CN102944259A - 一种无线无源测量装置 - Google Patents

Abstract

一种无线无源测量装置，第一微控制器通过倍压功率驱动模块控制电源的输入；电源依次经过倍压功率驱动模块和初级线圈为无线无源测量电路供电；第一微控制器通过第一无线模块实现和无线无源测量电路之间的通讯；次级线圈将电能耦合进整流充电管理模块，并存储在法拉电容中；经过稳压电路为第二微控制器和传感器模块供电；第二微控制器通过电压监控模块实时检测法拉电容的充放电电压，并通过外部控制电路进行充电；传感器模块获取测量的物理量，在第二微控制器的控制下通过第二无线模块传输给外部控制电路，实现对物理量的无线无源测量。本发明应用在一些无法使用导线进行能量传输和信号读取的场合；并且可以测量多个模拟或数字的物理量。

Description

一种无线无源测量装置

技术领域

本发明涉及无线无源领域，特别涉及一种无线无源测量装置。

背景技术

现代测量技术的发展，使得很多物理量的直观测量成为了可能，例如：压力、温度、湿度和流量等。但很大的一个限制是需要通过导线进行能量的供给以及数据的读取，对于测量容器内部、动物或人体内部某个部位的一些物理量的应用十分不利。

中国实用新型专利“一种无线无源测量电路”(公开号：CN201629035U，公开日：2010年11月10日)提供了一种无线无源的测量电路，即通过可控电容或者电感实现对物理量的测量，但此种测量方式可测量的物理量较少、一次只能测量一个物理量且难以实现持续测量。

中国实用新型专利“一种无线无源测量设备”(公开号：CN201964897U，公开日：2011年9月7日)提出了无线无源测量的一种优化方案，即通过定时刷新显示数据的方式实现节能从而提高***的工作时间，但未能给出具体的能量来源以及能量转换的实现方式。

发明内容

本发明提供了一种无线无源测量装置，解决了由于连接导线对应用范围的限制；同时可以持续测量多个物理量并给出了具体的能量来源以及能量转换的实现方式，详见下文描述：

一种无线无源测量装置，包括：外部控制电路和无线无源测量电路，

所述外部控制电路包括：第一微控制器，所述第一微控制器通过倍压功率驱动模块控制电源的输入；所述电源依次经过所述倍压功率驱动模块和初级线圈为所述无线无源测量电路供电；所述第一微控制器通过第一无线模块实现和所述无线无源测量电路之间的通讯；

所述无线无源测量电路包括：次级线圈，所述次级线圈将电能耦合进整流充电管理模块，并存储在法拉电容中；经过稳压电路为第二微控制器和传感器模块供电；所述第二微控制器通过电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，并通过所述外部控制电路进行充电；所述传感器模块获取测量的物理量，在所述第二微控制器的控制下通过第二无线模块传输给所述外部控制电路，实现对物理量的无线无源测量。

所述第二微控制器通过电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，并通过所述外部控制电路进行充电具体为：

所述第二微控制器通过所述电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，当所述法拉电容的充电电压高于第一预设值或者放电电压低于第二预设值时，所述第二微控制器通过所述第二无线模块发出控制信息至所述第一无线模块，所述第一无线模块将所述控制信息传输至第一微控制器；所述第一微控制器通过控制所述倍压功率驱动模块停止对所述法拉电容的充电或者进行充电。

所述倍压功率驱动模块采用全桥的H桥驱动电路，将所述第一微控制器输出的脉冲电平转换为高电压的脉冲电平。

所述全桥的H桥驱动电路选用四个N型的MOS管。

所述稳压电路包括：将脉冲信号转换为电压信号的转换电路，

所述转换电路将电压信号传输至电压反馈模块，所述电压反馈模块的正极性端通过可控单刀双掷开关接参考电压；负极性端接Buck-Boost电路稳压后电压的分压；所述电压反馈模块的输出端接PWM驱动模块，所述PWM驱动模块输出一定频率和占空比的脉冲波形并加到所述Buck-Boost电路上，所述Buck-Boost电路输出稳定的电压。

所述可控单刀双掷开关接参考电压具体为：

所述可控单刀双掷开关接固定参考电压VREF，或，

所述可控单刀双掷开关接所述第二微控制器输出的脉冲波形。

所述第一微控制器和第二微控制器为低功耗微控制器。

所述第一微控制器和第二微控制器为CC430系列，集成有无线射频收发模块。

当所述传感器模块输出为模拟信号，则通过放大或跟随后直接输入到所述第二微控制器的AD转换接口；若所述传感器模块输出为数字信号，则通过所述第二微控制器的IO接口读取所述传感器模块的输出信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1）通过采用法拉电容从而解决充电过程中电磁波对无线模块造成干扰的问题，即可以在充电过程中暂停数据收发而在充电过程完成后再继续数据的收发过程；同时由于法拉电容可以反复充电且不影响其充放电的能力，从而增大了无线无源测量装置使用寿命和适用性；

2）通过采用外部控制电路和无线无源测量电路两部分使其应用在一些无法使用导线进行能量传输和信号读取的场合；并且通过传感器模块和第二微控制器的设计使得实际工作时，可以测量多个模拟或数字的物理量；

3）当倍压功率驱动模块采用全桥的H桥驱动电路时，提高了能量传输的效率、缩短了充电时间，减小了充电时高频电磁信号造成的干扰；并且当选用的四个N型的MOS管时，进一步提高了电路的效率；

4）当采用本发明提供的稳压电路时，实现了对传感器模块和第二微控制器的稳定供电；当可控单刀双掷开关输入第二微控制器输出的脉冲波形时，扩大了电压的输出范围，从而可以更好的为传感器模块提供稳定的工作电压。

附图说明

图1为无线无源测量装置的电路示意图；

图2为倍压功率驱动模块的电路示意图；

图3为整流充电管理模块的电路示意图；

图4为稳压电路模块的电路示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：电源；                2：第一微控制器；

3：倍压功率驱动模块；    4：第一无线模块；

5：初级线圈；            6：次级线圈；

7：整流充电管理模块；    8：法拉电容；

9：稳压电路；            10：第二无线模块；

11：第二微控制器；       12：传感器模块；

13：电压监控模块；       14：全桥二极管整流电路；

15：稳压管；             16：Buck-Boost电路；

17：PWM驱动模块；        18：电压反馈模块；

19：转换电路；        20：可控单刀双掷开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

法拉电容是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、绿色环保无污染等众多优点，它的应用可以进一步提高无线无源测量设备的应用范围和使用时间。

为了解决由于连接导线对应用范围的限制；同时可以持续测量多个物理量并给出了具体的能量来源以及能量转换的实现方式，参见图1和图2，一种无线无源测量装置，包括：外部控制电路和无线无源测量电路，

外部控制电路包括：第一微控制器2，第一微控制器2通过倍压功率驱动模块3控制电源1的输入；电源1依次经过倍压功率驱动模块3和初级线圈5为无线无源测量电路供电；第一微控制器2通过第一无线模块4实现和无线无源测量电路之间的通讯；

无线无源测量电路包括：次级线圈6，次级线圈6将电能耦合进整流充电管理模块7，并存储在法拉电容8中；经过稳压电路9为第二微控制器11和传感器模块12供电；第二微控制器11通过电压监控模块13实时检测法拉电容8的充放电电压，并通过外部控制电路进行充电；传感器模块12获取测量的物理量，在第二微控制器11的控制下通过第二无线模块10传输给外部控制电路，实现对物理量的无线无源测量。

其中，第二微控制器11通过电压监控模块13实时检测法拉电容8的充放电电压，并通过外部控制电路进行充电具体为：

第二微控制器11通过电压监控模块13实时检测法拉电容8的充放电电压，当法拉电容8的充电电压高于第一预设值或者放电电压低于第二预设值时，第二微控制器11通过第二无线模块10发出控制信息至第一无线模块4，第一无线模块4将控制信息传输至第一微控制器2；第一微控制器2通过控制倍压功率驱动模块3停止对法拉电容8的充电或者进行充电。

具体实现时，第一预设值和第二预设值根据实际应用中的需要进行设定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，外部控制电路通过倍压功率驱动模块3产生一定幅值的高频脉冲信号并通过初级线圈5产生高频共振电磁场，该高频共振电磁场耦合至无线无源测量电路为其供电，初级线圈5和次级线圈6之间构成了松耦合变压器。

参见图2，倍压功率驱动模块3采用的是全桥的H桥驱动电路，从而将第一微控制器2输出的脉冲电平转换为高电压的脉冲电平，以提高能量传输的效率、缩短充电时间，减小充电时高频电磁信号造成的干扰。

同时，为了减小MOS管工作时的静态电流，降低整体功耗，全桥的H桥驱动电路选用的是四个N型的MOS管，在任何时刻，总有一对MOS管处于压降为零（“导通”），一对MOS管处于电流为零（“关断”）的状态，理论上不会损失能量，从而大大提高了电路的效率。

参见图3，整流充电管理模块7由全桥二极管整流电路14和稳压管15组成，全桥二极管整流电路14将次级线圈6耦合的交流电整流为直流电；稳压管15对直流电进行稳压，防止直流电压过大超过法拉电容8的额定电压上限而损坏法拉电容8。

参见图4，稳压电路9的输入电压为法拉电容8的输出电压，根据法拉电容8的放电曲线，稳压电路9的输入电压不是一个稳定电压且有可能低于第二微控制器11和传感器模块12正常工作所需的电压。

为了能够为第二微控制器11和传感器模块12提供稳定的电源，稳压电路9包括：将脉冲信号转换为电压信号的转换电路19，转换电路19将电压信号传输至电压反馈模块18，电压反馈模块18的正极性端通过可控单刀双掷开关20接参考电压；负极性端接Buck-Boost（升降压稳压）电路16稳压后电压的分压；电压反馈模块18的输出端接PWM（脉冲宽度调制）驱动模块，PWM驱动模块输出一定频率和占空比的脉冲波形并加到Buck-Boost电路16上，Buck-Boost电路16输出稳定的电压。

其中，可控单刀双掷开关20接参考电压具体为：可控单刀双掷开关20接固定参考电压VREF，或，接第二微控制器11输出的脉冲波形。

实际应用时，可控单刀双掷开关20默认闭合于参考电压VREF端，但可以通过第二微控制器11选择闭合至VIO端，VIO端输入第二微控制器11输出的脉冲波形，通过转换电路19可以转换为电压信号进而通过电压反馈模块18控制PWM驱动模块17输出一定的波形使Buck-Boost电路16输出稳定的电压，这样在保证为第二微控制器11供电的同时，对传感器模块进行了更好的供电，扩大了输出电压的范围。

为了降低器件的功耗，第一微控制器2和第二微控制器11优选为低功耗微控制器。

当第一微控制器2和第二微控制器11的型号为CC430系列时，1）可以选择为微控制器中各个模块供电，很好的实现了低功耗的目的；2）由于CC430系列的低功耗微控制器具有较大的flash存储空间，因此可以将无线无源检测电路所测得的数据暂时存储在内部的flash中，从而可以在较长的时间内通过软件选择不给CC1101无线射频模块供电，而在存储了一定数据后再供电并传输数据，即缩短无线射频模块的上电时间，降低整体功耗；3）第一微控制器2和第二微控制器11集成有无线射频收发模块，无需另设第一无线模块4和第二无线模块10，节省了成本。例如：第一微控制器2和第二微控制器11优选CC430系列超低功耗单片机中的CC430F5137，其自带DA和AD转换模块；内部集成有CC1101无线射频模块。

由于有稳定的电源1供电且无线无源检测电路具有第二微控制器11，传感器模块12可以为测量任何物理量的电气传感器，若传感器模块12的输出为模拟信号则可以通过放大或者跟随后直接输入到第一微控制器11的AD转换接口上从而是实现对物理量的测量；若传感器模块12的输出为数字信号，则可通过第二微控制器11的数字IO口读取传感器模块12的输出信号进而实现测量的功能。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线无源测量装置，包括：外部控制电路和无线无源测量电路，其特征在于，

所述外部控制电路包括：第一微控制器，所述第一微控制器通过倍压功率驱动模块控制电源的输入；所述电源依次经过所述倍压功率驱动模块和初级线圈为所述无线无源测量电路供电；所述第一微控制器通过第一无线模块实现和所述无线无源测量电路之间的通讯；

所述无线无源测量电路包括：次级线圈，所述次级线圈将电能耦合进整流充电管理模块，并存储在法拉电容中；经过稳压电路为第二微控制器和传感器模块供电；所述第二微控制器通过电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，并通过所述外部控制电路进行充电；所述传感器模块获取测量的物理量，在所述第二微控制器的控制下通过第二无线模块传输给所述外部控制电路，实现对物理量的无线无源测量。

2.根据权利要求1所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述第二微控制器通过电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，并通过所述外部控制电路进行充电具体为：

所述第二微控制器通过所述电压监控模块实时检测所述法拉电容的充放电电压，当所述法拉电容的充电电压高于第一预设值或者放电电压低于第二预设值时，所述第二微控制器通过所述第二无线模块发出控制信息至所述第一无线模块，所述第一无线模块将所述控制信息传输至第一微控制器；所述第一微控制器通过控制所述倍压功率驱动模块停止对所述法拉电容的充电或者进行充电。

3.根据权利要求1所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述倍压功率驱动模块采用全桥的H桥驱动电路，将所述第一微控制器输出的脉冲电平转换为高电压的脉冲电平。

4.根据权利要求3所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述全桥的H桥驱动电路选用四个N型的MOS管。

5.根据权利要求1所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述稳压电路包括：将脉冲信号转换为电压信号的转换电路，

所述转换电路将电压信号传输至电压反馈模块，所述电压反馈模块的正极性端通过可控单刀双掷开关接参考电压；负极性端接Buck-Boost电路稳压后电压的分压；所述电压反馈模块的输出端接PWM驱动模块，所述PWM驱动模块输出一定频率和占空比的脉冲波形并加到所述Buck-Boost电路上，控制所述Buck-Boost电路输出稳定的电压。

6.根据权利要求5所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述可控单刀双掷开关接参考电压具体为：

所述可控单刀双掷开关接固定参考电压VREF，或，

所述可控单刀双掷开关接所述第二微控制器输出的脉冲波形。

7.根据权利要求1或2所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述第一微控制器和第二微控制器为低功耗微控制器。

8.根据权利要求1或2所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，所述第一微控制器和第二微控制器为CC430系列，集成有无线射频收发模块。

9.根据权利要求1或2所述的一种无线无源测量装置，其特征在于，当所述传感器模块输出为模拟信号，则通过放大或跟随后直接输入到所述第二微控制器的AD转换接口；若所述传感器模块输出为数字信号，则通过所述第二微控制器的IO口读取所述传感器模块的输出信号。

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