一種基于fsk和磁耦合諧振的無線攜能通信系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于頻移鍵控和磁耦合諧振的能夠準(zhǔn)確進(jìn)行文字、圖像傳輸?shù)臒o線攜能通信系統(tǒng)，其特征在于實現(xiàn)了將信息與能量通過同一信道同時進(jìn)行傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線技術(shù)應(yīng)用的興起，無線信息傳輸和無線能量傳輸技術(shù)不斷發(fā)展壯大，尤其是無線信息傳輸，以WiF1、3G/4G網(wǎng)絡(luò)，微波等不同技術(shù)形式廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，無線能量傳輸方面的研究也取得了實驗室階段的收獲。
[0003]然而，如同其他資源一樣，目前為人類所認(rèn)識、利用的頻率資源日益稀缺，作為重要的國家戰(zhàn)略資源，無線電頻譜資源需要更加高效、充分的利用。于是，無線攜能通信的概念被提出，旨在利用無線電磁波將能量和信息并行傳輸，同時擺脫傳統(tǒng)能量和信息傳輸?shù)碾娎|限制，實現(xiàn)電子設(shè)備間的真正無線化。
[0004]無線攜能通信技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于高速射頻標(biāo)簽、物聯(lián)網(wǎng)以及各類移動終端之間的信息交換與能量傳輸，有望在實現(xiàn)高速信息交換的同時，通過提取接收信號中的能量有效地向各種終端設(shè)備饋電，從而取代傳統(tǒng)有線或電池供電所帶來的不便，特別適合于需要大規(guī)模布撒的終端節(jié)點的應(yīng)用。另一方面，該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景，對于人造器官和醫(yī)療輔助電子設(shè)備如心臟起搏器、人造耳蝸等植入式設(shè)備來說，可以通過該技術(shù)進(jìn)行非接觸式供電。
[0005]目前國際上通用的無線能量傳輸技術(shù)包括電磁感應(yīng)、微波遠(yuǎn)場輻射和磁耦合諧振。電磁感應(yīng)技術(shù)傳輸功率大，但是傳輸過程線圈發(fā)熱嚴(yán)重，傳輸距離短且傳輸效率隨距離增大迅速變小，容易受到位移和頻率變化的影響;微波遠(yuǎn)場輻射傳輸距離遠(yuǎn)，但對于發(fā)射天線設(shè)計要求高，傳輸效率低，容易受到氣候、環(huán)境因素的干擾，穿透障礙的能力較弱。磁耦合諧振傳輸效率和傳輸距離介于前兩種技術(shù)之間，但技術(shù)起步較晚，功率和傳輸距離還有待提尚O
[0006]無線攜能通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和移動終端領(lǐng)域的作用將會越來越重要。
[0007]對于無線攜能通信技術(shù)，主要需要解決的難題在于:
(I)如何通過低成本的系統(tǒng)裝置實現(xiàn)一定距離內(nèi)高效率的傳輸。
[0008](2)如何在接收端實現(xiàn)能量與信息的自適應(yīng)分離。
[0009](3)如何降低大功率能量信號對于信息信號的干擾。
[0010]本裝置重點對于以上三個問題進(jìn)行解決，實現(xiàn)一套適用于移動通信和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控傳感器的無線攜能通信系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]該發(fā)明是采用開關(guān)電源逆變、磁耦合諧振傳輸、嵌入式系統(tǒng)、頻移鍵控調(diào)制解調(diào)等技術(shù)而開發(fā)的先進(jìn)適用裝置，通過FPGA編程實現(xiàn)FSK調(diào)制功率信號，實現(xiàn)能量與信號的共同傳輸； 該發(fā)明旨在實現(xiàn)如下目標(biāo):
(I)資源復(fù)合利用。通過本裝置實現(xiàn)同一無線電波既是能量的載體，又是信息載體，將元器件、頻譜、能量等資源復(fù)合利用，“一頻兩用”，“一設(shè)備多用”，對于資源整合、充分開發(fā)具有深遠(yuǎn)意義。
[0012](2)通用。介于系統(tǒng)采用無線攜能通信技術(shù)實現(xiàn)無線能量傳輸和無線信息傳輸?shù)挠行ЫY(jié)合，開發(fā)時間較長、系統(tǒng)組成復(fù)雜、不便于非相關(guān)專業(yè)者全面學(xué)習(xí)和掌握，系統(tǒng)對外留出能實現(xiàn)透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)輸入與輸出接口，使用者無需掌握復(fù)雜的內(nèi)部電路和設(shè)計細(xì)節(jié)，便可利用該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)工程的開發(fā)，降低對使用者相關(guān)知識的要求，使平臺的大規(guī)模推廣成為可能。
[0013](3)信息安全。對于本發(fā)明，系統(tǒng)原理決定了它在安全性方面有著明顯的優(yōu)勢:接收端只能在有限范圍內(nèi)接收發(fā)射端特定頻率的電磁波。開發(fā)者可以為發(fā)送端和接收端設(shè)計唯一的機(jī)器碼，在傳輸消息時通過該碼進(jìn)行驗證，同時由于傳輸距離有限，也能有效防止遠(yuǎn)程攻擊，保障系統(tǒng)的安全性。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，該發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:該無線攜能通信系統(tǒng)由亞克力外殼和系統(tǒng)裝置組成。系統(tǒng)裝置包括發(fā)射裝置、信道傳輸裝置和接收裝置。發(fā)射裝置包括信息調(diào)制電路，能量逆變電路;信道傳輸裝置包括亞克力骨架、發(fā)射接收線圈；接收裝置包括能量接收電路，信息接收電路，文字圖像顯示模塊。
[0015]所述的信息調(diào)制電路由用戶接口、可編程邏輯門陣列，M⑶控制器組成；用戶接口提供編碼鍵盤接入、藍(lán)牙接入標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)矩陣鍵盤以及手機(jī)、電腦的藍(lán)牙接入并配套有手機(jī)端和電腦端的用戶操作界面。
[0016]所述的能量逆變電路由MOS管驅(qū)動芯片，數(shù)字芯片，H橋組成，實現(xiàn)將低頻市電轉(zhuǎn)換為高頻交流電發(fā)射到信道中。
[0017]所述的發(fā)射線圈采用圓柱螺旋形結(jié)構(gòu)，選用聚酯漆包線繞制電感并聯(lián)CBB電容，30cm線圈直徑，中心振蕩頻率354.5kHz。
[0018]所述的能量接收電路由整流濾波器、穩(wěn)壓器組成，實現(xiàn)對于后級顯示電路的供電需求。
[0019]所述的信息接收電路由光耦隔離電路、波形整形電路以及解調(diào)MCU電路組成，實現(xiàn)將文字、圖像準(zhǔn)確的顯示在后級顯示器上。
[0020]保證了無線攜能通信中能量和信息高效率、無誤碼的連續(xù)傳輸，通過多種接口接入，提供給用戶方便靈活的輸入選擇。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的主要技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的發(fā)射裝置電路組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明的接收裝置電路的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]該無線攜能通信裝置包括發(fā)射裝置、發(fā)射接收線圈、接收裝置構(gòu)成。
[0027]如圖2和圖3所示，發(fā)射裝置由輸入接口接收用戶輸入的信息，接收到的信息經(jīng)過M⑶處理后將加載信息的控制信號發(fā)送到FPGA中，F(xiàn)PGA識別控制信號后，發(fā)送調(diào)制信號，經(jīng)過整形電路來降低調(diào)制信號的噪聲，降噪后的調(diào)制信號進(jìn)入全橋驅(qū)動電路，驅(qū)動圖5中(2)的發(fā)射初級線圈；接收裝置通過圖5中(6)的接收初級線圈接收到能量信息信號后，通過能量信號分離電路分理出能量和信息，分別供給后級顯示模塊。
[0028]圖4所示為線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，(I)為發(fā)射初級線圈，采用電感電容串聯(lián)諧振，對發(fā)射信號進(jìn)行耦合匹配；(2)為發(fā)射次級線圈，采用電感電容并聯(lián)諧振，負(fù)責(zé)發(fā)射信號到空間信道中；(3)為聚能線圈，提高對能量的收集能力；(4)為接收次級線圈，負(fù)責(zé)接收空間中的信號；
(5)為接收初級線圈，負(fù)責(zé)耦合匹配接收次級線圈中的信號，并將信號接入接收裝置。
[0029]所述輸入接口包括計算機(jī)串口與手機(jī)端藍(lán)牙接口、系統(tǒng)自帶鍵盤接口。用戶可以利用計算機(jī)、手機(jī)遠(yuǎn)程或非遠(yuǎn)程實現(xiàn)系統(tǒng)操控，通過操作計算機(jī)、手機(jī)中的軟件編輯信息內(nèi)容、選擇指令，然后利用藍(lán)牙發(fā)送或數(shù)據(jù)線直接下載的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)操控。還可以使用自帶鍵盤接口來實現(xiàn)安全隔離環(huán)境下的系統(tǒng)輸入。
[0030]所述的FSK調(diào)制電路，由STM32作為MCU控制Altera cyclone系列FPGA實現(xiàn)精確的信號調(diào)制。
[0031]所述的全橋驅(qū)動電路，通過高效MOS管驅(qū)動器驅(qū)動由4個MOS管組成的H橋驅(qū)動電路，搭配外圍元件實現(xiàn)攜能通信傳輸。
[0032]所述能量信號分離電路，負(fù)責(zé)分理出能量和信息信號。通過整流電路將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，通過濾波電路降低紋波噪聲，再通過穩(wěn)壓電路將收集到的能量電壓穩(wěn)定在要求的范圍內(nèi)。通過光耦隔離電路進(jìn)行限幅，保證大功率信號不會對信息識別電路造成損害。限幅后的信息信號經(jīng)過整形后送入MCU進(jìn)行解調(diào)，識別出所發(fā)送的信息。
[0033]如圖5所示，(I)為發(fā)射裝置，由亞