CN110768392A - 一种感应耦合电能传输和全双工信号混合传输电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种感应耦合电能传输和全双工信号混合传输的电路，原边数字基带信号通过交流变频驱动产生2FSK调制信号与副边形成电感能量耦合，副边通过电流检测得到2FSK调制信号，再通过锁相环或单频率调谐电路等信号处理手段得到原边正向发送的2FSK数字基带信号。同时，副边采用ICPT功率传输收发前端双谐振网络，增加失谐电容和晶体管，由晶体管的开启与关闭对应了原有调谐电容的改变和保持不变，使谐振网络分别处于失谐与谐振状态，起到改变副边等效负载的负载调制作用，由此引起了原边电感线圈电流的变化并形成2ASK调制信号，经信号处理得到副边反向发送的2ASK数字基带信号，从而实现单信道电能和全双工信号混合传输。

Description

一种感应耦合电能传输和全双工信号混合传输电路和方法
技术领域
本发明属微电子及通信技术领域，具体涉及电感耦合功率传输(ICPT)领域。
背景技术
感应耦合式电能传输技术(ICPT)是基于电磁感应原理，通过高频磁场进行电能交互，感应耦合电能传输***的发射线圈和拾取线圈之间是以空气作为耦合介质，而且二者之间是可以相对位移的，与传统的电源供电***相比，感应耦合式电能传输***最大的特点就是电源与用电设备之间不需要直接的物理连接。它解决了传统供电方式在特殊场合(水下或易燃易爆等场合)和设备在旋转、移动等情况下供电存在的问题和安全隐患，能够实现电能的无线传输。
当前，在ICPT***中传统的信号传输方法是采用信号和电能分离传输的方法，这种方法不仅增加了电感耦合机构的体积和复杂度，在一定程度上也存在着电能传输对信号传输的串扰问题。因此，研究人员对ICPT电能信号混合传输进行了研究。一般而言，信号从原边向副边传输为信号的正向传输，那么从ICPT***副边向原边的传输即为数据的反向传输。对于正向传输来说，由于ICPT***电能传输是从原边向副边传输电能，因此可以以原边电能作为载波，数字信号通过一定的调制手段，将信号加载到电能上，使传输的电能具有数字信号的特征。副边电能接收端在接收电能的同时，提取电能特征，还原数字信号。
然而在实际应用中，可能需要实时检测副边所在的传感器等用电设备的反馈信息，这就需要信号在ICPT***中进行反向传输。信号反向传输与前述的正向传输的不同之处在于：在ICPT***中，副边属于电能的接受机构，不能发送电能给原边，二者属于主从的关系，因此信号不能像正向传输那样直接以电能的某一个特征作为调制方法调制信号。
发明内容
本发明的目的是：在不增设单独的信号传输通道的前提下，提出了采用正向2FSK调频、反向2ASK调幅的ICPT电能和全双工信号混合传输电路和方法。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***的原边电路，其特征在于，包括：
一个交流变频驱动模块，用于根据原边微处理器得出正向发送数字基带信号产生2FSK调制信号；
一个谐振电容和一个电感线圈，用于构成原边振荡回路；
一个电流检测模块，用于得到副边电路反向发送的2ASK调制信号；
一个信号处理模块，用于得到副边电路反向发送的数字基带信号
本发明的另一个技术方案是提供了一种ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***的副边电路，其特征在于，包括：
一个双谐振点网络，包含若干电容与电感组成的电路，谐振频率为上述的原边电路的所述交流变频驱动模块产生的两种频率，用于同时调谐原边2FSK调制信号；
一个负载功率变换模块，用于提供副边元件可用电源；
一个电流检测模块，用于得到原边电路正向发送的2FSK调制信号；
一个信号处理模块，用于通过锁相环或单频率调谐电路得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；
一个失谐电容，用于和一个负载调制晶体管串联后并联在双谐振点网络两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；
一个负载调制晶体管，用于和上述失谐电容串联后并联在双谐振点网络两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；
一个微处理器和一个数字基带中的负载调制模块，用于根据协议要求产生2ASK数字基带信号，有选择性的控制负载调制晶体管的开启与关闭。
本发明的另一个技术方案是提供了一种用于ICPT单信道电能和全双工信号混合传输的方法，其特征在于，采用原边正向2FSK调频、副边反向2ASK调幅的全双工信号传输方式；上述的原边电路根据正向发送数字基带信号通过交流变频驱动产生2FSK调制信号与上述的副边电路形成电感能量耦合，副边电路通过电流检测得到2FSK调制信号，再得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；副边电路利用负载功率变换电路为副边元件提供工作所需的电源，通过由数字基带控制的负载调制晶体管的开启和关闭，有选择性的在原有双谐振点网络的基础上改变谐振频率的大小，使副边谐振网络有选择性的处于失谐状态和谐振状态，从而得到不同的谐振网络等效负载来实现负载反向2ASK调制，原边电路通过电流检测得到2ASK调制信号，经过信号处理得到副边电路反向发送的2ASK数字基带信号；副边电路的双谐振点网络必须存在两个谐振点，能使副边电路的反射阻抗变化正确地体现在原边电路的电流信号变化上，而不受原边的调频键控状态0和1的影响。
优选地，所述副边电路通过锁相环或单频率调谐电路得到所述原边电路正向发送的2FSK数字基带信号。
优选地，具体包括以下步骤为：
(1)原边电路的原边微处理器得出正向发送数字基带信号，通过交流变频驱动产生2FSK调制信号，经过原边电路的谐振电容和原边电路的电感线圈组成的原边振荡回路，与副边电路形成电感能量耦合；
(2)副边电路利用负载功率变换模块为副边元件提供正常工作所需的电源；
(3)副边电路通过电流检测得到2FSK调制信号，得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；
(4)副边电路的微处理器将要反向传输回原边电路的信号作相关处理并转化为数字量后，数字基带中的负载调制模块根据协议的要求传输给负载调制晶体管；
(5)负载调制晶体管根据数字基带中的负载调制模块传输过来的数据处于相应的开启与关闭状态；
(6)当负载调制晶体管处于关闭的时候，失谐电容与双谐振点网络的两端断开，即未与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的依然是双谐振点网络，因此，副边谐振网络仍处于谐振状态；
(7)当负载调制晶体管处于开启的时候，失谐电容与双谐振点网络的电感线圈两端连接，即与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的是失谐电容与双谐振点网络并联构成的总谐振网络，因此，此时的副边谐振网络处于失谐状态。
(8)副边谐振网络谐振状态和失谐状态的转换产生的副边阻抗变化会映射到原边电路电流中，原边电路通过电流检测得到2ASK调制信号，经过信号处理得到副边电路反向发送的2ASK数字基带信号。
本发明的独到优势在于：采用正向2FSK调频，反向2ASK调幅的方式实现ICPT全双工信号传输。在ICPT信号混合反向传输的负载2ASK调制过程中，通过由数字基带控制的负载调制晶体管的开启和关闭，有选择性的在原有双谐振点网络的基础上并联失谐电容，使副边谐振网络有选择性的出于失谐状态和谐振状态，来得到不同的副边等效负载来实现负载调制。其中，副边谐振网络必须存在两个谐振点，才能使副边的反射阻抗变化正确地体现在原边的电流信号变化上，而不受原边的调频键控状态0和1的影响。另外，由于在负载反向调制过程中，副边的等效负载由失谐时的较小值向谐振时的较大值变化，故不会出现电能传输功率不足的情况。
附图说明
图1为本发明的ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***基本构成。
图中标号
101为原边交流变频驱动模块，102为原边谐振电容，103为原边电感线圈，104为原边电流检测模块，105为原边信号处理模块，106为副边双谐振点网络，107为副边失谐电容，108为副边负载调制晶体管，109为副边电流检测模块，110为副边信号处理模块，111为副边谐振网络的数字基带部分，112为副边微处理器，113为副边负载功率变换模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供的一种采用原边正向2FSK调频、副边反向2ASK调幅的ICPT单信道电能和全双工信号混合传输电路和方法。原边根据正向发送的数字基带信号通过交流变频驱动产生2FSK调制信号与副边形成电感能量耦合，副边利用负载功率变换电路为副边元件提供工作所需的电源，并通过电流检测得到2FSK调制信号，再通过锁相环或单频率调谐电路等信号处理手段得到原边正向发送的2FSK数字基带信号。同时，副边采用ICPT功率传输收发前端双谐振网络，增加失谐电容和负载调制晶体管，由数字基带控制的晶体管的开启与关闭对应了原有调谐电容的改变和保持不变，使谐振网络分别处于失谐与谐振状态，起到改变副边等效负载的负载调制作用，由此引起了原边电感线圈电流的变化并形成2ASK调制信号，经信号处理得到副边反向发送的2ASK数字基带信号，从而实现单信道电能和全双工信号混合传输。
如图1所示，本发明提出的用于ICPT***单信道电能和全双工信号混合传输电路，其原边包括：一个交流变频驱动模块101，用于根据原边微处理器得出正向发送数字基带信号产生2FSK调制信号；一个谐振电容102和一个电感线圈103，用于构成原边振荡回路；一个电流检测模块104，用于得到副边反向发送的2ASK调制信号；一个信号处理模块105，用于得到副边反向发送的数字基带信号。其副边包括：一个双谐振点网络106，包含若干电容与电感组成的电路，谐振频率为原边交流变频驱动模块产生的两种频率，用于同时调谐原边2FSK调制信号；一个负载功率变换模块113，用于提供副边元件可用电源；一个电流检测模块109，用于得到原边正向发送的2FSK调制信号；一个信号处理模块110，用于通过锁相环或单频率调谐电路得到原边正向发送的2FSK数字基带信号；一个失谐电容107，用于和一个负载调制晶体管108串联后并联在双谐振点网络106两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；一个负载调制晶体管108，用于和上述失谐电容107串联后并联在双谐振点网络106两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；一个微处理器112和一个数字基带111中的负载调制模块，用于根据协议要求产生2ASK数字基带信号，有选择性的控制上述负载调制晶体管108的开启与关闭。
上述失谐电容107和负载调制晶体管108串联后再并联在双谐振点网络106两端，当负载调制晶体管108关闭时，失谐电容107不起作用，副边谐振网络处于谐振状态.而当负载调制晶体管108开启时，失谐电容107起作用，失谐电容107与双谐振点网络106并联使得副边总谐振网络的谐振频率产生变化，从而使副边谐振网络失谐。
上述负载调制模块为数字基带111中必要的核心模块，根据不同协议的要求和不同的数字基带结构，数字基带111里还可包含其他的核心模块。
上述由一个双谐振点网络106，一个失谐电容107和一个负载调制晶体管108为通过改变调谐电容实现失谐法负载调制的最基本组成部分，其他通过改变调谐电容以使副边谐振网络失谐从而实现负载调制的方法与此方法等价。
本发明的ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***，其工作过程如下：
(1)原边微处理器得出正向发送数字基带信号，通过交流变频驱动模块101产生2FSK调制信号，经过原边谐振电容102和原边电感线圈103组成的谐振网络，与副边形成电感能量耦合。
(2)副边利用负载功率变换模块113为副边元件提供正常工作所需的电源。
(3)副边通过电流检测模块109得到2FSK调制信号，通过锁相环或调谐电路等信号处理模块110得到原边正向发送的2FSK数字基带信号。
(4)副边微处理器112将要反向传输回原边的信号作相关处理并转化为数字量后，数字基带111中的负载调制模块根据协议的要求传输给负载调制晶体管108。
(5)负载调制晶体管108根据数字基带111中的负载调制模块传输过来的数据处于相应的开启与关闭状态。
(6)当负载调制晶体管108处于关闭的时候，失谐电容107与副边双谐振点网络106的两端断开，即未与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的依然是双谐振点网络，因此，副边谐振网络仍处于谐振状态。
(7)当负载调制晶体管108处于开启的时候，失谐电容107与副边谐振网络106的电感线圈两端连接，即与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的是失谐电容与双谐振点网络并联构成的总谐振网络，因此，此时的副边谐振网络处于失谐状态。
(8)副边谐振网络谐振状态和失谐状态的转换产生的副边阻抗变化会映射到原边电流中，原边通过电流检测模块104得到2ASK调制信号，经过信号处理模块105得到副边反向发送的2ASK数字基带信号。
综上所述，原边根据正向发送数字基带信号通过交流变频驱动产生2FSK调制信号与副边形成电感能量耦合，副边通过电流检测得到2FSK调制信号，再通过锁相环或单频率调谐电路等信号处理手段得到原边正向发送的2FSK数字基带信号。副边利用负载功率变换电路为副边元件提供工作所需的电源，同时根据微处理器得出副边反向发送的2ASK数字基带信号，并依此切换负载调制失谐电容开关，形成副边谐振网络谐振状态和失谐状态的转换，由此产生的副边阻抗变化会映射到原边电流中，原边通过电流检测得到2ASK调制信号，经过信号处理得到副边反向发送的2ASK数字基带信号，实现了ICPT***中采用同一电感耦合通道的电能与全双工信号混合传输过程。

Claims (5)

1.一种ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***的原边电路，其特征在于，包括：
一个交流变频驱动模块，用于根据原边微处理器得出正向发送数字基带信号产生2FSK调制信号；
一个谐振电容和一个电感线圈，用于构成原边振荡回路；
一个电流检测模块，用于得到副边电路反向发送的2ASK调制信号；
一个信号处理模块，用于得到副边电路反向发送的数字基带信号。
2.一种ICPT单信道电能和全双工信号混合传输***的副边电路，其特征在于，包括：
一个双谐振点网络，包含若干电容与电感组成的电路，谐振频率为如权利要求1所述的原边电路的所述交流变频驱动模块产生的两种频率，用于同时调谐原边2FSK调制信号；
一个负载功率变换模块，用于提供副边元件可用电源；
一个电流检测模块，用于得到原边电路正向发送的2FSK调制信号；
一个信号处理模块，用于通过锁相环或单频率调谐电路得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；
一个失谐电容，用于和一个负载调制晶体管串联后并联在双谐振点网络两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；
一个负载调制晶体管，用于和上述失谐电容串联后并联在双谐振点网络两端，使副边谐振网络有选择性的失谐；
一个微处理器和一个数字基带中的负载调制模块，用于根据协议要求产生2ASK数字基带信号，有选择性的控制负载调制晶体管的开启与关闭。
3.一种用于ICPT单信道电能和全双工信号混合传输的方法，其特征在于，采用原边正向2FSK调频、副边反向2ASK调幅的全双工信号传输方式；如权利要求1所述的原边电路根据正向发送数字基带信号通过交流变频驱动产生2FSK调制信号与如权利要求2所述的副边电路形成电感能量耦合，副边电路通过电流检测得到2FSK调制信号，再得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；副边电路利用负载功率变换电路为副边元件提供工作所需的电源，通过由数字基带控制的负载调制晶体管的开启和关闭，有选择性的在原有双谐振点网络的基础上改变谐振频率的大小，使副边谐振网络有选择性的处于失谐状态和谐振状态，从而得到不同的谐振网络等效负载来实现负载反向2ASK调制，原边电路通过电流检测得到2ASK调制信号，经过信号处理得到副边电路反向发送的2ASK数字基带信号；副边电路的双谐振点网络必须存在两个谐振点，能使副边电路的反射阻抗变化正确地体现在原边电路的电流信号变化上，而不受原边的调频键控状态0和1的影响。
4.如权利要求3所述的一种用于ICPT单信道电能和全双工信号混合传输的方法，其特征在于，所述副边电路通过锁相环或单频率调谐电路得到所述原边电路正向发送的2FSK数字基带信号。
5.如权利要求3所述的一种用于ICPT单信道电能和全双工信号混合传输的方法，其特征在于，具体包括以下步骤为：
(1)原边电路的原边微处理器得出正向发送数字基带信号，通过交流变频驱动产生2FSK调制信号，经过原边电路的谐振电容和原边电路的电感线圈组成的原边振荡回路，与副边电路形成电感能量耦合；
(2)副边电路利用负载功率变换模块为副边元件提供正常工作所需的电源；
(3)副边电路通过电流检测得到2FSK调制信号，得到原边电路正向发送的2FSK数字基带信号；
(4)副边电路的微处理器将要反向传输回原边电路的信号作相关处理并转化为数字量后，数字基带中的负载调制模块根据协议的要求传输给负载调制晶体管；
(5)负载调制晶体管根据数字基带中的负载调制模块传输过来的数据处于相应的开启与关闭状态；
(6)当负载调制晶体管处于关闭的时候，失谐电容与双谐振点网络的两端断开，即未与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的依然是双谐振点网络，因此，副边谐振网络仍处于谐振状态；
(7)当负载调制晶体管处于开启的时候，失谐电容与双谐振点网络的电感线圈两端连接，即与双谐振点网络并联，此时决定副边谐振频率的是失谐电容与双谐振点网络并联构成的总谐振网络，因此，此时的副边谐振网络处于失谐状态。
(8)副边谐振网络谐振状态和失谐状态的转换产生的副边阻抗变化会映射到原边电路电流中，原边电路通过电流检测得到2ASK调制信号，经过信号处理得到副边电路反向发送的2ASK数字基带信号。
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