CN116505977A - 通过无线装置中的电容性耦合进行双向通信 - Google Patents

通过无线装置中的电容性耦合进行双向通信 Download PDF

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Abstract

本公开涉及通过无线装置中的电容性耦合进行双向通信。通过电容性耦合进行双向通信的***和方法是在无线电力传送***的环境内利用电容板实现的。使用电容在与无线电力传送***中的电力传送分开的路径上传送数据。

Description

通过无线装置中的电容性耦合进行双向通信
对相关申请的交叉引用
无。
背景技术
无线电力传送(WPT)***由两个主要部分形成：发送器(TX)和接收器(RX)。TX部分(例如，支架)执行从电力源到具有严格电气特性(诸如振幅、频率等)的交流(AC)电力信号的电力转换。RX部分(例如，条形码读取器)执行从来自TX的AC电力信号到直流(DC)电力信号的电力转换以提供给负载。但是，为了执行全部接触替换，TX侧与RX侧之间不需要物理链路。需要在条形码读取器与保持条形码读取器的支架之间建立双向通信链路以将两者配对，以便为条形码读取器提供软件更新，并在异物检测(FOD)的情况下发送信息。
此外，需要提供电感性耦合的替代方案以传送电力或独立于电力传送来传送数据(例如，芯片间或芯片内)。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作帮助确定要求保护的主题的范围。
本公开的实施例在WPT***中的短程双向通信信道中实现电容性耦合的使用。
本公开的实施例通过绕过诸如等的常规短程通信协议并且通过具有可以经由电容性耦合的板建立的辅助双向通信信道来解决问题。这些板分别放置在充电装置(例如，支架、充电垫等)和条形码读取器(例如，手持式条形码读取器、具有条形码读取能力的移动计算机、演示扫描仪等)中，不必对准，并形成板电容器的电极。用电信号驱动这些板中的一个可以引起由另一个板检测到的电场变化。连接到板的调节级可以解码所发送的信号。
本公开源于使用具有与有线连接相同性能的用于双向通信的解决方案在WPT***中执行物理接触替换的需要。本公开的实施例可以实现以下中的一项或多项：
·保护用于无线充电装置的替代短程双向通信解决方案；
·具有非常低成本的解决方案(即，每个板两个运算放大器的成本)；
·具有完全独立于无线电力信道的短程通信信道，即使在没有电力传送的情况下，诸如在软件更新或配对期间，也允许建立通信；
·具有完全不受金属物体影响的稳健通信(即，金属物体具有由电场变化激发的偶极子形成的晶格)；
·在速度和输入/输出电平和连接方面，替换当前通信协议(诸如IrDA)的物理层；
·具有良好的错位性能；
·将板用作存在传感器以激活手持扫描仪中的演示模式或激活充电装置与条形码读取器之间的配对；以及
·执行全双工通信。
在第一方面，一种在无线充电装置中通过电容性耦合进行双向通信的***和方法包括无线电力传送(WPT)***。WPT***包括具有发送能力的第一收发器和具有接收能力的第二收发器。WPT***包括定位在第一收发器与第二收发器之间的一对电容板。该对电容板的第一电容板与第二电容板之间存在距离。第一收发器向第一电容板发送电信号。第一电容板和第二电容板产生电容，该电容将来自第一电容板的电信号链接到第二电容板。在第二收发器处从第二电容板接收电信号。电信号从第一收发器通过第一电容板和从第二电容板到第二收发器的传送发生在与电力从第一收发器到第二收发器的传送分开的路径上。
在第二方面，条形码读取器兼具无线充电能力和短程数据通信能力。条形码读取器包括无线电力充电接收器线圈，该无线电力充电接收器线圈被配置为与充电装置中的对应无线电力充电发送器线圈电感性耦合以在其间执行无线电力传送。电容板被配置为与充电装置中对应的电容板电容性耦合以在它们之间执行短程数据通信，并且这种短程数据通信独立于无线电力传送。
附图说明
本公开通过示例而非限制的方式在附图中进行了图示，在附图中相同的附图标记指示类似的元件并且其中：
图1是根据本公开的实施例实现的电容性半双工通信的示意图；
图2是根据本公开的实施例实现的电容性全双工通信的示意图；
图3是根据本公开的实施例实现的板双极通信的视图；
图4是根据本公开的实施例实现的具有双极配置的电容性通信的示意图；
图5是根据本公开的实施例实现的电力和数据***体系架构的示意图；以及
图6是根据本公开的实施例实现的在无线充电装置中通过电容性耦合进行双向通信的过程。
具体实施方式
本公开的各方面的主题在本文中被具体描述以满足法定要求。但是，描述本身并不旨在限制本专利的范围。
在WPT***中，需要在TX与RX部分之间建立双向通信。这些WPT***可以在单独、独立的信道上包括电力(WPT)和通信(数据)两者。但是，通信信道可以经由调制技术在相同的电力信道上实现。
本公开的实施例包括独立于WPT信道的通信信道，可以包括电容性耦合的板并且在WPT***中设置为短程双向通信。因为本公开基于电容性耦合物理现象，所以未指定板的形状(例如，矩形、圆形等)和电介质的性质(例如，空气、塑料等)，电容性耦合物理现象可以在不同形状和不同电介质材料的板之间形成。
虽然可以使用各种形状，但是为了简单起见，在本公开的实施例中，使用具有气隙电介质的平行板电容器来描述电容性耦合。金属板具有小表面积(例如，mm2)，彼此分开大约10-20mm。当向电容器的一个板供应电能时，在两个板之间建立电场。电场在两个板之间建立位移电流，从而传送能量。通常，只需要少量的能量来仅传送信息。这种信息传送可以通过板上能量的存在(例如，逻辑电平1)或不存在(例如，逻辑电平0)来识别。这种能量可以由微控制器的输入端/输出直接供应，或由专用驱动级提供以便具有更强的电场，这产生更好的电容性耦合。
在图1中，本公开的实施例示出了WPT***100。电容性链路102由至少两个电极形成。为了执行双向通信，用于电容板110的收发器105和用于电容板120的收发器115被配置为在发送阶段激励电容板110，并且在接收阶段收集和转换电容板120上存在的电荷。通信流(例如，数据发送)由箭头125和130指示。
通常，只有半双工通信可以是可能的，因为两个收发器不能同时发送。但是，在图2中，在WPT***200中，两个电容性结构(202A和202B)被配置为执行全双工通信。电容板210A和220A以及电容板210B和220B可以在一个方向上执行通信。例如，电容板210A和220A可以执行通信225，而电容板210B和220B可以执行通信230。
为了在具有电容性链路的WPT***中构建全双工通信，可以提供如图3中所示的双极配置。板双极配置300具有带有两个板侧310A和310B的电容板。例如，图3的左侧的电容板示出板侧310A，而右侧所示的电容板示出板侧310B。板侧310A和310B形成单个电容板。换句话说，图3中所示的板侧310A、310B可以被理解为同一电容板的相对侧。在实施例中，板侧310A是有源板侧，而板侧310B是接地(GND)板侧。因此，板侧310A在本文中可以被称为“有源板侧”并且板侧310B可以被称为“接地板侧”。电容板110、120(图1)、电容板210A、220A、210B和220B(图2)、电容板410、420(图4)和电容板510、520(图5)可以如图3中所示形成。
利用一对电容板，每个电容板的有源板侧310A可以面对彼此放置，以形成差分电容性耦合结构。这种结构具有抗噪声能力，因为接地板侧310B引入了用于电场的边界条件。
在本公开的示例性实施例中，电容板可以由维度为6mm×2.3mm的金属板(例如，铜)形成并且设置在由诸如FR4之类的复合材料制成的支撑件上。FR4是一种阻燃复合材料并且由玻璃纤维和环氧树脂制成。铜板可以与用作电介质的塑料材料间隔开约15mm。铜板的电容可以是大约25飞法(femto-Farad)。但是，有源板侧与接地板侧之间的电容可以是约1-2皮法(pico-Farad)。结果，驱动有源板的最优方式是采用差分模式，该模式为每对面对的板创建交变电场。
在图4中，WPT***400被示为具有电容板410和420。电容板410和420中的每一个实现图3中的板侧。电容板410和420具有有源板侧(310A)和接地(GND)板侧(310B)。如图所示，双向通信可以发生在电容板410与420之间。电容板410和420均在一侧具有至少两个有源板侧，如有源板侧310A所示。在实施例中，上部有源板侧示出了在一个方向上的通信流，而底部有源板侧示出了在相反方向上的通信流。如所理解的，在板410中只有有源板侧310A是完全可见的。但是，电容板420也具有有源板侧310A，但在图4中不可见。同样，GND板侧310B在电容板420中是完全可见的。但是，电容板410也具有GND板侧310B，但在图4中不可见。
因为体系架构是对称的，所以可以简化体系架构以考虑图5中从第一收发器505到第二收发器515的通信流。与图4相比，图5中的体系架构仅示出了一个发送器(TX)和一个接收器(RX)。使用图5中的体系架构，可以执行仿真，其中收发器505具有100kHz源处的3.3伏AC，该源激励电容板510。这个步骤被称为调制级。源可以是专用驱动器或微控制器。利用收发器515，可以在电容板510与520之间收集电荷变化。这种电荷变化被转换成等效电压变化。此时，解调级出现在收发器515中。为了在仿真中设计解调级，可以使用电模型的电容，该电容包括电容板510与520之间约为25飞法的板到板电容以及每个板中约为1皮法的板到地电容。作为电容板510与520之间的板到板交叉电容以及同一侧的板到板电容的耦合二阶效应可能不需要被考虑。
使用这种仿真设置，电荷源模型可以产生约80mV的电压变化。为了适当地转换电荷，可以使用工作在100kHz的电荷放大器转换器。当被执行时，仿真结果在形状和峰到峰振幅方面是良好的。作为解调级的最后一步，可以将AC信号施加在具有迟滞的比较器中，以将模拟信号转换成数字信号。在仿真的执行中，使用铝箔作为电容板510与520之间的电介质可以产生相同的结果。WPT***可以不受金属物体的影响。
回到图5，WPT***500包括电力540和数据信道530。数据信道530被图示为通过如电容板510和520所证明的电容性耦合发生的短程双向通信信道。数据信道530可以被用于将两个部分配对，以便为条形码读取器提供软件更新，和/或在异物检测(FOD)情况下发送信息。
在本公开的另一个实施例中，WPT***500可以配置有电容板510和520，这些电容板510和520放置在无线充电线圈550A和550B附近，无线充电线圈550A和550B被配置为通过电感性耦合执行无线电力传送。这个实施方式说明虽然电容板510和520放置在线圈550A和550B附近，但在电力传送与数据通信之间不会发生干扰。不会发生干扰的原因是因为有两种不同的物理原理在起作用，磁场中的电力传送和电场中的电容性耦合。因此，可以实施实现空间节省而不损失性能的实施例。
现在转向图6，在方法600中提供了在无线充电装置中通过电容性耦合进行双向通信的过程。在步骤605中，无线电力传送(WPT)***500包括具有发送能力的第一收发器505和具有接收能力的第二收发器515。在步骤610中，电容板510和520定位在第一收发器505与第二收发器515之间。在步骤615中，设置该对电容板的第一电容板510与第二电容板520之间的距离。在步骤620中，电信号从第一收发器505发送到第一电容板510。在步骤625中，在第一电容板510与第二电容板520之间产生电容。在步骤630中，在第二收发器515处从第二电容板520接收电信号，其中发送到第一电容板510的电信号根据第一电容板510与第二电容板520之间的电容从第一电容板510传送到第二电容板520。在步骤635中，电信号从第一收发器505通过第一电容板510和从第二电容板520到第二收发器515的传送发生在与电力540从第一收发器505到第二收发器515的传送分开的路径上。
总之，在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下，可以进行所描绘的各种组件以及未示出的组件的许多不同布置。本公开的实施例是出于说明性而非限制性的目的而描述的。某些特征和子组合是有用的并且可以在不参考其它特征和子组合的情况下使用，并且被认为在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种在电感性无线充电装置中通过电容性耦合进行双向通信的***，包括：
用于电力和数据通信的无线电力传送WPT***，包括具有发送能力的第一收发器和具有接收能力的第二收发器；
该WPT***包括定位在所述第一收发器与所述第二收发器之间的第一电容板和第二电容板，其中在该对电容板的第一电容板与第二电容板之间存在距离；以及
所述第一收发器被配置为向所述第一电容板发送电信号，使所述第一电容板和所述第二电容板具有电容性耦合，并且其中在所述第二收发器处从所述第二电容板接收电信号，
其中，从所述第一收发器通过所述第一电容板和从所述第二电容板到所述第二收发器的数据传送发生在与电力从所述第一收发器到所述第二收发器的传送分开的路径上。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一收发器和所述第一电容板位于保持条形码读取器的所述电感性无线充电装置中，并且所述第二收发器和所述第二电容板位于所述条形码读取器中。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述电感性无线充电装置是支架。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一电容板和所述第二电容板中的每一个都具有有源板侧和接地板侧，并且其中所述第一电容板的有源板侧和所述第二电容板的有源板侧面向彼此以形成差分电容性耦合。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述第一电容板和所述第二电容板中的每一个都包括部署在由复合材料形成的支撑件上的一个或多个金属板。
6.根据权利要求4所述的***，其中，对于所述第一电容板和所述第二电容板中的每一个，金属板包括在有源板侧的两个有源板和在接地板侧的单个接地板。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述两个有源板以差分模式被驱动以便为每对面对的板产生交变电场。
8.根据权利要求4所述的***，其中，所述第一收发器包括通过所述第一电容板和第二电容板进行数据通信的发送能力和接收能力两者，并且所述第二收发器包括通过所述第一电容板和第二电容板进行数据通信的接收能力和发送能力两者。
9.根据权利要求8所述的***，其中，发生双向通信，其中数据在一个方向上从所述第一收发器通过所述第一电容板到所述第二电容板并从所述第二电容板到所述第二收发器传送，以及数据在另一个方向上从所述第二收发器通过所述第二电容板到所述第一电容板并从所述第一电容板到所述第一收发器传送。
10.一种兼具无线充电能力和短程数据通信能力的条形码读取器，所述条形码读取器包括：
无线电力充电接收器线圈，被配置为与充电装置中对应的无线电力充电发送器线圈电感性耦合以在它们之间执行无线电力传送；以及
电容板，被配置为与所述充电装置中的对应电容板电容性耦合以在其间执行独立于所述无线电力传送的短程数据通信。
11.根据权利要求10所述的条形码读取器，其中，所述条形码读取器的电容板和所述充电装置的对应电容板被配置用于电容性半双工通信。
12.根据权利要求10所述的条形码读取器，还包括第二电容板，所述第二电容板被配置为与所述充电装置中对应的第二电容板电容性耦合，以在其间执行短程数据通信，以实现全双工通信。
13.根据权利要求10所述的条形码读取器，其中，所述条形码读取器的电容板和所述充电装置的对应电容板各自具有双极配置。
14.一种用于在无线充电装置中通过电容性耦合进行双向通信的方法，包括：
操作用于电力和数据通信的无线电力传送WPT***，该***包括具有发送能力的第一收发器和具有接收能力的第二收发器；
将一对电容板定位在所述第一收发器与所述第二收发器之间，其中该对电容板的第一电容板与第二电容板之间存在距离；
将电信号从所述第一收发器发送到所述第一电容板，其中发送电信号包括在所述第一电容板与所述第二电容板之间产生电容；以及
在所述第二收发器处从所述第二电容板接收电信号，其中发送到所述第一电容板的电信号根据所述第一电容板与所述第二电容板之间的电容从所述第一电容板传送到所述第二电容板，
其中，将电信号从所述第一收发器通过所述第一电容板传送并从所述第二电容板传送到所述第二收发器发生在与将电力从所述第一收发器传送到所述第二收发器分开的路径上。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述第一收发器和所述第一电容板定位在保持条形码读取器的所述无线充电装置中，以及将所述第二收发器和所述第二电容板定位在所述条形码读取器中。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括通过从所述第一收发器通过所述第一电容板和所述第二电容板传递到所述第二收发器的电信号将数据从所述第一收发器传送到所述第二收发器。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电容板和所述第二电容板中的每一个具有有源板侧和接地板侧，并且朝着彼此面向所述第一电容板的有源板侧和所述第二电容板的有源板侧以形成差分电容性耦合。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过将一个或多个金属板耦合在由复合材料形成的支撑件上来形成所述第一电容板和所述第二电容板。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一收发器兼具通过所述第一电容板和第二电容板进行数据通信的发送能力和接收能力，并且所述第二收发器兼具通过所述第一电容板和所述第二电容板进行数据通信的接收能力和发送能力。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括实现双向通信，其中数据在一个方向上从所述第一收发器通过所述第一电容板到所述第二电容板并从所述第二电容板到所述第二收发器传送，以及数据在另一个方向上从所述第二收发器通过所述第二电容板到所述第一电容板并从所述第一电容板到所述第一收发器传送。
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