用于無線傳能系統(tǒng)的高速示波器的制造方法
【技術領域】
[0001]無線傳能技術目前仍處在起步階段。從技術上講，無線傳能技術與發(fā)射和接收信號技術的差異很小，但在無線通信中傳遞的是能量中的信息，而無線傳能系統(tǒng)則著眼于傳輸過程中的所有能量。對于無線電通信而言，無線電波的發(fā)散問題不一定是件壞事，而對于無線傳能系統(tǒng)的最大困難在于傳輸能量的彌散與不希望出現(xiàn)的吸收與衰減，這毫無疑問會引起傳輸效率的降低。傳輸效率與很多因素有關，例如發(fā)送線圈與接收線圈的尺寸、發(fā)送端的頻率與接收端是否達到諧振乃至整個系統(tǒng)是否具有一樣的諧振頻率和發(fā)送的距離長短等等。由于傳能過能中高頻的電壓、電流信號難以檢測，接收端與發(fā)送端是否達到諧振又與傳能效率息息相關，現(xiàn)提出了一款智能示波器，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架構，F(xiàn)PGA實現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。高速示波器滿足了對MHz數(shù)量級高頻信號的采集，對傳能過程的電壓、電流以及功率進行實時觀測，可將采樣到的信號特性發(fā)送到上位機，便于遠程實時觀察與分析，本設計的研究是無線傳能技術發(fā)展過程中必不可少的應用平臺。
【背景技術】
[0002]隨著第二次工業(yè)革命的到來我們進入了電氣化的時代。全球各地的用電設備、高壓線、電網(wǎng)、電線等電能的傳送主要通過金屬的導線直接接觸式的傳輸。這種接觸式的傳輸方式逐漸有很多問題暴露出來，老化、摩擦、能量在傳輸?shù)倪^程中經(jīng)常出現(xiàn)火花，存在用電安全隱患以及影響用電設備的壽命。另外，傳統(tǒng)的有線供電方式已經(jīng)不能滿足時代的發(fā)展，不再滿足一些特殊應用場合的需求，如水中、礦井和深海等。除此之外，植入人體內(nèi)的醫(yī)療產(chǎn)品等的供電也越來越顯現(xiàn)出缺陷。這些問題和不足，預示著一個無金屬線的無線供電模式的興起，即無線供電技術。無線供電的成功實現(xiàn)將使人類的生活發(fā)生歷史性的變化。
[0003]早在19世紀中后期，無線電能傳輸?shù)母拍罹捅恢奶厮估岢觯@得了專利，為后來無線電能傳輸技術的發(fā)展繪制了美好的藍圖和奠定了一定的研究基礎。
[0004]隨后伴隨著電磁波理論的發(fā)展，出現(xiàn)了微波、激光式的無線電能傳輸技術。到目前為止，利用微波傳輸電能已經(jīng)可以實現(xiàn)大功率、遠距離的功率傳輸，激光作為一種新型的無線能量傳輸方式也被用來實現(xiàn)大功率遠距離的能量傳輸。新西蘭奧克蘭大學在20世紀90年代初開始進行感應耦合方法的研究，在理論原理與工程應用技術都取得了顯著成果，實現(xiàn)了國家地熱公園載人游覽車的無線供電試驗系統(tǒng)。但感應式無線電能傳輸技術對磁路的設計要求比較苛刻，傳輸距離較低一般為厘米以下，導致該技術在大功率無線能量傳輸?shù)膽弥芯哂泻艽蟮木窒扌浴?007年MIT的科學家利用磁場的諧振方式，通過構建兩個半徑為30cm的發(fā)射和接收諧振器線圈，在1.9m之外成功點亮了 60W的燈泡，成功開辟了無線電能傳輸技術的一個新方向，該方式彌補了感應式非接觸無線電能傳輸技術傳輸距離短的缺陷，該技術的提出將無線電能傳輸技術推到一個新的研究高度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是一款應用于無線傳能技術的高速示波器，由于無線傳能過程中高頻的電壓、電流信號難以檢測，接收端與發(fā)送端是否達到諧振又與傳能效率息息相關，故發(fā)明了一種采集高頻信號的示波器，其應用高速AD控制器嵌入FPGA架構，F(xiàn)PGA實現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。此示波器體積小，性能好，對傳能過程的電壓、電流以及功率進行實時觀測，可將采樣到的信號特性發(fā)送到上位機，便于遠程實時觀察與分析，同時更有利于對動態(tài)傳能系統(tǒng)進行檢測與分析，是進一步研究無線傳能最大功率傳輸算法的良好應用平臺，是提高無線傳能效率的必經(jīng)之路。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案是:用于無線傳能系統(tǒng)的高速示波器，設置有高速AD轉(zhuǎn)換器AD9288 (2)，現(xiàn)場可編程門陣列Altera EP4CE30 (3)，主控制器ARM STM32 (4)，遠程無線信號通信裝置藍牙模塊(5，6)，USB轉(zhuǎn)TTL模塊(7)以及上位機LabVIEW界面(8，9)。
[0007]所述的高速AD轉(zhuǎn)換器AD9288 (2)是一款雙核8位單芯片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，內(nèi)置片內(nèi)采樣保持電路，專門針對低成本、低功耗、小尺寸和易用性進行了優(yōu)化。AD9288采用100MSPS轉(zhuǎn)換速率工作，在整個工作范圍內(nèi)都具有出色的動態(tài)性能。每個通道均可以獨立工作。AD9288只需一個3V單電源和一個編碼時鐘就能充分發(fā)揮工作性能。對于大多數(shù)應用來說，無需外部基準電壓源或驅(qū)動器件。在省電模式下，數(shù)字輸出被置為高阻狀態(tài)。AD9288采用先進的CMOS工藝制造，提供48引腳表面貼裝塑料封裝，額定溫度范圍為_40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。在本發(fā)明中，AD9288用于將被測模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。
[0008]所述的現(xiàn)場可編程門陣列Altera EP4CE30 (3)是采用了邏輯單元陣列LCA(logicCell Array)這樣一個概念的一款FPGA，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(ConfigurableLogic Block)、輸出輸入模塊 1B (Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分，現(xiàn)在的FPGA內(nèi)部一般還有RAM、PLL、硬件乘法器等硬件電路。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)量有限的缺點。在本發(fā)明中，Altera EP4CE30用于將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量數(shù)據(jù)進行處理、分析。
[0009]所述的主控制器ARM STM32 (4)是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內(nèi)核，在本發(fā)明中應用的是增強型系列的STM32，其時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，內(nèi)置32K到128K的閃存，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。在本發(fā)明中，主要用ARM STM32進行按鍵處理、液晶屏的上波形與數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)的無線通信等。
[0010]所述的藍牙模塊是FBT06藍牙(5，6)，其適用于10米內(nèi)的無線數(shù)據(jù)傳輸中，采用RS232/UART接口，串口波特率，可以實現(xiàn)I對I或者I對多的數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明中此藍牙用于示波器與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0011]所述的USB轉(zhuǎn)TTL模塊(7)是一個電氣特性轉(zhuǎn)換模塊，藍牙模塊的電平為TTL，而上位機的電平為USB電平，所以在發(fā)明中使用了 USB轉(zhuǎn)TTL模塊。
[0012]所述的上位機LabVIEW界面(8，9)，應用的是美國NI公司的LabVIEW制作人機交換界面，接收來自示波器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的再次波形復現(xiàn)，并且清晰的顯示示波器最初采集到的信號特性。
[0013]本發(fā)明是專門為無線傳能系統(tǒng)研制的智能示波器，其獨特的數(shù)據(jù)無線通信功能，為無線傳能系統(tǒng)的研究奠定了技術保障，本發(fā)明應用前景廣闊，意義非凡。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的整體功能框圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的外形結構圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的上位機界面；
[0017]圖4是本發(fā)明的硬件連接圖；
[0018]圖5是本發(fā)明的整體工作流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合圖2、圖3、圖4、圖5說明本發(fā)明的實施例。
[0020]如圖2所示為無線傳能示波器的外形結構圖，其一共有5個通道(10，11)，I個開關機選擇開關(19)，4個按鍵(12-15)，2個選擇鍵(16，17)，I個充電接口(18)，I個藍牙串口通信接口(20)。所有通道中I個通道(11)為波形輸出通道，其余4個通道(10)為波形采集通道，所以此發(fā)明支持4路信號的同步采集。通道上的取樣速率為72MS/S，最大輸入電壓為±15V峰值；所有按鍵中，第一個按鍵為運行/暫停鍵(12)，可對采集到的波形進行暫停顯示，以便清晰的分析波形。第二個按鍵為菜單鍵(13)，按下菜單鍵可顯示菜單。第三個按鍵為參數(shù)鍵(14)，按下參數(shù)鍵可顯示測量的參數(shù)。第四個按鍵為選項鍵(15)，按下選項鍵可使光標在顯示屏(21)各區(qū)域間跳轉(zhuǎn)；所有的選擇鍵中，第一個為跳轉(zhuǎn)鍵(16)，滾動跳轉(zhuǎn)鍵可對顯示屏(21)內(nèi)的各個選項進行修改，按下跳轉(zhuǎn)鍵為確定。第二個為移動鍵(17)，滾動移動鍵可將光標選定在具體某個參數(shù)上；充電接口(18)為5V USB接口 ；藍牙串行通行接口(20)從左到右依次定義為GND、RX、TX、VCC。
[0021]如圖3所示為上位機LabVIEW界面。此顯示界面是由NI公司的LabVIEW編寫而成，界面中間為波形顯示窗口(22);左邊為控制面板(23)，其中包括串口號選擇框，波特率選擇框，開始采集框，停止采集框，保存數(shù)據(jù)框，數(shù)據(jù)回放框，退出程序框等；右邊為參數(shù)顯示窗口(24)，其中包括信號峰值，有效值，頻率以及經(jīng)過運算后的信號功率值。
[0022]如圖4所示為示波器與藍牙，藍牙與上位機之間的連接示意圖。示波器藍牙接口
(20)與藍牙(5)直接連接，藍牙(6)與上位機之間使用了 USB轉(zhuǎn)TTL模塊(7)。
[0023]如圖5所示為無線傳能示波器的軟件工作過程。首先將被測信號用示波器表筆接入示波器后，AD9288采樣器用于將被測的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，一個采樣周期內(nèi)FPGA用于將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量數(shù)據(jù)進行濾波處理、分析，數(shù)據(jù)被實時的保存在STM32的寄存器中，之后STM32控制示波器顯示屏的顯示與串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機同時進行。
【主權項】
1.高速示波器是基于對無線傳能傳輸?shù)哪芰刻匦缘臋z測與顯示，解決了無線傳能中接收端的信號特性難以檢測問題。2.根據(jù)權利要求1所述的高速示波器，從硬件上對普通示波器的主板進行了深入研究，開發(fā)了串行通信接口。3.根據(jù)權利要求1所述的高速示波器，從軟件上對普通示波器源代碼進行了深入學習，添加了數(shù)據(jù)顯示程序，并初始化了串行通訊功能，添加了數(shù)據(jù)無線通信程序。4.根據(jù)權利要求1所述的高速示波器，同時利用上位機編寫LabVIEW圖形化語言，制作顯示界面以完成對信號數(shù)據(jù)、信號特性的遠程顯示。
【專利摘要】本發(fā)明是一款應用于無線傳能技術的高速示波器，由于無線傳能過程中高頻的電壓、電流信號難以檢測，接收端與發(fā)送端是否達到諧振又與傳能效率息息相關，故發(fā)明了一種采集高頻信號的示波器，其采用高速AD控制器嵌入FPGA架構，F(xiàn)PGA實現(xiàn)對外接AD控制器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。此示波器體積小，性能好，對傳能過程的電壓、電流以及功率進行實時觀測，可將采樣到的信號特性發(fā)送到上位機，便于遠程實時觀察與分析，同時更有利于對動態(tài)傳能系統(tǒng)進行檢測與分析，是進一步研究無線傳能最大功率傳輸算法的良好應用平臺，是提高無線傳能效率的必經(jīng)之路。
【IPC分類】G08C17/02, G01R13/00
【公開號】CN105158538
【申請?zhí)枴緾N201510570177
【發(fā)明人】李連鶴, 張欣, 張獻, 薛明, 章鵬程, 蘇杭, 楊洋, 張志豪
【申請人】天津工業(yè)大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月8日