[发明专利]一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及无线携能通信、通信电子线路、自动控制检测及数字频率合成等交叉领域，具体涉及一种在进行无线携能通信过程中需要自适应改变发射信号载频频率时需要实时获得系统谐振点的方法。

背景技术

       本方法主要用于测量磁耦合线圈谐振点频率，在利用磁耦合进行无线携能通信中获取线圈谐振点以达到传输效率最佳中起到关键性的作用。无线携能通信是将能量无线传输技术与信息无线传输技术相集合的产物，在实现信息的高速通信的同时，通过提取接收信号能量来有效地向终端进行馈电，从而无需使用传统的有线连接，适合于需要大规模进行布撒终端节点的应用。

       在一般的磁耦合信能传输系统中，发送线圈和接收线圈的距离是固定不变的，此时整个系统的谐振曲线也是固定不变的，利用峰值点频率作为发射信号的载频频率进行信息传输，在确保一定的信息传输速率的同时，可以从信号提取足够的能量进行对负载馈电，由于在谐振点的传输效率最优，因此系统可以确保有较高的效率。

       然而，这种发送端和接收端均固定的系统具有很大的局限性，在许多实际应用中更多的需要的是能够适应发送和接收距离动态改变的系统，例如：1）无线电能传输可以解决植入式医疗设备的供电问题，并增加其安全性，但植入设备在生物体是动态变化的，引起收发系统的谐振频率的变化，为了保证效率最优，需要动态调整信号的载频频率； 2）在列车的钢轨探伤系统中，装在车轮上的探头（电能接收端）和能量发射端的距离一定是周期性改变的，此时将载频固定必然会因系统的谐振特性的改变降低能量传输效率。因此利用该方法可以很好地实现频率的动态匹配，从而得到较高的能量传输效率，达到频率自适应匹配的目的。

发明内容

       为了克服上述所提到的由于发射频率无法随距离自适应改变而导致整个系统效率低下的问题，本发明提出一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，该方法基于数字频率合成技术(DDS)动态实时测量磁耦合无线携能通信系统中谐振曲线的谐振点频率，从而达到动态调整载波频率的目的，使得在移动环境下，该系统仍具有较高的能量传输效率，进而可以广泛应用于复杂环境中的移动探测设备中。

    本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种基于PWM码实现无线携能通信频率自适应的方法，其采用改进的测量PWM信号频率和占空比的方法精确得到正弦波信号的频率和幅度参数；采用自适应调整载波频率的方法实时调整DDS模块发射频率。

进一步的，所述改进的测量PWM信号频率和占空比的方法包括：PWM信号频率的测量时间包含多个PWM周期；对于PWM周期的占空比的测量，在PWM波的上升沿到来时，计数器延时一个时间T1后才开始计数，T1的大小是随机的，范围在0到1个时钟周期之间服从均匀分布。

进一步的，所述自适应调整载波频率的步骤如下：发送端MCU1控制DDS模块进行扫频；电压比较电路实时对DDS模块的发射信号进行采样，并将其转化为PWM波送入MCU1进行处理；MCU1测量PWM波的频率和占空比，得到正弦波的频率和占空比；根据正弦波的频率和占空比获得传输系统幅频特性曲线；对所得的传输系统幅频特性曲线进行抽样式检测，即在每两个抽样点之间留有频率间隔进行抽样，排除毛刺的干扰，获得正确的谐振点；根据谐振点实时调整DDS模块发射频率。

进一步的，所述PWM信号频率的测量时间内包含n个PWM周期，存在1个时钟周期的误差，每个PWM周期有1/n个时钟周期的误差，即每个PWM周期的测量误差降低为原来的1/n，其中n的大小根据需求自由调整。

进一步的，所述计数器延时测量占空比的过程如下：在PWM波的上升沿到来时，计数器并不立即开始计数，而是延时一个服从均匀分布的随机时间，使得对于同一个PWM波，计数器捕获的值不确定，但其数学期望等于实际持续时间的值；多次测量取平均，使所得值接近实际值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：由于采用频率自适应的方法，可以使得发射频率随着系统的谐振点做实时的调整，从而在移动情况下，系统能够保持较高的能量传输效率。其次，改进的PWM码测量信号的频率幅度的方法，能够突破硬件主频的限制，得到更加精确的测量结果，从而间接提高系统的传输效率。

附图说明

图1为频率自适应电磁耦合无线能量传输系统示框图。

图2为普通PWM测量频率和占空比的原理图。

图3为改进PWM测量频率原理图。

图4为改进PWM测量占空比原理图。

图5为发送端算法流程图。