CN102932025A - 一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输*** - Google Patents
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Abstract
一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***,包括一个驱动模块,一个发射模块,一个接收模块和一个负载模块:驱动模块包括电源、频率发生器、MCU、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线。发射模块包括发射线圈和调谐电容。接收模块包括接收线圈和调谐电容。负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、MCU和应用电路。驱动模块将能量和信号协同发射到自由空间,经过发射模块和接收模块的无线传输后,被负载模块接收。负载模块还能将信号通过无线传输方式反馈,经过接收模块和发射模块的无线传输后,被驱动模块接收。本发明基于磁共振的无线传输,具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及能量/信号协同传输技术领域,尤其是涉及种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***。
背景技术
无线技术,包括无线信号传输和无线能量传输,其发展正如火如荼,并且日益深入到我们生活的方方面面,不断影响和改变我们的日常生活。随着云计算和物联网的兴起,计算和环境感知智能设备将遍布世界,我们居住的地球将成为“智慧地球”。为了实现这一设想,需要一系列关键技术,无线能量/信号协同传输就是其中一种关键技术。无线能量/信号协同传输技术将使终端摆脱电源线和信号线的束缚,具有极大的灵活性、广泛的适应性。这项技术将可以应用到智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和健康医疗等领域,实现物流监控、生产制造加工控制、门禁控制、宠物管理、商品防伪、电子档案(生物技术护照)、健康监护、实时位置服务、军事监视与跟踪、环境监测等多种用途。
目前的无线能量传输技术根据传输机制、应用范围和效率可以分为以下几种类别。远场无线能量/信号协同传输:其典型例子就是无源RFID标签***,无源RFID标签由阅读器为其供电,同时通过对电磁波的后向散射与阅读器进行通信。近场无线能量/信号协同传输:其典型例子就是感应耦合电能传输***,实现了电能的无线传输和控制信号的无线通信。
基于磁共振的无线能量/信号协同传输是一种中距离无线能量/信号传输的新型技术,具有很多突出优点,因而具有极大的应用前景。其一,传输效率高很高,可以达到70%以上;其二,传输距离相对较远;其三,对负载端的方位没有特殊要求;其四,能够穿越障碍。其五,使用磁场来传输能量和进行通信,不会被周围的电介质影响,因此具有更好的性能。基于磁共振的无线能量/信号协同传输***特别适合物联网应用,不仅可以传输ID、简单的控制信息,还有望传输功耗相对较高、数据量相对较大、方位多变的各种无源传感器数据,实现信号的双向传输,能够足够快的实时反馈无源传感器信息和控制无源传感器操作,是今后物联网的发展趋势,也是关键技术之一。
发明内容
本发明主要是解决现有基于远场的RFID无线能量/信号协同传输***能量传输效率过低和基于电磁感应的无线能量/信号协同传输***传输距离过近等问题;提供了一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***。
本发明的技术方案为一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***,包括一个驱动模块,一个发射模块,一个接收模块和一个负载模块;
驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线;电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器;在能量及信号无线传输流程中,微控制单元根据待传输的数据产生的相应编码信号输入调制器,频率发生器产生的工作频率输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器,功率放大器的输出连接驱动天线,驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号无线发射;在反馈信号无线传输流程中,发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线,驱动天线接收到的数据送至解调器,解调器的输出接入微控制单元,微控制单元解码得到实际反馈的数据;
发射模块包括发射线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈;在反馈信号无线传输流程中,接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈;发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处;
接收模块包括接收线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈;在反馈信号无线传输流程中,负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈;接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处;
负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路;在能量及信号无线传输流程中,接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线;负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器;整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路;解调器的输出接入微控制单元,微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路;在反馈信号无线传输流程中,应用电路反馈的数据接入微控制单元,微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线,负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。
而且,驱动模块和负载模块中,微控制单元的编码和解码采用差动双相编解码方法。
而且,信驱动模块和负载模块中,调制器和解调器分别采用幅移键控/开关键控ASK/OKK调制及解调方法。
本发明适用于需要同时传输控制数据的无线供电***。通过同一组驱动、发射、接收和负载天线(或线圈),同时传输能量和信号,既可以对负载端进行无线供电,也可以传输控制数据,对负载端的无线供电进行控制,并且数据通信具有双向通信的特征,负载端能将反馈信息传回驱动端,从而控制驱动端相应改变无线供电模式,也能将负载端的数据(如各种传感数据)无线传回驱动端。这种***具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的***原理图;
图2是本发明实施例中驱动模块的框图;
图3是本发明实施例中发射模块的框图;
图4是本发明实施例中接收模块的框图;
图5是本发明实施例中负载模块的框图;
图6是本发明实施例中的***电路框图。
具体实施方式
本发明中,能量和信号共用驱动天线、发射线圈、接收线圈和负载天线进行基于磁共振方式的无线传输。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
参见图1、图6,本发明实施例包括一个驱动模块1,一个发射模块2,一个接收模块3和一个负载模块4。
驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线;电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器;在能量及信号无线传输流程中,微控制单元根据待传输的数据(主要包括控制命令数据)产生的相应编码信号输入调制器,频率发生器产生的工作频率输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器,功率放大器的输出连接驱动天线,驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号(包括能量和编码后数据)无线发射;在反馈信号无线传输流程中,发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线,驱动天线接收到的数据送至解调器,解调器的输出接入微控制单元,微控制单元解码得到实际反馈的数据(包括传感数据等)。
参见图2,本发明实施例中的驱动模块1包括电源11、频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、驱动天线16、解调器17。电源11的输出端分别连接到频率发生器12、微控制单元(MCU)13、调制器14、功率放大器15、解调器17。在具体实施时,电源11采用开关电源,为频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、解调器17提供合适的直流电源。除接收电源11输入的直流电源之外,频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15、解调器17的相关具体电路连接有:频率发生器12的输出端与调制器14的输入端相连。所述频率发生器12主要完成振荡信号的产生,为能量和信号的传输提供一个发射频率,即本***的工作频率。具体实施时可采用考比兹振荡电路构成,由电感、电容组成振荡回路,根据传输距离需要产生固定频率的正弦波信号。工作频率一般为10MHz左右,也可以采用其他大小的频率。本发明实施例的工作频率采用10MHz。MCU13的输入端与解调器17相连,输出端与调制器14相连。在具体实施时,MCU13可以采用8051单片机。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中,MCU13可对数据进行差动双相(DBP)编码,从而达到降低误码率、节省功率等效果。差动双相编码为现有技术,解码时采用相应方式即可。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时,MCU13接收解调器17输出的数据,并进行解码处理,从而得到实际传输的数据。调制器14的输入端与频率发生器12和MCU13相连,输出端与功率放大器15连接。在具体实施时,调制器14采用ASK/OKK调制,ASK/OKK调制为现有技术,即可采用幅移键控或开关键控任一方式,解调器17采用相应解调方式。将MCU13输入的编码后数据调制在能量载波上,这样可和能量一起协同无线传输。载波的频率由频率发生器12产生的频率决定,即工作频率。功率放大器15的输入端与调制器14相连,输出端与驱动天线16相连。所述的功率放大模块15可以采用两级功率放大,在提供必须的功率强度下,保证频率精度。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中,所述的驱动天线16的输入端与功率放大器15相连,将经过功率放大器15放大的能量和信号无线发射到自由空间。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时,驱动天线16的输出端连接到解调器17,将从自由空间接收到的数据送至解调器17。
本发明的发射模块包括发射线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈;在反馈信号无线传输流程中,接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈;发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处。参见图3,本发明实施例中的发射模块2包括发射线圈L21和调谐电容C22。发射线圈L21接收到驱动天线16经自由空间传播的输出信号,在反馈时则接收线圈L31的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈L21。发射线圈L21和调谐电容C22并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处。
本发明的接收模块包括接收线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈;在反馈信号无线传输流程中,负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈;接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处。参见图4,本发明实施例中的接收模块3包括接收线圈L31和调谐电容C32。发射线圈L21的输出信号经自由空间传播到接收线圈L31;在反馈时则负载天线41的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈L31。接收线圈L31和调谐电容C32并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处。
实施例中,发射线圈L21和接收线圈L31均为圆形线圈,直径为50cm。调谐电容C22、C32均为可变电容,方便将共振频率调为工作频率,本实施例中为10MHz。
本发明的负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路;在能量及信号无线传输流程中,接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线;负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器,从而向解调器提供驱动模块发送的编码后数据(主要包括控制命令数据),向整流器提供能量;整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路;解调器的输出接入微控制单元,微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路;在反馈信号无线传输流程中,应用电路反馈的数据(传感数据等)接入微控制单元,微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线,负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。
参见图5,本发明实施例中的负载模块4包括负载天线41、整流器42、解调器43、微控制单元(MCU)44、应用电路45和调制器46。在从驱动模块1向负载模块4发射能量和信号的过程中,负载天线41接收到经自由空间传播的接收线圈L31的输出信号,提供给整流器42和解调器43。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时,负载天线41连接到调制器46,将调制器46的输出信号,即调制后的反馈数据发射到自由空间。整流器42的输入端连接到负载天线41,输出端连接到解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46。所述的整流器42对负载天线41的输出信号进行高频整流,输出供解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46使用的直流信号,可以采用二极管整流。除接收整流器42输入的直流信号之外,解调器43、MCU44、应用电路45和调制器46的相关具体电路连接有:解调器43的输入端连接到负载天线41,输出端连接到MCU44。所述的解调器43采用ASK/OKK解调器,对负载天线41的输出信号进行解调,得到与能量协同无线传输的数据。MCU44的输入端连接到解调器43,输出端连接到应用电路45和调制器46。在具体实施时,MCU44可以采用8051单片机。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中,MCU44接收解调器43输出的数据,并进行解码处理,从而得到实际传输的数据。在负载模块4向驱动模块1反馈传输数据时,MCU44接收应用电路45输入的数据,经过差动双相(DBP)编码后,输出到调制器46。调制器46的输入端连接到MCU44,输出端连接到负载天线41。所述的调制器46采用ASK/OKK调制器,将反馈的数据调制后送给负载天线41,发送到自由空间。应用电路45(如传感器电路、电池状态控制电路、数据采集电路等)的输入端连接到MCU44,由MCU44输出的控制信号控制。应用电路45的数据也可以反馈输出到MCU44。
本发明实施例的工作过程为:在无线传输能量/信号时,电源11为频率发生器12、MCU13、调制器14、功率放大器15和解调器17提供电力。频率发生器12产生能量无线传输的工作频率。MCU13对需要无线传输的数据进行编码,然后通过调制器14将编码后的信号调制到工作频率的能量载波上,包含能量/信号的正弦波通过功率放大器15放大后,通过驱动天线16发射到自由空间。发射模块2由发射线圈L21和谐振电容C22组成的谐振电路谐振于工作频率。发射线圈L21接收到驱动天线16无线传输的能量/信号,然后同样无线传输到自由空间。接收模块3由接收线圈L31和谐振电容C32组成的谐振电路谐振于工作频率。接收线圈L31接收到发射线圈L21无线传输的能量/信号,然后同样无线传输到自由空间。负载天线41接收到接收模块3无线传输到自由空间的能量/信号,分别送至整流器42和解调器43。整流器42将接收到的无线传输的能量转换为直流,为解调器43、MCU44、应用电路45、调制器46供电。解调器43将无线传输的信号提取出来,输入到MCU44进行解码,解码后的信号供应用电路45使用,比如对应用电路45进行控制。应用电路45可能有些数据需要反馈回驱动模块,如根据应用电路状态调整的控制信号或传感器采集的数据,这些数据反向输入到MCU44,通过MCU44进行编码后输入到调制器46进行调制,然后发送到负载天线41发射到自由空间。数据通过接收模块3和发射模块2的无线传输后,被驱动天线16接收,经过解调器17解调后给MCU13进一步处理,包括解码,并根据解码所得反馈的数据决定是否需要对发射的能量/信号进行调整。需要则调整待输出的数据(例如根据传感器采集的数据改变控制命令数据),继续进行如上能量及信号无线传输流程、反馈信号无线传输流程,支持实时传输调整。
以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解,在不脱离由所附权利要求书限定的情况下,可以在细节上进行各种修改,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***,其特征在于:包括一个驱动模块,一个发射模块,一个接收模块和一个负载模块;
驱动模块包括电源、频率发生器、微控制单元、调制器、功率放大器、解调器和驱动天线;电源的输出端分别连接到频率发生器、微控制单元、调制器、解调器和功率放大器;在能量及信号无线传输流程中,微控制单元根据待传输的数据产生的相应编码信号输入调制器,频率发生器产生的工作频率输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形接入功率放大器,功率放大器的输出连接驱动天线,驱动天线将经过功率放大器放大所得输出信号无线发射;在反馈信号无线传输流程中,发射线圈的反馈输出信号经自由空间传播到驱动天线,驱动天线接收到的数据送至解调器,解调器的输出接入微控制单元,微控制单元解码得到实际反馈的数据;
发射模块包括发射线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,驱动天线的输出信号经自由空间传播到发射线圈;在反馈信号无线传输流程中,接收线圈的反馈输出信号经自由空间传播到发射线圈;发射线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处;
接收模块包括接收线圈和调谐电容;在能量及信号无线传输流程中,发射线圈的输出信号经自由空间传播到接收线圈;在反馈信号无线传输流程中,负载天线的反馈输出信号经自由空间传播到接收线圈;接收线圈和调谐电容并联组成谐振回路,并谐振于工作频率处;
负载模块包括负载天线、整流器、解调器、调制器、微控制单元和应用电路;在能量及信号无线传输流程中,接收线圈的输出信号经自由空间传播到负载天线;负载天线的输出端分别连接到解调器和整流器;整流器的输出端分别连接到解调器、调制器、微控制单元和应用电路;解调器的输出接入微控制单元,微控制单元产生的相应解码信号接入应用电路;在反馈信号无线传输流程中,应用电路反馈的数据接入微控制单元,微控制单元根据数据产生的相应编码信号输入调制器,调制器根据工作频率和编码信号所产生的调制波形连接到负载天线,负载天线将调制波形作为反馈输出信号无线发射。
2.如权利要求1所述一种基于磁共振的无线能量及信号协同传输***,其特征在于:驱动模块和负载模块中,微控制单元的编码和解码采用差动双相编解码方法。
3.如权利要求1或2所述一种基于磁共振的无线能量即信号协同传输***,其特征在于:信驱动模块和负载模块中,调制器和解调器分别采用幅移键控/开关键控ASK/OKK调制及解调方法。
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