基于2fsk的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到無線能量信號(hào)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種基于2FSK的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展與完善，無線能量傳輸技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、人體植入醫(yī)療電子、消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、水下探測(cè)器、智能彈藥等領(lǐng)域；特別是基于磁諧振耦合的無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用前景最為廣泛，其傳輸距離遠(yuǎn)、效率較高、功率適中、可多負(fù)載、位置自由適用性強(qiáng)。
[0003]在無線能量傳輸過程中，很多應(yīng)用場(chǎng)景均需傳輸數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的方式是通過單獨(dú)的無線通信模塊(如藍(lán)牙)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方式成本較高、較復(fù)雜；也存在部分技術(shù)方案是根據(jù)信號(hào)的不同對(duì)能量信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，通過拾取能量幅度的大小解調(diào)出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)傳輸，但這種調(diào)制能量幅度的方式會(huì)影響能量傳輸效率，無線能量傳輸系統(tǒng)不能夠獲得持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于2FSK的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無線能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)信息同步傳輸，并且信息傳輸不影響無線能量傳輸?shù)男屎凸β?，相?duì)于現(xiàn)有的2FSK解調(diào)方式結(jié)構(gòu)更簡單，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種基于2FSK的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，由原邊電路和副邊電路構(gòu)成，所述原邊電路包括電源電路、逆變電路和能量發(fā)射電路，所述副邊電路包括能量接收電路、能量轉(zhuǎn)換電路以及負(fù)載，其關(guān)鍵在于:所述能量發(fā)射電路與所述能量接收電路均為雙諧振電路，在所述原邊電路中還設(shè)置有2FSK調(diào)制電路，在所述副邊電路中還設(shè)置有2FSK解調(diào)電路，所述2FSK調(diào)制電路的輸出端與逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制端連接，該2FSK調(diào)制電路將原邊電路需發(fā)出的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)不同頻率的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所述逆變電路工作，該逆變電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率輸出不同頻率的高頻逆變信號(hào)至所述能量發(fā)射電路中，該能量發(fā)射電路與所述能量接收電路之間利用電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸，所述2FSK解調(diào)電路包括兩個(gè)信號(hào)拾取回路，所述兩個(gè)信號(hào)拾取回路分別與能量發(fā)射電路或能量接收電路感應(yīng)耦合，其中一個(gè)信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的一個(gè)高頻逆變信號(hào)頻率相同，另一信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的另一高頻逆變信號(hào)的頻率相同，在兩個(gè)信號(hào)拾取回路的輸出端連接有電壓比較器，兩個(gè)信號(hào)拾取回路輸出的信號(hào)經(jīng)過電壓比較器直接解調(diào)出原邊電路所發(fā)出的數(shù)字信號(hào)。
[0007]本發(fā)明通過在磁場(chǎng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)2FSK調(diào)制電路與2FSK解調(diào)電路，將數(shù)字控制信號(hào)調(diào)制后對(duì)能量信號(hào)的頻率進(jìn)行控制，然后將拾取的能量信號(hào)解調(diào)成發(fā)出的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了將數(shù)字控制信號(hào)通過無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，在相對(duì)隔離的原邊電路與副邊電路中，不用增設(shè)其他獨(dú)立的無線通信模塊即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的無線傳輸，為磁場(chǎng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)提供了可靠的通信通道，實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了信息同步傳輸。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的采用獨(dú)立的通信模塊如藍(lán)牙，此種方式更為簡單、成本低；相對(duì)于采用調(diào)幅方式的方案會(huì)使用無線能量傳輸系統(tǒng)不能夠獲得持續(xù)、穩(wěn)定的功率輸出，不會(huì)影響無線能量傳輸?shù)男屎凸β?；不需要MCU參與即可直接輸出解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)。
[0008]進(jìn)一步的技術(shù)方案是，所述能量發(fā)射電路包括電感LI與發(fā)射線圈L2，所述電感LI的一端與所述逆變電路的一個(gè)輸出端相連，電感LI的另一端串接電容Cl和發(fā)射線圈L2后接所述逆變電路的另一輸出端，在所述發(fā)射線圈L2上并聯(lián)有電容C2 ;
[0009]所述能量接收電路包括接收線圈L3，該接收線圈L3與所述發(fā)射線圈L2諧振耦合，所述接收線圈L3的一端串接電容C4與電感L4后接入所述能量轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)輸入端，該接收線圈L3的另一端接所述能量轉(zhuǎn)換電路的另一輸入端，在所述接收線圈L3上還并聯(lián)有電容C3。
[0010]作為更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述2FSK解調(diào)電路中的一個(gè)信號(hào)拾取回路包括線圈L5、電容C5、二極管Dl和采樣電阻R1，線圈L5與電容C5組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率與能量發(fā)射電路的一個(gè)諧振點(diǎn)相同，線圈L5通過電磁耦合從能量發(fā)射電路中拾取能量，拾取的能量經(jīng)過二極管Dl和采樣電阻Rl傳輸?shù)诫妷罕容^器Ul的同相輸入端；
[0011]所述2FSK解調(diào)電路中的另一信號(hào)拾取回路包括線圈L6、電容C6、二極管D2和采樣電阻R2，線圈L6與電容C6也組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率與能量發(fā)射電路的另一諧振點(diǎn)相同，線圈L6通過電磁耦合從能量發(fā)射電路中拾取能量，拾取的能量經(jīng)過二極管D2和采樣電阻R2傳輸?shù)诫妷罕容^器Ul的反相輸入端。
[0012]作為另一種實(shí)現(xiàn)方式，所述2FSK解調(diào)電路中的一個(gè)信號(hào)拾取回路包括線圈L5、電容C5、二極管Dl和采樣電阻R1，線圈L5與電容C5組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率與能量接收電路的一個(gè)諧振點(diǎn)相同，線圈L5通過電磁耦合從能量接收電路中拾取能量，拾取的能量經(jīng)過二極管Dl和采樣電阻Rl傳輸?shù)诫妷罕容^器Ul的同相輸入端；
[0013]所述2FSK解調(diào)電路中的另一信號(hào)拾取回路包括線圈L6、電容C6、二極管D2和采樣電阻R2，線圈L6與電容C6也組成并聯(lián)諧振回路，其諧振頻率與能量接收電路的另一諧振點(diǎn)相同，線圈L6通過電磁親合從能量接收電路中拾取能量，拾取的能量經(jīng)過二極管D2和采樣電阻R2傳輸?shù)诫妷罕容^器Ul的反相輸入端。
[0014]采用上述電路進(jìn)行2FSK解調(diào)，方式更簡單、成本更低，不需要MCU參與即可直接輸出解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)；且解調(diào)速度極快，理論上比較器的延遲就是2FSK解調(diào)的延遲。
[0015]為了使得電壓比較器獲得信號(hào)更準(zhǔn)確，因此在兩個(gè)采樣電阻上均并聯(lián)有濾波電容，具體為:在所述采樣電阻Rl上并聯(lián)有電容C7，在所述采樣電阻R2上并聯(lián)有電容C8。
[0016]結(jié)合上述基于2FSK的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種該系統(tǒng)的傳輸方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0017]步驟1:搭建原邊電路和副邊電路，所述原邊電路包括電源電路、逆變電路和能量發(fā)射電路，所述副邊電路包括能量接收電路、能量轉(zhuǎn)換電路以及負(fù)載，能量發(fā)射電路和能量接收電路采用雙諧振電路；
[0018]步驟2:搭建2FSK調(diào)制電路，通過2FSK調(diào)制電路將原邊電路需發(fā)出的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)不同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制逆變電路工作，所選擇的兩個(gè)頻率為能量發(fā)射電路或能量接收電路的兩個(gè)諧振頻率；
[0019]步驟3:所述逆變電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率輸出相應(yīng)頻率的高頻逆變信號(hào)至所述能量發(fā)射電路，利用能量發(fā)射電路和能量接收電路之間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸；
[0020]步驟4:在副邊電路中搭建具有兩個(gè)信號(hào)拾取回路的2FSK解調(diào)電路，所述兩個(gè)信號(hào)拾取回路分別與能量發(fā)射電路或能量接收電路感應(yīng)耦合，其中一個(gè)信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的一個(gè)高頻逆變信號(hào)頻率相同，另一信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的另一高頻逆變信號(hào)的頻率相同，兩個(gè)信號(hào)拾取回路輸出的信號(hào)經(jīng)過電壓比較器解調(diào)出原邊電路所發(fā)出的數(shù)字信號(hào)。
[0021]本發(fā)明的顯著效果是:
[0022]1、實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了信息同步傳輸，相對(duì)于傳統(tǒng)的采用獨(dú)立的通信模塊如藍(lán)牙，此種方式更為簡單、成本低；相對(duì)于采用調(diào)幅方式的方案使用無線能量傳輸系統(tǒng)不能夠獲得持續(xù)、穩(wěn)定的功率輸出，不會(huì)影響無線能量傳輸?shù)男屎凸β剩?br>[0023]2、2FSK解調(diào)方式更簡單、成本更低，不需要MCU參與即可直接輸出解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)；且解調(diào)速度極快，理論上比較器的延遲就是2FSK解調(diào)的延遲。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的電路原理圖；
[0026]圖3是2FSK調(diào)制與解調(diào)各階段波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0028]如圖1所示，一種基于2FSK的無線能量和信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，由原邊電路和副邊電路構(gòu)成，所述原邊電路包括電源電路、逆變電路和能量發(fā)射電路，所述副邊電路包括能量接收電路、能量轉(zhuǎn)換電路以及負(fù)載，所述能量發(fā)射電路與所述能量接收電路均為雙諧振電路，在所述原邊電路中還設(shè)置有2FSK調(diào)制電路，在所述副邊電路中還設(shè)置有2FSK解調(diào)電路，所述2FSK調(diào)制電路的輸出端與逆變電路的驅(qū)動(dòng)控制端連接，該2FSK調(diào)制電路將原邊電路需發(fā)出的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成兩個(gè)不同頻率的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所述逆變電路工作，該逆變電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率輸出不同頻率的高頻逆變信號(hào)至所述能量發(fā)射電路中，該能量發(fā)射電路與所述能量接收電路之間利用電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量無線傳輸，所述2FSK解調(diào)電路包括兩個(gè)信號(hào)拾取回路，所述兩個(gè)信號(hào)拾取回路分別與能量發(fā)射電路感應(yīng)耦合，其中一個(gè)信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的一個(gè)高頻逆變信號(hào)頻率相同，另一信號(hào)拾取回路的諧振頻率與逆變電路輸出的另一高頻逆變信號(hào)的頻率相同，在兩個(gè)信號(hào)拾取回路的輸出端連接有電壓比較器，兩個(gè)信號(hào)拾取回路輸出的信號(hào)經(jīng)過電壓比較器直接解調(diào)出原邊電路所發(fā)出的數(shù)字信號(hào)。
[0029]作為一種實(shí)施方式，本發(fā)明的等效電路圖如圖2所示，其中信號(hào)源SI代表所述逆變電路輸出的能量信號(hào)，&代表能量轉(zhuǎn)換電路的等效電阻。
[0030]從圖2可以看出，所述能量發(fā)射電路包括電感LI與發(fā)射線圈L2，所述電感LI的一端與所述逆變電路的一個(gè)輸出端相連，電感LI的另一端串接電容Cl和發(fā)射線圈L2后接所述逆變電路的另一輸出端，在所述發(fā)射線圈L2上并聯(lián)有電容C2 ;
[0031]所述能量接收電路包括接收線圈L3，該接收線圈L3與所述發(fā)射線圈L2諧振耦合，所述接收線圈L3的一端串接電容C4與電感L4后接入所述能量轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)輸入端，該接收線圈L3的另