一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路的制作方法

本实用新型涉及电路设计技术，特别是涉及一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路。

背景技术：

传统的电动助力自行车信号采集模的供电以及信号传输都是利用有线供电方式，这样使得电动助力自行车的连接线比较繁杂，不利于隐蔽，且容易出现接触不可靠和容易损坏的的缺陷，不利于电动助力自行车的轻小型化发展。另外，接触式供电方式，当脚蹬轴旋转工作时，存在接触与摩擦。

技术实现要素：

实用新型目的：为解决现有技术的不足，提供一种可以无线供电，同时利用供电信号传递多路数据，且利用调制脉宽高度，脉宽宽度及脉宽频率来识别不同信号的电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路。

技术方案：一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路，用于检测外部信号传递给控制系统，或将控制系统发来的指令信号传递给执行部件，该电路包括：一速度/方向传感器模块，用于采集速度和方向信号；一速度检测部件，用于检测速度数据；一旋转电路模块，采集外部信号；一静止电路模块，耦接所述旋转电路模块，可以向旋转电路提供电能。

而且，所述静止电路模块与旋转电路模块还可以相互传递多路信号。

另外，所述静止电路模块包括：一直流电源，为静止电路模块的各个回路提供直流电；一时钟信号发生回路，由直流电源供电，输出端接一功率放大回路的输入端；所述功率放大回路，由直流电源供电，输出端接一感应线圈L1，感应线圈L1的另一端接一电容C1的正极，电容C1的负极接地；一信号检波回路，由直流电源供电，输入端连接到感应线圈L1与电容C1的接点，输出端接一低通滤波回路的输入端；所述低通滤波回路，由直流电源供电，输出端接一信号整形放大回路的输入端；所述信号整形放大回路，由直流电源供电，输出端连接MCU。

而且，所述功率放大回路包括三极管，所述信号检波回路包括二极管。

另外，所述旋转电路模块包括：一感应线圈L3，与所述感应线圈L1耦接；一功率谐振回路，与感应线圈L3并联，将感应线圈L3接受到的感应线圈L2发送出来的电磁波能量最大化；一整流回路，输入端接功率谐振回路的输出端，输出端接一单向回路的输入端，所述单向回路的输出端接一滤波回路的输入端，所述滤波回路的输出端接一稳压回路，稳压回路为应变信号采集回路、应变信号放大回路和电压转频率回路提供供电电压；所述应变信号采集回路采集外部信号，输出端接应变信号放大回路的输入端，所述应变信号放大电路的输出端接电压转频率回路的输入端，所述电压转频率回路的输出端接信号调制输出回路的输入端，所述信号调制输出回路的另一端接负载电阻R1，负载电阻R1的另一端连接所述整流回路与单向回路的接点。

而且，所述整流回路为单相半波整流电路；所述信号调制输出回路包括三极管T1，所述电压转频率回路的输出端通过一电阻R2连接三极管T1的基极，三极管T1的集电极接负载电阻R1，三极管T1的发射极接地；

另外，所述外部信号是由旋转轴的力矩变化引起的电阻应变传感器的微弱变化；所述应变信号采集回路采集所述电阻应变传感器的微弱变化，并输出第一应变信号；所述应变信号放大回路将第一应变信号按照设定比例放大，并输出第二应变信号；所述电压转频率回路将第二应变信号按照设定比例转换成与第二应变信号成线性比例的方波信号输出；所述方波信号通过三极管T1的开关作用控制电阻R1的导通，拉低所述整流回路的输出电压，导致负载加重；负载加重引起整流回路、功率谐振回路和感应线圈L3的电流变化，使得感应线圈L1中产生耦合电流，进而通过电容C1和功率放大回路引起直流电源的供电功率的变化，实现调制信号的传递。

而且，电容C1两端的电压波形被调制成数据包络形式。

另外，所述数据包络由所述信号检波回路整流检波后，经过低通滤波回路输出与调制信号完全同步变化的微弱变化，再经过信号整形放大回路处理还原成调制信号输出给MCU。

在进一步的实施例中，提供如下解决方案：一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路，包括：静止电路模块和旋转电路模块；

静止电路模块：该静止电路模块包括直流电源，时钟信号发生回路，功率放大回路，信号检波回路，低通滤波回路，信号整形放大回路，第一感应线圈L1和电容C1；

其中，直流电源分别连接时钟信号发生回路，功率放大回路，信号检波回路，低通滤波回路和信号整形放大回路的电源端；

时钟信号发生回路的输出端连接功率放大回路的输入端，功率放大回路的输出端连接第一感应线圈L1的一端，第一感应线圈L1的另一端连接电容C1的正极，电容C1的负极接地；

信号检波回路的输入端连接到第一感应线圈L1与电容C1的接点，输出端连接低通滤波回路的输入端，低通滤波回路的输出端连接信号整形放大回路的输入端，信号整形放大回路的输出端连接到MCU；

旋转电路模块：该旋转电路模块包括第二感应线圈L3，功率谐振回路，整流回路，单向回路，滤波回路，稳压回路，应变信号采集回路，应变信号放大回路，电压转频率回路，信号调制输出回路，第一电阻R1和基极电阻；所述信号调制输出回路包括三极管T1；

其中，第二感应线圈L3与功率谐振回路并联连接，功率谐振回路的输出端连接整流回路的输入端，整流回路的输出端连接单向回路的输入端，单向回路的输出端连接滤波回路的输入端，滤波回路的输出端连接稳压回路的输入端，稳压回路的输出端分别连接应变信号采集回路，应变信号放大回路和电压转频率回路的电源端；

应变信号采集回路的输出端连接应变信号放大回路的输入端，应变信号放大回路的输出端连接电压转频率回路的输入端，电压转频率回路的输出端连接基极电阻的一端，基极电阻的另一端连接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接整流回路与单向回路的接点；

所述静止电路模块的第一感应线圈L1与所述旋转电路模块的第二感应线圈L3耦接。所述三极管T1为NPN型三极管。

有益效果：静止电路模块和旋转电路模块通过两个线圈相互耦合实现了两个电路完全隔离，同时实现了静止电路模块向旋转电路模块无线供电，故当轴在旋转工作时，不存在接触及摩擦；另外，应变信号采集回路采集的应变信号经过一系列变化，利用两个线圈之间的耦合，最后将调制信号以扰动电能的形式相互传递，实现了静止电路和旋转电路的多路数据信号的传递；利用调制脉宽高度，脉宽宽度及脉宽频率，来识别不同的信号；再者，利用调制回路和检波回路实现能量传递的同时，实现了两个电路的通讯，另外，可将轴上的力矩信号，速度信号，方向信号传递出来，控制系统根据实际情况或设定值给电动助力自行车分配助力的功率，实现平稳的骑行感受。

附图说明

图1是静止电路板PCBA_A的电路示意图。

图2是旋转电路板PCBA_B的电路示意图。

图3是静止电路和旋转电路的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型的实施方式。

如图1所示，速度/方向传感器模块1采集电动助力自行车的速度信号和方向信号，并传递给控制系统进行处理；静止电路模块2包括直流电源，直流电源给时钟信号发生回路，功率放大回路，信号检波回路，低通滤波回路和信号整形放大回路提供稳定的供电电压；时钟信号发生回路的输出端连接功率放大回路的输入端，功率放大回路的输出端与感应线圈L1连接，感应线圈L1的另一端与电容C1的正极连接，电容C1的负极接地；信号检波回路的输入端连接感应线圈L1与电容C1的接点，输出端与低通滤波回路的输入端连接，低通滤波回路的输出端与信号整形放大回路的输入端连接，信号整形放大回路的输出端连接控制系统MCU。

功率放大回路为一单管共射放大电路，在电路中，NPN型三极管起放大作用，是功率放大回路的核心部件；直流电源为集电极提供直流电，为输入信号提供能量，三极管主要是将电流的变化转换为电压的变化，然后传送到放大电路的输出端；根据需要预先设定各个参数值，来设定放大倍数。

信号检波回路包括检波二极管，在检波电路中，调幅信号加到检波二极管的正极，利用信号的幅度使检波二极管导通，正半周信号使二极管导通，负半周信号使二极管截止；即检波二极管将调频信号中的下半部分去掉，留下上包络信号上半部分的高频载波信号。

低通滤波回路为一RC有源低通滤波器，其将高于截止频率的信号滤波处理，将低于截止频率的信号输出；即信号通过低通滤波回路后，让低于某一特定频率的信号通过，而滤除不符合要求的信号量，达到过滤“噪声”的效果。截止频率根据不同的需要可以通过设定RC滤波器的各个参数值来预先设定。

信号整形放大回路包括运算放大器，它是信号整形放大回路的核心部件，可以将微小变化的输入信号放大很高的倍数，输出需要的信号波形。

如图2所示，旋转电路模块3包括感应线圈L3，与感应线圈L3并联的功率谐振回路，功率谐振回路的输出端连接整流回路的输入端，整流回路的输出端接单向回路的输入端，单向回路的输出端接滤波回路的输入端，滤波回路的输出端接稳压回路的输入端，稳压回路给应变信号采集回路，应变信号放大回路和电压转频率回路提供稳定的电压；应变信号采集回路将采集的信号输出给应变信号放大回路，应变信号放大回路的输出端连接电压转频率回路的输入端，电压转频率回路的输出端通过电阻R2接三极管T1的基极，三极管T1的集电极通过电阻R1连接整流回路与单向回路的接点，三极管T1的发射极接数字地。

功率谐振回路包括电容C3，主要作用是选择需要的频率。

整流回路可以为单相半波整流电路，利用二极管的单向导通特性来进行整流，即将信号的半周除去、剩下信号的另半周，作用是将交流电转换为直流电。

单向回路包括二极管，利用二极管的单向导通特性，实现后续电路供电的稳定性。

应变信号采集回路包括应变式传感器，采集电动助力自行车的脚蹬轴上扭套的变化，转变为电信号输出。

应变信号放大回路将接收到的信号放大为设定的倍数。

电压转频率回路将接收到的电压信号转换为频率方波信号输出。

工作原理：

1.时钟信号产生回路产生时钟信号经功率放大回路放大输出功率后通过L1与C1向外发送能量。

2.L3接收到L2发送出来的电磁波并通过功率谐振回路电容C3使接收到能量最大化。

3.整流回路将接收到的交变电流转换成脉冲直流电分成2路；

3-1.一路通过单向回路-滤波回路-稳压回路后给应变信号采集回路-应变信号放大回路-电压转频率回路-信号调制输出回路提供电能。

3-2.另一路通过T1-R1不断开关作用，而引起转子部分负载加重而起到拉低整流回路输出电压的目的。

4.单向回路起到隔绝T1R1打开时引起的整流回路后输出电压的剧烈变化，让后面信号处理部分供电更加平稳。

5.滤波回路起到滤波和储能的作用，稳压回路为应变信号采集回路-应变信号放大回路-电压转频率回路-信号调制输出回路提供高稳定度和低纹波变化的工作电源

6.应变信号采集回路采集到扭套变化引起应变传感器微弱变化后将应变信号传递给应变信号放大回路按固定比例放大。

7.被放大后的应变信号通过电压转频率回路按一定比例转换成与应变信号成线性比例的方波输出去。

8.转换后频率信号通过T1开关作用控制R1的导通，起到拉低整流回路后输出电压，从而导致负载加重的目的。

9.被拉低引起的负载加重作用通过整流回路-功率谐振回路C3-L3-L1-C1-功率放大回路至供电直流电源，从而引起直流电源的供电功率发生变化。负载加重引起的变化直接反应在定子部分电流、供电功率及L1、C1两端发送波形幅度发生变化；在L1、C1两端输出波形产生数据包络形式。

10.将C1两端变化电压通过信号检波回路整流检波后通过低通滤波回路将高频部分滤波处理后得到与调制信号完全同步变化的微弱变化。

11.将滤波处理后得到与调制信号完全同步变化的微弱变化送到信号整形放大回路处理还原成调制信号输出。

如图3所示，为静止电路和旋转电路的工作时序图；调制信号为一方波信号，电容C1两端的波形被调制成数据包络；数据包络经过信号检波回路后被解调成上半包络信号；低通滤波回路输出波形为与调制信号完全同步变化的微弱变化的方波信号；信号整形放大回路输出波向为与调制信号相同的信号波。

电动助力自行车骑行时，脚蹬轴是在旋转状态，力矩(俗称扭套)信号刚好就在这旋转的轴上，应变信号采集回路中的应变传感器设于该轴上，采集旋转轴上的力矩信号，而检测轴上的力矩信号(扭套变化)需要电能，因此，利用两个线圈加上金属轴，形成一个类似变压器结构；通过两个线圈的相互耦合，实现了静止电路模块给旋转电路模块无线供电，同时实现了两个电路完全隔离；故当脚蹬轴在旋转工作时，不存在接触及摩擦。

另外，应变信号采集回路采集的力矩信号需要传送给控制系统，控制系统根据力矩信号，以及速度/方向传感器采集的速度信号和方向来识别骑行状态，并给脚蹬轴传递指令信号；故此，利用两个线圈之间的耦合，将信号调制后，以扰动电能的形式相互传递，两个线圈又配备了相对的检波及解码电路，在传递能量的同时，实现了两个电路的通讯。

本实用新型的一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路主要应用于电动助力自行车力矩采集，还适用于所有旋转时非接触式电能传递，及多路信号相互传递；例如：力矩传感器，电动机转子温度实时监测，也可以通过信号传递改变转子参数设定等。

总之，与现有技术相比，本实用新型将原来的一种电动助力自行车脚蹬力信号检测调制电路分为两个独立的电路模块，静止电路模块和旋转电路模块，两个电路模块通过两个线圈相互耦合，实现了两个电路完全隔离，同时实现了静止电路模块向旋转电路模块无线供电，降低了电路功耗，简化了电路结构，适用于更小的安装场合，且当脚蹬轴在旋转工作时，两个电路板不存在接触及摩擦；另外，应变信号采集回路采集的应变信号经过一系列变化，利用两个线圈之间的耦合，最后将调制信号以扰动电能的形式传递给控制系统，实现了静止电路和旋转电路的多路数据信号的传递，利用调制脉宽高度，脉宽宽度及脉宽频率，来识别不同的信号；再者，应变信号采集回路将人力脚蹬的力量检测出来，通过连个电路的耦合传传输给控制系统，控制系统根据采集的实际信号或设定的值，给电动助力自行车分配助力功率，实现平稳的骑行感受。