置的生命周期。

所述定时模块的定时时长由其定时时长选择引脚是悬空或接地状态所决定，故在定时预设状态S1下，微控制器对定时模块发送的定时时长选择指令实际上作用于所述定时时长选择引脚；当定时模块进入计时工作状态S3后，须保持其定时时长选择引脚状态稳定，否则将导致定时模块宕机，故引入所述第二双稳态锁存器模块；

所述第二双稳态锁存器模块输出稳定的电平状态；由微控制器切换第二双稳态锁存器模块输出端为高电平或低电平状态，进而控制所述选择开关电路为导通或断开状态，从而为定时模块的定时时长选择引脚提供稳定的悬空或接地状态；在微控制器休眠之后，由第二双稳态锁存器模块代替微控制器为定时时长选择引脚提供稳定的悬空或接地状态，既保证了定时模块定时时长准确无误，又解放了微控制器，令其完全休眠从而节约能源。

当计时结束或微控制器主动结束计时时，所述定时模块重新恢复至定时预设状态S1，其输出端将由低电平转换为高电平，再次为所述微控制器提供电源，并等待微控制器下一次定时时长选择指令的到达，形成所述无线携能接收装置的自适应循环工作模式。

本发明中所述一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，其优点在于，利用能量采集技术收集射频能量并存储于储能元件中，为定时模块及双稳态锁存器供能，在不影响设备正常工作的基础上充分解放高功耗的微控制器，从而在自适应循环工作模式中高效利用能量，延长无线携能接收装置的生命周期。

附图说明

图1是本发明中所述无线携能接收装置的结构示意图。

图2是本发明中所述能量采集模块的电路原理示意图。

图3是本发明中所述定时模块的状态转换示意图。

图4是本发明中所述定时模块的结构示意图。

图5是本发明中所述定时模块的电路原理示意图。

图6是本发明中所述双稳态锁存器实施例一的电路原理示意图。

图7是本发明中所述双稳态锁存器实施例二的电路原理示意图。

图8是本发明中所述双稳态锁存器实施例三的电路原理示意图。

图9是本发明中所述双稳态锁存器实施例四的电路原理示意图。

图10是本发明中所述开关电路及定时模块结合模块的电路原理示意图。

图11是本发明中所述无线携能接收装置的工作模式拓扑图。

具体实施方式

如图1至图11所示，本发明中所述一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置包括接收天线、整流电路模块101、能量采集模块102、储能元件103、第一开关电路104、第一双稳态锁存器模块105、第二开关电路106、第三开关电路107、第二双稳态锁存器模块108、选择开关电路109、定时模块110及微控制器111。微控制器还与板载外部电路进行交互，并根据实际应用需求调用板载外部电路的资源或控制板载外部电路实现拓展功能。

接收天线与整流电路模块101相连；整流电路模块101分别与能量采集模块102及微控制器111相连；能量采集模块102与储能元件103相连且能量采集模块102的电池状态良好信号VBAT_OK的输出引脚与第一开关电路104的控制端相连；储能元件103与第一开关电路104的输入端相连；第一开关电路104的输出端与第一双稳态锁存器模块105、第二双稳态锁存器模块108、定时模块110的电源端相连；其次，第一开关电路104的输出端还与第二开关电路106、第三开关电路107、选择开关电路109的开关偏置电压端相连；同时，第一开关电路104的输出端还与第二开关电路106、第三开关电路107的输入端相连；第一双稳态锁存器模块105的输出端与第二开关电路106的控制端相连；第二开关电路106的输出端与定时模块110的计时控制引脚KEY相连；定时模块110的输出端OUT与第三开关电路107的控制端相连；第三开关电路107的输出端与微控制器111的电源端相连；第二双稳态锁存器模块108的输出端与选择开关电路109的控制端相连；选择开关电路109的输出端与定时模块110的定时时长选择引脚OPTION相连；微控制器111与第一双稳态锁存器模块105、第二双稳态锁存器模块108和板载外部电路相连。

整流电路模块101对接收天线收到的射频信号进行整流，形成基带信号与直流能量，将基带信号传输至微控制器111以及将直流能量传输至能量采集模块102。其中，基带信号即为接收天线接收到的射频信号经整流滤波后得到的带有指令或其他信息的通信信号，直流能量即为接收天线接收到的射频信号经整流滤波后得到的直流信号。当直流能量的电压值达到能量采集模块102预设的冷启动电压时，能量采集模块102对直流能量进行升压并采集，将能量通过储能元件103进行存储，使储能元件103的输出端电压随着存储能量的增多而逐渐升高。其中，作为本实施例能量采集模块优选的核心IC，所述能量采集模块102的核心IC可以选用德州仪器公司推出的具有升压充电器的超低功耗能量收集器电源管理IC——BQ25505或BQ25570，或选用亚德诺半导体技术有限公司推出的集成最大功率点跟踪和充电管理功能的超低功耗能量采集器PMU(Power Management Unit, 电源管理单元)——ADP5091。IC种类仅为本实施例的能量采集模块102的优选核心IC，而并不对本发明的能量采集模块产生限制，即任意可以对直流能量进行升压并采集的能量采集IC均可由本技术领域开发人员根据实际需求选用。微控制器111将对基带信号进行模数转换采样，通过数字信号处理技术将其中携带的信息提取并解码，解码得到的信息可由微控制器111控制板载外部电路进行输出显示。其中，作为本实施例微控制器优选的MCU，所述微控制器111可以选用意法半导体公司推出的STM32/8系列MCU、德州仪器公司推出的MSP430/432系列MCU或宏晶科技推出的STC系列MCU等当前本技术领域开发常用的MCU。以上MCU种类仅为本实施例的微控制器111的优选MCU，而并不对本发明的微控制器产生限制，即任意可以对基带信号进行模数转换，通过数字信号处理技术将其中携带的信息提取并解码，并且能够通过如GPIO、串口通信或SPI等各种通信方式与板载外部电路进行交互、向本实施例所述第一双稳态锁存器模块105及第二双稳态锁存器模块108进行信息传输的微控制器MCU，均可由本技术领域开发人员根据实际需求选用。

在图1所示的实施例中，储能元件103可以是超级电容或锂电池等能量存储元件。储能元件103首先将采集到的能量输出至第一开关电路104，作为其开关偏置电压，激活第一开关电路104，使其处于工作状态并随时准备进行开关通断状态切换。同步地，储能元件103将采集到的能量输出至第一开关电路104的输入端，随时准备经由第一开关电路104将能量输出至后端各电路。随着储能元件103中的能量持续累积，其所输出的电压也逐步上升，当其输出电压达到能量采集模块102所预设的电池状态良好阈值VBAT_OK_PROG时，电池状态良好信号VBAT_OK转为高电平，能量采集模块102将电池状态良好信号VBAT_OK输送至第一开关电路104的控制端，控制第一开关电路104导通，将储能元件103预先输送至第一开关电路104输入端的能量打通至第一开关电路104的输出端，输送至后端电路。

其中，作为图1所示实施例能量采集模块102优选的核心IC，所述能量采集模块102的核心IC可以选用德州仪器公司推出的支持电池管理和针对能量采集器应用的超低功耗升压充电器芯片BQ25505。该芯片的冷启动条件为，一旦启动，则能够在的情况下持续进行能量采集。该芯片具有/>的超低静态电流，能够自动对输入的电压进行稳压以防止高阻抗输入源故障。图2即为本发明其中一实施例中基于BQ25505芯片的能量采集模块的电路原理示意图，其中还包括了基于超低泄漏负载开关TPS22860的第一开关电路104的电路设计图。使用该能量采集模块能对本发明所述整流电路模块101分配的直流能量进行采集，对储能元件103进行充电。

EN引脚是一个使能引脚，在本实施例所述能量采集模块102中只需将其同定时模块110的GND一同接地。BQ25505有两种类型的升压电路，其中一个是低功率冷启动电路，即当时，从直流输入源直接获取能量，给VSTOR引脚充电升压。另外一个是主升压充电电路，即当/>（典型值为/>）时，储能元件103直接从VSTOR引脚获取能量，其中，VSTOR引脚是主升压充电器的输出引脚。具体地，当VSTOR引脚电压未达到，则使用冷启动电路对其进行升压，一旦VSTOR引脚电压达到/>，则主升压充电器启动。当来自主升压充电器的VSTOR引脚电压达到内部欠压阈值时，则VSTOR与VBAT_SEC之间的内部场效应管保持打开，主增压充电器开始为储能元件103充电。本发明假设所述直流能量完全足够为能量采集模块102提供大于/>的输入电压，故可以持续为储能元件103充电。

本发明图2所示能量采集模块102允许用户通过电阻、/>及/>设置一个电池状态良好阈值（VBAT_OK_PROG/VBAT_OK_HYST），以指示VSTOR引脚的电压是否处于可以给后端负载供电的电压范围内。当储能元件103的输出电压处于下降状态时，电池状态良好阈值由下式表示：

。

当储能元件103的输出电压处于上升状态时，电池状态良好阈值由下式表示：

。

其中，更佳。

由于本发明图5所示的实施例所选用的定时器芯片要求使用2.4V至5V直流电源为电源引脚VDD进行供电，且STM32及MSP430等微控制器111常用的MCU一般要求的供电电压为3.3V，因此，在本发明图2所示实施例的能量采集模块102中，实际选用电阻阻值为、/>和/>，所得/>，。

基于以上阈值设置，由本发明图2所示应用实例的能量采集模块102的电路原理可知，VCC_in即为直流能量输入。VBAT_SEC引脚已与作为储能元件103的超级电容相连，为其充能。各个外围电容、电感均根据BQ25505的Data Sheet严格选择。VBAT_OK将作为TPS22860的判断控制位，若其值为1，则说明当前储能元件103的输出电压值处于能够给负载供电的电压范围，电池状态良好信号VBAT_OK将输送至第一开关电路104的控制端(即图2所示TPS22860的ON引脚)，导通其输入端Vin及输出端Vout，使储能元件103中的能量通过Vout输送至定时模块110。若VBAT_OK值为0则反之。VSTOR引脚作为负载电能输出引脚，与VBAT_OK一同输送至第一开关电路104，为其提供开关偏置电压。

与储能元件103将能量输送至第一开关电路104的输入端并为其提供开关偏置电压类似，本发明图1所述实施例的第一开关电路104优先以VDD的形式将储能元件103的能量输出至定时模块110、第一双稳态锁存器模块105及第二双稳态锁存器模块108，为这些模块提供能量，第一开关电路104还为第二开关电路106、第三开关电路107及选择开关电路109提供开关偏置电压。需提前注意的是，第一开关电路104在为第三开关电路107提供开关偏置电压的同时，还需将VDD提前输送至第三开关电路107的输入端，随时准备将VDD经由第三开关电路107以VCC的形式输出至微控制器111。与第一开关电路104类似，第二开关电路106、第三开关电路107及选择开关电路109均可选用图2所示实施例中的第一开关电路同款的超低泄漏负载开关TPS22860。

在图1所示的实施例中，所述定时模块110应包括定时预设状态S1、休眠节能状态S2及计时工作状态S3三种状态。图1所示实施例中所述定时模块110所处状态的转换图如图3所示。当处于定时预设S1状态时，所述定时模块110将持续等待所述微控制器111的定时时长选择指令，由微控制器111通过定时时长控制指令对定时模块110的定时时长选择引脚OPTION所处的状态进行切换，决定定时模块110下一次工作计时的定时时长，当下一次工作计时的定时时长确定时，定时模块110进入休眠节能状态S2。当处于休眠节能状态S2时，定时模块110将以极低的静态电流保持静默，且不再接受定时时长设置，其将持续等待微控制器111的开始计时指令，由微控制器111通过开始计时指令对定时模块110的计时控制引脚KEY的电平高低状态进行切换，一旦开始计时指令到达，则定时模块110开始计时，进入计时工作状态S3。当处于计时工作状态S3时，定时模块110将按照定时预设状态S1时设定的定时时长进行计时，当计时结束或微控制器111主动结束计时时，定时模块110结束计时并重新恢复至定时预设状态S1，再次等待微控制器111的定时时长选择指令。

其中，作为本实施例定时模块优选的核心IC，所述定时模块110的核心IC可以选用丽晶微电子科技推出的EH211228-02DE-2F9F定时器芯片，该定时器芯片要求使用2.4V至5V直流电源为其电源引脚VDD进行供电，具有一路计时控制引脚KEY、两路定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2以及一路输出引脚OUT。图4即为本发明其中一实施例中基于EH211228-02DE-2F9F定时器芯片的单一定时模块110的结构示意图。该图旨在介绍基于该定时器芯片的单个定时模块110的功能及实现其功能的最简单的电路结构，而其中的虚线部分则为微控制器111结合开关电路与定时模块110进行交互的电路结构。该定时器芯片的工作特点在于，初次为该定时器芯片提供电源时，该定时器芯片不进行计时工作，且其输出引脚OUT为高电平状态，此时，需要对该定时器芯片的定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2进行相对应的悬空或接地配置，来选择进入计时工作状态S3后定时器芯片的定时时长。

在完成定时时长的设置工作后，要求在保持定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2所处状态稳定不波动的前提下，给予计时控制引脚KEY一个持续时间超过100ms的高电平信号。由此可见，实现本实施例所述定时器芯片的计时控制可以通过在计时控制引脚KEY外接一个按键开关，并使按键开关另一端连接至VDD，使用按键开关为KEY提供高电平信号，如图4中实线部分所示。同理，实现本实施例所述定时器芯片的定时时长选择控制可以通过在定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2外分别接一个开关，并使开关另一端均连接至GND，通过控制这两个开关的通断状态来为OPTION1、OPTION2提供接地或悬空的状态，如图4中实线部分所示。

为实现本发明图1所述实施例的无线携能接收装置，一个优选的实现方式是由本发明图1所示实施例中的微控制器111通过控制GPIO引脚对第二开关电路106、选择开关电路109进行通断控制，如图4中虚线部分所示。其中，根据实际应用中选择的定时器芯片的定时时长选择引脚OPTION个数，选择开关电路109中包含的开关个数应进行相应的调整。基于图4中基于EH211228-02DE-2F9F定时器芯片的定时模块110的结构示意图，可知该定时器芯片选用的选择开关电路109应包含两路开关，在此统称为选择开关电路109。图4中，第二开关电路106输入端接VDD，输出端接KEY引脚，选择开关电路109的两路开关的输入端均为GND，输出端分别接OPTION1及OPTION2引脚。因此，微控制器111通过控制GPIO引脚，对OPTION1及OPTION2外接的选择开关电路109进行通断控制，控制OPTION1及OPTION2处于悬空或接地状态，控制定时时长。同理，微控制器111通过控制GPIO引脚，对第二开关电路106控制端输出低电平使其截止，使KEY引脚处于悬空状态；然后将该GPIO引脚置反为高电平并令其持续至少100毫秒，使第二开关电路106导通，KEY引脚处于高电平状态至少100毫秒；接着再将该GPIO引脚置反为低电平，使第二开关电路106重回截止，如此便能由微控制器111控制第二开关电路106为KEY引脚提供一个持续时间为100ms的高电平信号，最终使能定时器芯片，使定时器芯片根据预设定时时长开始计时。在开始计时后，处于计时工作状态S3的定时模块110仅在两种情况下会结束计时，第一种是定时器芯片自然地完成了计时工作，第二种是人为地给予计时控制引脚KEY一个高电平信号，结束计时。

图5即为本发明其中一实施例中基于EH211228-02DE-2F9F定时器芯片的单一定时模块的电路原理示意图。由图5可见，该电路模块的3V3即为3.3V供电，但在实际应用中，3V3端口应与第一开关电路104的输出端相连从而获取VDD，只要VDD在2.4V至5V之间则均可适用，不要求准确为3.3V。该电路模块为KEY引脚接通至3V3提供了按键开关，而分别为OPTION1及OPTION2引脚接通至GND提供了元件P1、P2，P1、P2可以是跳线帽或其他适用的手动开关，而为OUT输出引脚外接了LED灯D1以供表征计时工作S3或休眠节能状态S2。该电路模块还可外接所述第二开关电路106、第三开关电路107及选择开关电路109进行拓展。其中，元件P1的2号引脚及元件P2的2号引脚可用于外接选择开关电路109的输出端，元件P1的1号引脚及元件P2的1号引脚分别接GND，可用于外接选择开关电路109的输入端，元件P4的1号引脚可用于外接第二开关电路106的输出端，元件P4的2号引脚可用于外接第二开关电路106的输入端，元件P3的1号引脚可用于外接第三开关电路107的控制端。

需提前声明的是，定时模块110的定时预设状态S1、休眠节能状态S2及计时工作状态S3三种状态仅为本实施例的定时模块110针对定时器芯片EH211228-02DE-2F9F优选设定的三种工作状态，而不是旨在对本发明选用的定时器芯片种类产生限制，即任意可以适用于本实施例定时需求的定时器芯片均可本技术领域开发人员根据实际需求选用，且根据其芯片特征延展其工作状态的转换模式。还应当理解，微控制器111通过控制GPIO引脚来为KEY引脚提供高电平信号的方式仅为本实施例中微控制器111控制KEY引脚的优选的通信方式，而不是旨在对本发明使用的模块间的通信方式产生限制，即任意可以适用于本实施例微控制器111控制定时模块KEY引脚的通信方式均可本技术领域开发人员根据实际需求选用。

由图3对定时模块110三种状态的描述可知，初次上电时定时模块110应处于定时预设状态S1，其输出引脚OUT此时将以高电平的形式输送至第三开关电路107的控制端，控制第三开关电路107导通，将第一开关电路104预先输送至第三开关电路107输入端的VDD导通至第三开关电路107的输出端，从而以VCC的形式为所述微控制器提供电源。

微控制器111上电后，将作为核心控制器对无线携能接收装置进行整体资源调度及任务分配。首先，微控制器111将通过GPIO引脚或其他通信方式发送定时时长控制指令，切换第二双稳态锁存器模块108的输出端为高电平或低电平状态。第二双稳态锁存器模块108输出端的电平高低状态将作用于选择开关电路109的控制端，对选择开关电路109的开关通断状态进行控制。当第二双稳态锁存器模块108的输出端为高电平时，选择开关电路109将处于导通状态。当第二双稳态锁存器模块108的输出端为低电平时，选择开关电路109将处于截止状态。在此基础上，当定时模块处于定时预设状态S1时，微控制器111能够通过控制第二双稳态锁存器模块108及选择开关电路109，对图5所示定时模块110的定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2的悬空或接地状态进行切换，决定定时模块110下一次工作计时的定时时长。

在定时预设状态S1下完成对定时模块110定时时长的设置后，定时模块110将处于休眠节能状态S2，持续等待微控制器111的开始计时指令。微控制器111将通过GPIO引脚或其他通信方式发送开始计时指令，切换第一双稳态锁存器模块105的输出端为高电平或低电平状态。第一双稳态锁存器模块105输出端的电平高低状态将作用于第二开关电路106的控制端，对第二开关电路106的开关通断状态进行控制。当第一双稳态锁存器模块105的输出端为高电平时，第二开关电路106将处于导通状态。当第一双稳态锁存器模块105的输出端为低电平时，第二开关电路106将处于截止状态。在此基础上，当定时模块110处于休眠节能状态S2并随时准备开始计时时，微控制器111能够控制第一双稳态锁存器模块105及第二开关电路106，对定时模块110的计时控制引脚KEY的电平高低状态进行切换，使定时模块110开始计时，进入计时工作状态S3。

进入计时工作状态S3后，定时模块110将按照微控制器111预设的定时时长进行计时，其输出引脚OUT将由高电平状态切换至低电平状态，并输送至第三开关电路107的控制端，控制第三开关电路107截止，使第一开关电路104预先输送至第三开关电路107输入端的VDD不再导通至第三开关电路107的输出端，切断输送至微控制器111的VCC电源。至此，定时模块110完成了在微控制器111的控制下停止为微控制器111提供能量的任务，并将依照先前设定的定时时长独自完成计时工作。当计时结束时，定时模块110将结束计时并重新恢复至定时预设状态S1，其输出引脚OUT将再次由低电平状态切换至高电平状态，并以高电平的形式输送至第三开关电路107的控制端，控制第三开关电路107导通，为微控制器提供VCC电源，并再次等待微控制器111的定时时长选择指令。因此，所述无线携能接收装置将由定时模块110唤醒微控制器111，再由微控制器111决定定时模块110计时时长，进而控制定时模块110开始计时，由微控制器111控制定时模块110切断对微控制器111的能量供应，最终由完成了计时任务的定时模块110再次唤醒微控制器111，实现根据微控制器111实际休眠时长需求进行自适应计时循环的功能。

第一开关电路104在以VDD的形式为所述定时模块110提供能量的还为第一双稳态锁存器模块105和第二双稳态锁存器模块108提供能量。因此，所述微控制器111将不具备决定第一双稳态锁存器模块105和第二双稳态锁存器模块108是否处于工作状态的能力，而只能够切换双稳态锁存器模块输出端的电平高低状态。这么设计的原因在于，当定时模块110处于计时工作状态S3时，须保持其定时时长选择引脚电平状态稳定，若在计时工作期间定时时长选择引脚电平状态发生翻转，则会导致定时模块宕机。因此，在缺少双稳态锁存器模块辅助的情况下，若仅由微控制器111对定时模块110进行定时时长设置并令定时模块开始计时，在定时模块110停止第三开关电路107对微控制器111的能量供给时，微控制器111对定时模块110的定时时长选择引脚的控制也会随着微控制器111的断电而回归低电平状态。在此基础上，所述双稳态锁存器模块能够发挥其电平状态存储功能，由微控制器111切换其输出端电平状态，且在微控制器111停止工作时，依旧能够为定时模块110的定时时长选择引脚保持稳定的电平状态，保证定时模块计时工作时的稳定性。

基于OPTION1、OPTION2引脚对电平状态稳定的需求，有必要对双稳态锁存器模块的实现做进一步介绍。在具体的应用实例中，本发明图1所述实施例的第一双稳态锁存器模块105及第二双稳态锁存器模块108在电子电路设计实现中常用的方法有三种：MCU切换法、分立元件搭接法及专用单按键切换芯片法。其中，由上一段落的说明已知，由于本发明所述微控制器111存在断电休眠的状态，故在本发明中，MCU切换法不能为OPTION1、OPTION2引脚保持稳定的电平，并不适用。

对于本发明优选的基于分立元件搭接法的双稳态锁存器模块，图6为本发明其中一实施例中双稳态锁存器的电路原理示意图。如图6所示，该双稳态锁存器电路以两个N沟道场效应管Q1、Q2和一个P沟道场效应管Q3为核心，功能是当其正常上电工作时，每按下一次开关SWITCH1，会将其输出端OUTPUT的电平状态在VDD和悬空之间切换，带动其输出端LED灯D1在亮、灭状态间切换。由前文已知，第一开关电路104以VDD的形式为第一双稳态锁存器模块105和第二双稳态锁存器模块108提供能量。具体到图6所示电路而言，当VDD到达该电路为其供电时，电源电压VDD首先经电阻R2、R3到达N沟道场效应管Q1的栅极，将Q1的源极与漏极导通。由于Q1的源极与GND相连，此时Q1的漏极亦为GND，使GND到达N沟道场效应管Q2的栅极，将Q2的源极与漏极截止。此时，电源电压经电阻R2到达P沟道场效应管Q3的栅极，使Q3的源极与漏极截止。在该状态下，图6所示双稳态锁存器电路的输出端OUTPUT为悬空状态，LED灯D1将处于熄灭状态，而由于电容C1的正负极始终均为GND，故C1并没有存储电能。当按下开关SWITCH1时，由于C1并没有储能，故Q1的栅极瞬间由高电平转为GND低电平，使Q1的源极与漏极截止。此时，电源电压VDD经电阻R1到达N沟道场效应管Q2的栅极，使Q2的源极与漏极导通。由于Q2的源极与GND相连，此时Q2的漏极亦为GND，使GND到达P沟道场效应管Q3的栅极，使Q3的源极与栅极导通。由于Q3的源极与VDD相连，此时Q3的漏极将VDD输出至OUTPUT引脚。在该状态下，图6所示双稳态锁存器电路的输出端OUTPUT为VDD，LED灯D1将处于点亮状态。而电源电压VDD通过R1、R4和R5组成的电路为C1充电。同理可推得，当再次按下SWITCH1开关时，输出端OUTPUT将再次回到悬空状态。需说明的是，图6所示双稳态锁存器电路使用单按键开关作为切换状态的元件，仅为本发明中较优的实现方式，而不对本电路的其他扩展功能产生限制，具体作为第一双稳态锁存器模块105和第二双稳态锁存器模块108应用至本发明图1实施例中时，可将该开关SWITCH1换成如TPS22860芯片之类的开关，由微控制器111对开关通断进行控制，控制图6所示双稳态锁存器电路输出端OUTPUT的电平状态。

对于本发明优选的基于专用单按键切换芯片法的双稳态锁存器模块，图7、图8、图9分别为本发明三种实施例中双稳态锁存器的电路原理示意图。如图7所示，5BE1-2C72为本发明所述双稳态锁存器模块可选的专用单按键切换芯片，其具有两路电平信号输出，上电时处于待机状态，重置引脚RST置高电平时有效，当其KEY引脚读取到一个低电平信号时，其低电平输出引脚U1_OUTPUT_LOW输出低电平，高电平输出引脚U1_OUTPUT_HIGH同步输出高电平。如图7所示，该电路为其KEY引脚外接了一个按键开关SW2，另一端连至GND以供用户手动开启或关闭输出引脚，元件P1可用于为KEY引脚接收微控制器111的控制指令，即微控制器111可以通过GPIO或其他通信方式控制KEY引脚，改变该电路输出引脚电平状态。该电路还为两路输出引脚分别外接了输出LED灯D2、D3，方便使用者实时获取当前两路输出引脚是否工作正常及是否电平相反。元件P3、P2可用于将高、低电平输出引脚引出，方便根据实际需求将电平状态连接至图1实施例中所述的第二开关电路106的控制端或选择开关电路109的控制端。

如图8所示，1489-EBD7为本发明所述双稳态锁存器模块可选的另一款专用单按键切换芯片，其存在两路输入控制OPT、KEY及两路电平信号输出，上电时处于待机状态，当其KEY引脚读取到一个至少持续1.5秒的低电平信号时，其低电平输出引脚U2_OUTPUT_LOW输出低电平，高电平输出引脚U2_OUTPUT_HIGH同步输出高电平。当其OPT引脚检测到高电平信号时，其高电平引脚持续输出高电平，低电平引脚则相反，直至OPT引脚的高电平信号消失，当OPT引脚引脚检测到高电平信号时，KEY引脚的功能无效。如图8所示，该电路为KEY引脚外接了一个按键开关SW3，另一端连至GND以供用户手动开启或关闭输出引脚，元件P4可用于为KEY引脚接收微控制器111的控制指令。该电路还为两路输出引脚分别外接了输出LED灯D4、D5，方便使用者实时获取当前两路输出引脚是否工作正常及是否电平相反。元件P5、P6可用于将高、低电平输出引脚引出，方便根据实际需求将电平状态连接至图1实施例中所述的第二开关电路106的控制端或选择开关电路109的控制端。同理，该电路为OPT引脚预留了开关SWITCH2，以备扩展使用。

如图9所示，YUSIJIE LM01为本发明所述双稳态锁存器模块可选的另一款专用单按键切换芯片，其有一路电平信号输出引脚L1及一路输入控制引脚KEY，上电时输出引脚L1为高阻态，当其KEY引脚读取到一个低电平信号时，其输出引脚L1为低电平，故输出引脚L1需外接上拉电阻。如图9所示，该电路为KEY引脚外接了一个按键开关SW4，另一端连至GND以供用户手动开启或关闭输出引脚，元件P7可用于为KEY引脚接收微控制器111的控制指令。该电路还为输出引脚L1外接了上拉电阻R11及LED灯D6，方便使用者实时获取当前输出引脚L1电平状态。同时元件P8可用于将输出引脚L1引出，方便根据实际需求将电平状态连接至图1实施例中所述的第二开关电路106的控制端或选择开关电路109的控制端。

本发明其中一实施例中开关电路与定时模块结合的模块的电路原理如图10所示。由图10电路，该实施例的模块采用如EH211228-02DE-2F9F定时器芯片U1作为定时模块110的核心IC，结合了U2、U3、U4三个超低泄漏负载开关TPS22860，分别为EH211228-02DE-2F9F的OPTION1、OPTION2及OUT引脚提供开关服务。具体地，图1所示实施例中的第一开关电路104以VDD的形式为图10所示电路的3V3端口供电。开关芯片U2可等效为图1所示实施例中的第三开关电路107，通过连接元件P2的1、2引脚，可将3V3电源提供给该开关芯片U2的输入端U2_Vin及开关偏置电压U2_Vbias。通过连接元件P8的1、2引脚，U2的使能端U2_ON可由定时器芯片U1的输出引脚OUT控制，U2的输出端U2_Vout可以VCC的形式连接至微控制器111的电源端。即当定时器芯片U1处于定时预设状态S1或休眠节能状态S2时，其输出引脚OUT为高电平，此时开关芯片U2将被打通，将第一开关电路104输送的VDD通过元件P3的2号引脚引出。

图10的开关芯片U3、U4可等效为图1所示实施例中的选择开关电路109，通过连接元件P5、P12的1、2引脚，可将3V3电源提供给开关芯片U3、U4的开关偏置电压U3_Vbias、U4_Vbias。通过连接元件P17、P16的1、2引脚，定时器芯片U1的定时时长选择引脚OPTION1、OPTION2可分别与U3、U4的输出端U3_Vout、U4_Vout相连。U3、U4的输入端U3_Vin、U4_Vin均与GND相连。U3、U4的使能端U3_ON、U4_ON已由P13、P15引出，作为选择开关电路109的控制端，用于外接第二双稳态锁存器模块108的输出端口。对于U3而言，第二双稳态锁存器模块108的输出端口输出高电平时，该高电平将通过P13端口输送至U3_ON，打通U3_Vin及U3_Vout，而U3_Vin与GND相连，U3_Vout与定时器芯片的定时时长选择引脚OPTION1相连，所以OPTION1接地GND。同理，当第二双稳态锁存器模块108的输出端口输出低电平时，OPTION1悬空。对于U4而言其逻辑相同。因此，可切换OPTION1、OPTION2所处的状态为悬空或接地来切换定时时长。

在图1所示实施例中，微控制器111还将对整流电路模块101输送的基带信号进行模数转换采样，通过数字信号处理技术对采样得到的基带信号进行解码，将基带信号中携带的信息进行提取，再将所得信息通过无线携能接收装置的板载外部电路中的显示模块进行显示输出。根据基带信号中携带的相关指令信息，微控制器111可遵循用户端的实际需求，发送相应的定时时长控制指令切换第二双稳态锁存器模块108的输出端电平状态，改变选择开关电路109的通断状态，控制定时模块110在下一次计时工作周期中按照用户端的实际需求进行定时，满足用户端的多样化工作模式及高灵活度弹性资源调度。

针对本发明图1所示的自适应无线携能接收装置的实施例，其工作模式拓扑图如图11所示。首先，无线携能接收装置前端接收天线将射频信号接收并输送至整流电路模块，整流电路模块将射频信号整流并分割为直流能量与基带信号。直流能量的电压值达到能量采集模块的冷启动电压时，能量采集模块将直流能量升压并存储于储能元件中。当储能元件的输出端电压达到/>时，能量采集模块的VBAT_OK引脚转为高电平，该高电平将导通第一开关电路，为定时模块、第一双稳态锁存器模块、第二双稳态锁存器模块提供电源，也将储能元件的电能输送至第三开关电路的输入端。接着，当定时模块启动后，其将处于定时预设状态，输出端OUT为高电平，该高电平将导通第三开关电路，将储能元件的电能输送至微控制器。当微控制器启动后，将以ADC采样的方式对整流电路模块输出的基带信号进行采样，并通过数字信号处理技术将其中的信息解码提取。若微控制器收到需要将信息显示出来的指令，则其通过调用板载外部电路中的显示模块显示信息，否则板载外部电路保持静默。若微控制器收到需要进入休眠状态的指令，则根据具体休眠时长为0.5小时、1.0小时、1.5小时或2.0小时对具有两路锁存器的第二双稳态锁存器模块进行控制，使其两路锁存器输出相应的电平状态。这两路电平状态将分别用于控制选择开关电路的两路开关电路，通过两路开关的导通、断开状态来决定定时器芯片OPTION1、OPTION2引脚的接地和悬空状态，其定时时长与OPTION1、OPTION2引脚状态的对应情况如表1所示。

表1

OPTION1引脚状态	OPTION2引脚状态	定时时长/小时(hours)
			悬空	悬空	0.5
悬空	接地	1.0
			接地	悬空	1.5
接地	接地	2.0

当定时设定完成后，定时模块将处于休眠节能状态，等待开始计时，此时微控制器通过切换第一双稳态锁存器模块的输出端，控制第二开关电路为定时器芯片KEY引脚提供一个持续时间为100ms的高电平信号，使定时模块进入计时工作状态，按照之前预设的时长开始倒计时。此时，定时模块的输出端OUT为低电平，断开第三开关电路，微控制器断电进入休眠状态。在定时模块结束计时前，微控制器将处于休眠状态，当定时自然结束或人为干预接入使定时中断时，定时模块才会重回定时预设状态，再次由OUT的高电平来唤醒微控制器，使其开始工作，接收基带信号并解调，以此形成本发明所述无线携能接收装置的自适应循环工作模式。其优点在于，当微控制器没有需要处理的任务时，在不影响设备正常工作的基础上充分解放高功耗的微控制器，从而高效利用从射频信号中采集到的珍贵能量，延长无线携能接收装置的生命周期。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，包括接收天线、整流电路模块、能量采集模块、储能元件、第一开关电路、第一双稳态锁存器模块、第二开关电路、第三开关电路、第二双稳态锁存器模块、选择开关电路、定时模块及微控制器；微控制器还与板载外部电路进行交互，并根据实际应用需求调用板载外部电路的资源或控制板载外部电路实现拓展功能；

其特征在于，接收天线与整流电路模块相连，整流电路模块将接收天线收到的射频信号转换为直流信号，并将该直流信号分割为基带信号及直流能量，进而将基带信号传输至所述微控制器，将直流能量传输至所述能量采集模块；

所述能量采集模块在直流能量的电压达到预设的冷启动电压时，对直流能量进行升压并通过所述储能元件进行存储；储能元件将采集到的能量输出至所述第一开关电路的输入端并为其提供开关偏置电压；当储能元件的输出电压达到预设的阈值时，能量采集模块将控制第一开关电路导通，从而将储能元件预先输送至第一开关电路输入端的能量经过第一开关电路的输出端输送至后端电路；

第一开关电路的输出端优先以VDD的形式为定时模块、第一双稳态锁存器模块及第二双稳态锁存器模块提供电源；其次，第一开关电路的输出端还为第二开关电路、第三开关电路及选择开关电路提供开关偏置电压；同时，第一开关电路还需将VDD提前输送至第三开关电路的输入端，随时准备将VDD经由第三开关电路以VCC的形式输出至微控制器；

第一双稳态锁存器模块的输出端与第二开关电路的控制端相连；第二开关电路的输出端与定时模块的计时控制引脚相连；定时模块的输出端与第三开关电路的控制端相连；第三开关电路的输出端与微控制器的电源端相连；第二双稳态锁存器模块的输出端与选择开关电路的控制端相连；选择开关电路的输出端与定时模块的定时时长选择引脚相连；微控制器与第一双稳态锁存器模块、第二双稳态锁存器模块和板载外部电路相连；

定时模块包括定时预设状态S1、休眠节能状态S2及计时工作状态S3三种状态：

处于定时预设状态S1时，持续等待定时时长选择指令；

处于休眠节能状态S2时，以静态电流保持静默且不再接受定时时长设置，持续等待开始计时指令；

处于计时工作状态S3时，按照定时预设的定时时长进行计时，当计时结束或微控制器主动结束计时时，结束计时并重新恢复至定时预设状态；

所述微控制器根据指令信息要求的休眠时长，对处于定时预设状态S2的定时模块发送定时时长选择指令，从而设定定时模块的定时时长等于指令信息要求的休眠时长；定时时长选择完毕，定时模块将进入休眠节能状态S2，微控制器将其发送开始计时指令；开始计时指令到达时，定时模块将进入计时工作状态S3，根据预设的定时时长开始计时；

在计时工作状态S3下，定时模块的输出端将由高电平转换为低电平，输送至所述第三开关电路的控制端，控制第三开关电路断开，从而断开所述微控制器的电源VCC，使微控制器彻底断电而进入休眠状态；在计时工作状态S3下，仅需为定时模块提供电源，而微控制器无需用电；

所述微控制器用于切换第一双稳态锁存器模块和第二双稳态锁存器模块输出端的电平高低状态；微控制器发送开始计时指令，切换第一双稳态锁存器模块的输出端为高电平或低电平状态；第一双稳态锁存器模块输出端的电平高低状态将作用于第二开关电路的控制端，对第二开关电路的开关通断状态进行控制；当第一双稳态锁存器模块的输出端为高电平时，第二开关电路将处于导通状态；当第一双稳态锁存器模块的输出端为低电平时，第二开关电路将处于截止状态；当定时模块处于休眠节能状态S2并随时准备开始计时时，微控制器能够控制第一双稳态锁存器模块及第二开关电路，对定时模块的计时控制引脚的电平高低状态进行切换，使定时模块开始计时，进入计时工作状态S3；

所述定时模块的定时时长由其定时时长选择引脚是悬空或接地状态所决定，故在定时预设状态S1下，微控制器对定时模块发送的定时时长选择指令是作用于所述定时时长选择引脚；

所述第二双稳态锁存器模块输出稳定的电平状态；由微控制器切换第二双稳态锁存器模块输出端为高电平或低电平状态，进而控制所述选择开关电路为导通或断开状态，从而为定时模块的定时时长选择引脚提供稳定的悬空或接地状态；在微控制器休眠之后，由第二双稳态锁存器模块代替微控制器为定时时长选择引脚提供稳定的悬空或接地状态；

当计时结束或微控制器主动结束计时时，所述定时模块重新恢复至定时预设状态S1，其输出端将由低电平转换为高电平，再次为所述微控制器提供电源，并等待微控制器下一次定时时长选择指令的到达，形成所述无线携能接收装置的自适应循环工作模式。

2.根据权利要求1所述一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，其特征在于，所述定时模块初次上电时应处于定时预设状态S1，在该状态下，其输出端将高电平输送至所述第三开关电路的控制端，控制第三开关电路导通，将所述第一开关电路预先输送至第三开关电路输入端的VDD导通至第三开关电路的输出端，从而以VCC的形式为所述微控制器提供电源。

3.根据权利要求2所述一种基于双稳态锁存器及定时控制的无线携能接收装置，其特征在于，所述微控制器上电后，作为核心控制器对无线携能接收装置进行整体资源调度及任务分配；微控制器将对所述整流电路模块产生的基带信号进行模数转换，进而对基带信号进行解码，获取接收天线所接收到的射频信号中携带的指令信息；微控制器将对指令进行响应，根据指令信息的要求将各工作任务分配至板载外部电路的各个模块；若指令信息表示微控制器暂时没有任务需执行，则微控制器将根据指令信息要求的休眠时长进入休眠状态。