一種基於pwm碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法

2023-05-28 14:59:01

一種基於pwm碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，它包括改進的測量PWM信號頻率和佔空比的方法和自適應調整載波頻率的算法。通過發送掃頻信號，然後再對信號進行採樣分析，得到電路的諧振點，從而確定最佳的發射頻率。本發明的優點是可以自適應調整磁耦合無線信能同傳系統的頻率，從而使得系統在運動的情況下確保較高的效率。適用於各種需要動態調整傳輸距離的無線攜能通信系統。
【專利說明】-種基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線攜能通信、通信電子線路、自動控制檢測及數字頻率合成等交叉 領域，具體涉及一種在進行無線攜能通信過程中需要自適應改變發射信號載頻頻率時需要 實時獲得系統諧振點的方法。

【背景技術】
[0002] 本方法主要用於測量磁耦合線圈諧振點頻率，在利用磁耦合進行無線攜能通信中 獲取線圈諧振點以達到傳輸效率最佳中起到關鍵性的作用。無線攜能通信是將能量無線傳 輸技術與信息無線傳輸技術相集合的產物，在實現信息的高速通信的同時，通過提取接收 信號能量來有效地向終端進行饋電，從而無需使用傳統的有線連接，適合於需要大規模進 行布撒終端節點的應用。
[0003] 在一般的磁耦合信能傳輸系統中，發送線圈和接收線圈的距離是固定不變的，此 時整個系統的諧振曲線也是固定不變的，利用峰值點頻率作為發射信號的載頻頻率進行信 息傳輸，在確保一定的信息傳輸速率的同時，可以從信號提取足夠的能量進行對負載饋電， 由於在諧振點的傳輸效率最優，因此系統可以確保有較高的效率。
[0004] 然而，這種發送端和接收端均固定的系統具有很大的局限性，在許多實際應用中 更多的需要的是能夠適應發送和接收距離動態改變的系統，例如：1)無線電能傳輸可以解 決植入式醫療設備的供電問題，並增加其安全性，但植入設備在生物體是動態變化的，引起 收發系統的諧振頻率的變化，為了保證效率最優，需要動態調整信號的載頻頻率；2)在列 車的鋼軌探傷系統中，裝在車輪上的探頭（電能接收端）和能量發射端的距離一定是周期性 改變的，此時將載頻固定必然會因系統的諧振特性的改變降低能量傳輸效率。因此利用該 方法可以很好地實現頻率的動態匹配，從而得到較高的能量傳輸效率，達到頻率自適應匹 配的目的。


【發明內容】

[0005] 為了克服上述所提到的由於發射頻率無法隨距離自適應改變而導致整個系統效 率低下的問題，本發明提出一種基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，該方法 基於數字頻率合成技術（DDS)動態實時測量磁耦合無線攜能通信系統中諧振曲線的諧振 點頻率，從而達到動態調整載波頻率的目的，使得在移動環境下，該系統仍具有較高的能量 傳輸效率，進而可以廣泛應用於複雜環境中的移動探測設備中。
[0006] 本發明的目的通過如下技術方案實現。
[0007] -種基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，其採用改進的測量PWM信 號頻率和佔空比的方法精確得到正弦波信號的頻率和幅度參數；採用自適應調整載波頻率 的方法實時調整DDS模塊發射頻率。
[0008] 進一步的，所述改進的測量PWM信號頻率和佔空比的方法包括：PWM信號頻率的測 量時間包含多個PWM周期；對於PWM周期的佔空比的測量，在PWM波的上升沿到來時，計數 器延時一個時間T1後才開始計數，T1的大小是隨機的，範圍在0到1個時鐘周期之間服從 均勻分布。
[0009] 進一步的，所述自適應調整載波頻率的步驟如下：發送端MCU1控制DDS模塊進行 掃頻；電壓比較電路實時對DDS模塊的發射信號進行採樣，並將其轉化為PWM波送入MCU1 進行處理；MCU1測量PWM波的頻率和佔空比，得到正弦波的頻率和佔空比；根據正弦波的 頻率和佔空比獲得傳輸系統幅頻特性曲線；對所得的傳輸系統幅頻特性曲線進行抽樣式檢 測，即在每兩個抽樣點之間留有頻率間隔進行抽樣，排除毛刺的幹擾，獲得正確的諧振點； 根據諧振點實時調整DDS模塊發射頻率。
[0010] 進一步的，所述PWM信號頻率的測量時間內包含η個PWM周期，存在1個時鐘周期 的誤差，每個PWM周期有1/η個時鐘周期的誤差，即每個PWM周期的測量誤差降低為原來的 1/η，其中η的大小根據需求自由調整。
[0011] 進一步的，所述計數器延時測量佔空比的過程如下：在PWM波的上升沿到來時，計 數器並不立即開始計數，而是延時一個服從均勻分布的隨機時間，使得對於同一個PWM波， 計數器捕獲的值不確定，但其數學期望等於實際持續時間的值；多次測量取平均，使所得值 接近實際值。
[0012] 與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：由於採用頻率自適應的方法， 可以使得發射頻率隨著系統的諧振點做實時的調整，從而在移動情況下，系統能夠保持較 高的能量傳輸效率。其次，改進的PWM碼測量信號的頻率幅度的方法，能夠突破硬體主頻的 限制，得到更加精確的測量結果，從而間接提高系統的傳輸效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為頻率自適應電磁耦合無線能量傳輸系統示框圖。
[0014] 圖2為普通PWM測量頻率和佔空比的原理圖。
[0015] 圖3為改進PWM測量頻率原理圖。
[0016] 圖4為改進PWM測量佔空比原理圖。
[0017] 圖5為發送端算法流程圖。
[0018] 圖6為接收端算法流程圖。
[0019] 圖7為磁耦合無線能量傳輸系統幅頻特性曲線。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步說明，需指出的是，以下若有未特別 說明的過程，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。
[0021] 首先，對測量磁耦合線圈諧振點的裝置的整體結構進行說明。
[0022] 加入了頻率自適應匹配系統的磁耦合線圈能量信號同傳系統如圖1所示，其中功 率放大電路、阻抗匹配電路及充電電路均不屬於本發明範疇，在此不做分析。頻率自適應電 路主要包括的模塊有：（1)高速電壓比較電路（2) DDS模塊(直接數字式頻率合成器）以及 (3)MCU控制模塊。由於發射頻率和幅度較高，因此電壓比較器需要採用高速及高壓擺率的 運放進行搭建。發送端MCU1主要測量電壓比較器輸出的PWM波的頻率和佔空比以及控制 DDS模塊輸出相應信號，由於所測頻率和佔空比的精準度會直接影響到傳輸系統的效率，所 以需要對普通的PWM測頻率和佔空比的方法進行改進（以下再作詳述)。接收端MCU2僅對 調製信號進行解調。
[0023] 接下來，結合前述理論詳細說明本發明的具體技術方案。
[0024] 柃準工作樽式: 1. MCU1控制DDS模塊進行掃頻，其中掃頻頻寬可以根據具體線圈的參數來定，例如在 諧振頻率在1MHz以內的線圈可以設置掃頻寬度為0-ΙΜΗζ。
[0025] 2.電壓比較電路實時對發射信號進行採樣，將其轉化為不同頻率及佔空比的PWM 波，送入MCU 1進行處理。
[0026] 3. MCU1採用輸入捕獲的功能測量PWM波的頻率和佔空比，由此可以得到正弦波的 頻率和佔空比，將這些數值記入MCU的RAM中，並根據這些數值獲得傳輸系統幅頻特性曲 線。
[0027] 4. MCU1使用抽樣式的檢測方法對所得的傳輸系統幅頻特性曲線的不光滑處進行 處理，排除毛刺的幹擾，從而找出若干個正確的諧振峰值點，進而轉入正常工作模式。
[0028] if常工作樽式: 1. MCU1根據RAM中寄存的若干諧振點頻率值，進行相應的編碼來控制DDS產生相應的 頻率進行發送數據。
[0029] 2. RAM中的諧振點頻率值進行定時校準，校準時間可以根據實際情況任意改變，通 常在移動速度不高的情況下可以設定為1秒。
[0030] 3.接收端根據發來的調製信號進行相應解調，並使用整流濾波電路進行MCU2的 供電。
[0031] 以下再結合附圖對校準工作模式進行舉例說明： 參照圖5的發送端算法流程圖所示，首先需要對發射信號進行採樣，即將發射線圈接 入快速電壓比較器的" + "端，在端接入一個適當的基準電壓，則電壓比較器的輸出為頻 率與正弦波相等的PWM波，而且其佔空比與正弦波的幅度正相關，PWM波送入單片機進行處 理，通過單片機定時器的輸入捕獲功能，快速測量出PWM波的頻率和佔空比，進而得到所測 正弦波的頻率和幅度，將得到的正弦波頻率和幅度寄存入單片機MCU的RAM中備用。
[0032] 普通PWM測量頻率和佔空比的具體原理如圖2,在PWM波的上升沿和下降沿分別 獲取count的值並保存，由count的值和時鐘頻率CLK可以得到T1和T2的值，則PWM的頻 率f = 1ΛΤ1+Τ2)，佔空比duty=Tl/T2 * 100%。由圖2可見，頻率和佔空比的精度主要受 到MCU主頻CLK的限制，比如T1的實際時間是5. 5個CLK周期，但是所測得的只能是5個 或者6個周期（由程序決定)，即頻率的誤差範圍是0 ~ f/fM。若MCU主頻為72MHz，所測頻 率為1MHz，則誤差為13. 89KHz，不能滿足實際要求。因此，需要對測量方法進行改進。如圖 3,改進的PWM測量信號頻率的方法中，通過測量多個PWM周期，可以有效地降低誤差。圖中 T1仍然有1個CLK周期的誤差，但是因為包含了 3個PWM周期，每個周期就只有1/3個CLK 周期的誤差，即測量誤差降低為原來的1/3。通過這個方法，可以根據需求自由地調整測量 的PWM周期個數n，使誤差範圍控制在0?f/ (n*fM)以內。例如MCU主頻為72MHz，所測 頻率為1MHz，若取η的值為14,則誤差為0.99KHZ，足以滿足實際要求。
[0033] 上述方法可以提高測量頻率的精度，但是無法用於佔空比的測量。因此適用於對 佔空比精度要求不高的情況。若對佔空比的測量精度要求較高，還要採用下面的方法，如圖 4,在PWM波的上升沿到來時，計數器並不立即開始計數，而是延時一個時間?\，?\的大小是 隨機的，範圍在0到1個時鐘周期之間，服從均勻分布，即T1~U[0, Τακ]。由於進行了隨機 時延，即使對於同一個PWM波，在下降沿時捕獲到的count值也是不確定的。例如圖中PWM 波高電平實際持續時間為5. 7*Τακ，所測的值可能為5*Τακ或者6*Τακ。當0〈Τ1〈 0. 3*Τακ 測到的值為5*Τακ，當0. 3*Τακ <Τ1〈 Τακ測到的值為6*Τακ，由於1\均勻分布，因此0〈Τ1〈 0·3*Τ ακ出現的概率為0·3,0·3*Τακ <Τ1〈 Τακ出現的概率為0.7,兩個值出現的概率是固 定的，即30%的概率測得5*Τακ，70%的概率測得6*Τ ακ，因此，其數學期望Ε=5. 7*Τακ，正是 實際持續時間的值。由於時延在一個TaKR，故不會過多影響測量速率。根據以上的原理， 只要多次測量同一個PWM波，並將測得的值取平均，便能使所得的值接近實際值。
[0034] 隨後控制DDS掃頻，通過上述方法測出並記錄每個頻率和對應的幅度，測得的曲 線如圖7所示。由於頻率-佔空比曲線並不光滑，要找出η個峰值所對應的頻率，使用了下 面的算法（η=4的情況） ：首先找出每兩個峰之間的分界點，即每一個下降邊沿和上升邊沿 的拐點。由於曲線不光滑，檢測是否下降和上升時可以使用抽樣式的檢測方法，每兩個抽樣 點之間留有足夠的間隔，可以排除毛刺的幹擾。找出3個拐點fml、fm2、fm3之後，將數據分 為4部分，第一部分為f_min到fml，第二部分為fml到fm2,第三部分為fm2到fm3,第四部 分為fm3到f_max。分別找出這4部分中幅度最大的點和對應的頻率f 1、f2、f3、f4,則這 4個頻率即為要找的諧振點。得到載波頻點後，存入RAM中備用。
[0035] 正常工作模式舉例： 單片機在主進程中不斷通過循環檢測是否有數據需要發送，當檢測到有數據發送時， 觸發單片機發送數據進程，先查詢當前RAM中的載波頻率值，對所需要發送的數據進行調 制，得到輸出的二進位序列，通過串並轉化，然後控制DDS模塊發送相應頻率的信號。
[0036] 在接收端，需要對信號進行相應的解調，由於發送來的載波頻率不斷在變化，故需 要時時更新載波頻點的閾值，在校準時間間隔較短的情況下能夠確保解調出正確的頻點。 如圖6接收端算法流程圖所示，接收端MCU先進行"開始掃頻"指令，得到對應的η個頻點 後，計算並動態更新頻點的閾值。最後返回掃頻進程。進行下一輪的數據接收。
[0037] 本領域技術人員應該理解，本發明所公開的基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自 適應的方法可以在不脫離本
【發明內容】
框架的基礎上進行各種改進，因此，本發明的保護範 圍應當由所附的權利要求書的內容確定。
【權利要求】
1. 一種基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，其特徵在於，採用改進的測 量PWM信號頻率和佔空比的方法精確得到正弦波信號的頻率和幅度參數；採用自適應調整 載波頻率的方法實時調整DDS模塊發射頻率。
2. 根據權利要求1所述的基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，其特徵在 於，所述改進的測量PWM信號頻率和佔空比的方法包括：PWM信號頻率的測量時間包含多個 PWM周期；對於PWM周期的佔空比的測量，在PWM波的上升沿到來時，計數器延時一個時間 T1後才開始計數，T1的大小是隨機的，範圍在0到1個時鐘周期之間服從均勻分布。
3. 根據權利要求1所述的基於PWM碼實現無線攜能通信頻率自適應的方法，其特徵在 於，所述自適應調整載波頻率的步驟如下：發送端MCU控制DDS模塊進行掃頻；電壓比較電 路實時對DDS模塊的發射信號進行採樣，並將其轉化為PWM波送入MCU進行處理;MCU測量 PWM波的頻率和佔空比，得到正弦波的頻率和佔空比；根據正弦波的頻率和佔空比獲得傳 輸系統幅頻特性曲線；對所得的傳輸系統幅頻特性曲線進行抽樣式檢測，即在每兩個抽樣 點之間留有頻率間隔進行抽樣，排除毛刺的幹擾，獲得正確的諧振點；根據諧振點實時調整 DDS模塊發射頻率。
4. 根據權利2中所述的改進的測量PWM信號頻率和佔空比的方法，其特徵在於，所述 PWM信號頻率的測量時間內包含η個PWM周期，存在1個時鐘周期的誤差，每個PWM周期有 1/η個時鐘周期的誤差，即每個PWM周期的測量誤差降低為原來的1/η，其中η的大小根據 需求自由調整。
5. 根據權利2中所述的改進的測量PWM信號頻率和佔空比的方法，其特徵在於，所述計 數器延時測量佔空比的過程如下：在PWM波的上升沿到來時，計數器並不立即開始計數，而 是延時一個服從均勻分布的隨機時間，使得對於同一個PWM波，計數器捕獲的值不確定，但 其數學期望等於實際持續時間的值；多次測量取平均，使所得值接近實際值。
【文檔編號】H04B17/00GK104158605SQ201410369943
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】馬碧雲, 葉坤林, 王靖, 梁志韜, 袁智鵬, 韋崗 申請人:華南理工大學