一种基于FSK和磁耦合谐振的无线携能通信系统

本发明涉及一种基于频移键控和磁耦合谐振的能够准确进行文字、图像传输的无 线携能通信系统，其特征在于实现了将信息与能量通过同一信道同时进行传输。

随着无线技术应用的兴起，无线信息传输和无线能量传输技术不断发展壮大，尤 其是无线信息传输，以WiFi、3G/4G网络，微波等不同技术形式广泛应用于各个领域，无线能 量传输方面的研究也取得了实验室阶段的收获。

然而，如同其他资源一样，目前为人类所认识、利用的频率资源日益稀缺，作为重 要的国家战略资源，无线电频谱资源需要更加高效、充分的利用。于是，无线携能通信的概 念被提出，旨在利用无线电磁波将能量和信息并行传输，同时摆脱传统能量和信息传输的 电缆限制，实现电子设备间的真正无线化。

无线携能通信技术有望广泛应用于高速射频标签、物联网以及各类移动终端之间 的信息交换与能量传输，有望在实现高速信息交换的同时，通过提取接收信号中的能量有 效地向各种终端设备馈电，从而取代传统有线或电池供电所带来的不便，特别适合于需要 大规模布撒的终端节点的应用。另一方面，该技术在生物医学领域也有广阔的应用前景，对 于人造器官和医疗辅助电子设备如心脏起搏器、人造耳蜗等植入式设备来说，可以通过该 技术进行非接触式供电。

目前国际上通用的无线能量传输技术包括电磁感应、微波远场辐射和磁耦合谐 振。电磁感应技术传输功率大，但是传输过程线圈发热严重，传输距离短且传输效率随距离 增大迅速变小，容易受到位移和频率变化的影响；微波远场辐射传输距离远，但对于发射天 线设计要求高，传输效率低，容易受到气候、环境因素的干扰，穿透障碍的能力较弱。磁耦合 谐振传输效率和传输距离介于前两种技术之间，但技术起步较晚，功率和传输距离还有待 提高。

无线携能通信技术在物联网监控和移动终端领域的作用将会越来越重要。

对于无线携能通信技术，主要需要解决的难题在于：

（1）如何通过低成本的系统装置实现一定距离内高效率的传输。

（2）如何在接收端实现能量与信息的自适应分离。

（3）如何降低大功率能量信号对于信息信号的干扰。

本装置重点对于以上三个问题进行解决，实现一套适用于移动通信和物联网监控 传感器的无线携能通信系统。

该发明是采用开关电源逆变、磁耦合谐振传输、嵌入式系统、频移键控调制解调等 技术而开发的先进适用装置，通过FPGA编程实现FSK调制功率信号，实现能量与信号的共同 传输；

该发明旨在实现如下目标：

（1）资源复合利用。通过本装置实现同一无线电波既是能量的载体，又是信息载体，将 元器件、频谱、能量等资源复合利用，“一频两用”，“一设备多用”，对于资源整合、充分开发 具有深远意义。

（2）通用。介于系统采用无线携能通信技术实现无线能量传输和无线信息传输的 有效结合，开发时间较长、系统组成复杂、不便于非相关专业者全面学习和掌握，系统对 外留出能实现透明传输的数据输入与输出接口，使用者无需掌握复杂的内部电路和设计细 节，便可利用该系统进行相关工程的开发，降低对使用者相关知识的要求，使平台的大规模 推广成为可能。

（3）信息安全。对于本发明，系统原理决定了它在安全性方面有着明显的优势：接 收端只能在有限范围内接收发射端特定频率的电磁波。开发者可以为发送端和接收端设计 唯一的机器码，在传输消息时通过该码进行验证，同时由于传输距离有限，也能有效防止远 程攻击，保障系统的安全性。

为实现上述目的，该发明采用了如下技术方案：该无线携能通信系统由亚克力外 壳和系统装置组成。系统装置包括发射装置、信道传输装置和接收装置。发射装置包括信息 调制电路，能量逆变电路；信道传输装置包括亚克力骨架、发射接收线圈；接收装置包括能 量接收电路，信息接收电路，文字图像显示模块。

所述的信息调制电路由用户接口、可编程逻辑门阵列，MCU控制器组成；用户接口 提供编码键盘接入、蓝牙接入标准，可以实现矩阵键盘以及手机、电脑的蓝牙接入并配套有 手机端和电脑端的用户操作界面。

所述的能量逆变电路由MOS管驱动芯片，数字芯片，H桥组成，实现将低频市电转换 为高频交流电发射到信道中。

所述的发射线圈采用圆柱螺旋形结构，选用聚酯漆包线绕制电感并联CBB电容， 30cm线圈直径，中心振荡频率354.5kHz。

所述的能量接收电路由整流滤波器、稳压器组成，实现对于后级显示电路的供电 需求。

所述的信息接收电路由光耦隔离电路、波形整形电路以及解调MCU电路组成，实现 将文字、图像准确的显示在后级显示器上。

保证了无线携能通信中能量和信息高效率、无误码的连续传输，通过多种接口接 入，提供给用户方便灵活的输入选择。

图1是本发明的主要技术结构示意图。

图2是本发明的发射装置电路组成结构示意图。

图3是本发明的接收装置电路的组成结构示意图。

图4是本发明的线圈拓扑结构示意图。

图5是本发明的机械结构示意图。

该无线携能通信装置包括发射装置、发射接收线圈、接收装置构成。

如图2和图3所示，发射装置由输入接口接收用户输入的信息，接收到的信息经过 MCU处理后将加载信息的控制信号发送到FPGA中，FPGA识别控制信号后，发送调制信号，经 过整形电路来降低调制信号的噪声，降噪后的调制信号进入全桥驱动电路，驱动图5中（2） 的发射初级线圈；接收装置通过图5中（6）的接收初级线圈接收到能量信息信号后，通过能 量信号分离电路分理出能量和信息，分别供给后级显示模块。

图4所示为线圈拓扑结构，（1）为发射初级线圈，采用电感电容串联谐振，对发射信 号进行耦合匹配；（2）为发射次级线圈，采用电感电容并联谐振，负责发射信号到空间信道 中；（3）为聚能线圈，提高对能量的收集能力；（4）为接收次级线圈，负责接收空间中的信号； （5）为接收初级线圈，负责耦合匹配接收次级线圈中的信号，并将信号接入接收装置。

所述输入接口包括计算机串口与手机端蓝牙接口、系统自带键盘接口。用户可以 利用计算机、手机远程或非远程实现系统操控，通过操作计算机、手机中的软件编辑信息内 容、选择指令，然后利用蓝牙发送或数据线直接下载的方式，实现系统操控。还可以使用自 带键盘接口来实现安全隔离环境下的系统输入。

所述的FSK调制电路，由STM32作为MCU控制Alteracyclone系列FPGA实现精确的 信号调制。

所述的全桥驱动电路，通过高效MOS管驱动器驱动由4个MOS管组成的H桥驱动电 路，搭配外围元件实现携能通信传输。

所述能量信号分离电路，负责分理出能量和信息信号。通过整流电路将交流信号 转换为直流信号，通过滤波电路降低纹波噪声，再通过稳压电路将收集到的能量电压稳定 在要求的范围内。通过光耦隔离电路进行限幅，保证大功率信号不会对信息识别电路造成 损害。限幅后的信息信号经过整形后送入MCU进行解调，识别出所发送的信息。

如图5所示，（1）为发射装置，由亚克力外壳保护内部电路板；（2）为发射初级线圈； （3）为发射次级线圈，由亚克力骨架和漆包线绕制完成。（1）与（2）通过导线连接，（2）与（3） 没有物理连接。（4）为聚能线圈；（5）接收次级线圈，由亚克力骨架和漆包线绕制完成；（6）为 接收初级线圈；（7）为接收装置，由亚克力外壳保护内部电路板；（8）为显示装置，由显示器 和外围电路组成。

本发明的工作过程是：

用户输入文字或图像信息，通过MCU识别后按照协议生成控制信号，控制FPGA输出两路 频率的方波完成FSK调制。方波送入MOS管驱动器后，控制MOS管开断，输出大功率调制信号， 加载在发射线圈上送入空间信道。接收线圈通过磁耦合谐振接收到信号后，经由能量信息 分离电路完成分离后，在显示电路上进行显示。

其中，对于信息的编码解码过程如下：

1）发射部分的蓝牙接收模块收到用户发送的数据；

2）蓝牙模块将数据通过串口以4800bps波特率发送到FPGA基带信息输入端；

3）FPGA采用FSK方式对输入的基带信号进行调制；

4）FPGA调制后的信号输入到全桥驱动电路进行功率放大；

5）全桥放大电路对输入信号进行功率放大后输出到发射线圈组；

6）发射线圈组与接收线圈组通过磁耦合谐振方式传递能量与信息；

7）接收线圈组将接收到的电磁信号进行整流滤波稳压后为接收端提供能量；

8）获得能量的接收端信息解调模块通过光耦隔离技术解调电磁信号中的信息；

9）接收端将能量与信息输出给终端设备，进行信息显示。

本发明装置发射端输入电压DC12V，正常工作电流1.5A；数据传输速率4800bps；接 收端输出电压DC3.3V。谐振线圈线径1.8mm，直径30cm。传输距离60cm，谐振频率354.5kHz。

采用本方法实现无线携能通信，成本低，方法便捷，采用通用接口，用户可以在完 全透明的环境下输入数据接收数据而不需要懂得相关原理和内部结构。本发明还在装置中 留出调试接口，可以方便工程人员进行相关指标的调试，扩大了应用场合。