一种基于Qi协议无线供能的无线数据采集装置的制作方法

本发明涉及数据采集领域，具体的涉及一种基于qi协议无线供能的无线数据采集装置。

背景技术：

传统的数据采集装置需要连接数据线和电源线，然而很多场合数据采集端接线十分麻烦，必须采用无线数据采集装置，但是一般的无线数据采集装置，在数据采集端必须配备能量供应器件，例如纽扣电池或干电池等。

然而电池设备需要定期更换以维持数据采集端的正常工作，后期维护十分不便；此外，数据采集端和数据接收端都需要搭载无线传输模块，以完成传感数据的读取，既增加成本又占用空间频段资源，不但容易受到其他无线设备传输的影响，也容易影响到其他无线设备的通信。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于qi协议无线供能的无线数据采集装置。

本发明采用的技术方案是：

一种基于qi协议无线供能的无线数据采集装置，其特征在于，包括传感器模块、无线充电发射器和无线充电接收器，所述传感器模块与无线充电接收器相连以用于反馈数据，所述无线充电发射器与无线充电接收器配合以用于传输电能与载波信号；

所述无线充电发射器包括初级线圈、逆变电路、第一电源电路、第一mcu、解码电路和电流检测电路；所述第一电源电路与外部电源相连以用于供电，所述初级线圈通过逆变电路与第一电源电路相连以用于产生交变电磁场，所述逆变电路与第一mcu相连以用于接收逆变控制信号；所述解码电路一端与初级线圈相连，另一端与第一mcu相连，以用于接收初级线圈收到的载波信号并解码成数字信号发送给第一mcu；所述电流检测电路与第一mcu相连以用于识别无线充电接收器；

所述无线充电接收器包括次级线圈、整流电路、第二mcu、第二电源电路、负载调制电路，所述次级线圈用于感应初级线圈产生的交变电磁场产生交变电流，次级线圈通过整流电路与第二电源电路相连，所述整流电路用于将次级线圈产生的交变电流转变为直流电，所述第二电源电路为第二mcu、传感器模块供电，所述传感器模块与第二mcu相连以用于反馈所采集的数据；所述负载调制电路一端与第二mcu相连，另一端与次级线圈相连，以用于将第二mcu发送的数字信号转换成载波信号，并利用qi协议的专享数据包通过次级线圈发出。

进一步的，所述无线充电发射器还包括第一过温保护电路，所述第一过温保护电路与第一mcu相连以用于监测无线充电发射器内部温度。

进一步的，所述所述无线充电发射器还包括显示屏，所述显示屏与第一mcu相连以用于接收信号并显示数据。

进一步的，所述无线充电接收器还包括第二过温保护电路，所述第二过温保护电路与第二mcu相连以用于监测无线充电接收器内部温度。

进一步的，所述传感器模块与整流电路之间设置有dc-dc电路，所述dc-dc电路用于调整输出电压以满足不同的传感器需求。

进一步的，所述第一mcu包括pwma_l、pwma_h、pwmb_l和pwmb_h4个pwm端口，所述逆变电路包括与次级线圈相连的第一逆变芯片和第二逆变芯片、三极管q1-q8；所述第一逆变芯片的输出端与次级线圈相连，第一逆变芯片的第一输入端与三极管q1的发射级、三极管q2的集电极相连，所述三极管q1的集电极连接5v电源，所述三极管q2的发射级接地，三极管q1的基极和三极管q2的基极皆通过电阻r22与第一mcu的pwma_l端口连接；第一逆变芯片的第二输入端与三级管q3的发射极、三极管q4的集电极相连，所述三极管q3的集电极连接5v电源，所述三极管q4的发射级接地，三极管q3的基极和三极管q4的基极皆通过电阻r32与第一mcu的pwma_h端口连接；所述第二逆变芯片的输出端与次级线圈相连，第二逆变芯片的第一输入端与三极管q5的发射级、三极管q6的集电极相连，所述三极管q5的集电极连接5v电源，所述三极管q6的发射级接地，三极管q6的基极和三极管q7的基极皆通过电阻r23与第一mcu的pwmb_l端口连接；第二逆变芯片的第二输入端与三极管q7的发射级、三极管q8的集电极相连，所述三极管q7的集电极连接5v电源，所述三极管q8的发射级接地，三极管q7的基极和三极管q8的基极皆通过电阻r31与第一mcu的pwmb_h端口连接。

进一步的，所述负载调制电路包括mos管q3、mos管q4、电容c13、电容c14和电阻r14；所述mos管q3的栅极g、mos管q4的栅极g皆与电阻r14的一端相连，mos管q3的源极s、mos管q4的源极s和电阻r14的另一端均接地；mos管q3的漏极d通过电容c13连接次级线圈的一端，mos管q4的漏极d通过电容c14连接次级线圈的另一端。

进一步的，所述解码电路包括四运算放大器lm324、二极管d3、电阻r47、电容c37、电容c36、电阻r56、电阻r62、电阻r68、电阻r57，所述二极管d3负极与电容c37、电阻r49的一端相连，所述电容c37、电阻r49的另一端接地，二极管d3的负极还通过电容c36连接lm324的引脚7；所述lm324的引脚1和引脚2皆与电阻r56的一端相连，所述电阻r56另一端与lm324的引脚5相连，电阻r56和lm324的引脚5之间的连接点还通过电容c41、电容c43、电阻67与lm324引脚6相连，lm324的引脚6和引脚7之间串联有电阻r68；lm324的引脚7与电阻r62相连，所述电阻r62通过电阻r63与lm324的引脚13相连，电阻62通过电阻r65与lm324的引脚12相连，lm324的引脚13与引脚14之间串联有电阻r57，lm324的引脚14与第一mcu相连；以用于将解调后的信号输送到第一mcu。

进一步的，所述电流检测电路包括lm324、电阻r2、电阻r15、电阻r18、电阻r21、电容c3、电容c10；所述电阻r15与lm324的引脚10相连；所述电容c10一端接地，另一端与lm324的引脚10相连；所述lm324的引脚9与电阻r21相连，所述电阻r21与接地端相连；lm324的引脚9与引脚8之间串联有电阻r18，lm324的引脚8与电阻r2相连，所述电阻r2与电容c3相连，所述电容c3与接地端相连。

进一步的，所述整流电路包括二极管d1、二极管d3、mos管q1、mos管q2、电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c6、电容c8、电容c9、电阻r2、电阻r3、电阻r10、电阻r11；所述次级线圈的一端与并联的电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c9的一端相连，二极管d1的正极与并联的电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c9的另一端相连，次级线圈的另一端与二极管d3的正极相连，二极管d1的正极与二极管d3的正极之间串联有电容c8，二极管d1的负极与二极管负极的公共端通过电容c6接地,二极管d1的负极与二极管负极的公共端与电阻r2相连，电阻r2通过电阻r3接地；mos管q1的源极s接地，mos管q1的栅极g通过电阻r11与接地端相连，mos管q1的栅极g与mos管q2的漏极d相连，mos管q1的栅极g与mos管q2的漏极d的公共端与次级线圈相连，mos管q1的漏极d与mos管q2的栅极g、二极管d1的正极相连，mos管q2的栅极g通过电阻r10与接地端相连。

优选的，所述第一逆变芯片、第二逆变芯片皆采用场效应管ao4616。

本发明的有益效果：

1、数据采集端无需配备干电池、纽扣电池等电池设备，解决了后期更换维护的不便，适用于许多不宜更换的实际应用场景。

2、通过qi协议和负载调制技术，实现无线载波的通讯信息传输，通过无线充电接收器和无线充电发射器即可完成通信，无需额外配置无线传输模块，节省成本的同时，不占用空间频率资源，不会对其它无线通信设备产生影响。

3、设备通常处于关闭状态，由数据接收端控制决定系统是否开始工作，当需要工作时才开始给传感器模块供能，灵活的工作方式避免了不必要的能量损失。

4、通过过温保护电路不断检测自身温度，当温度过高时自动停止工作，防止了因为设备过热而引起的安全隐患。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；

图1为本发明基于qi协议无线供能的无线数据采集装置的示意图；

图2为本发明无线充电发射器的原理框图；

图3为本发明无线充电接收器的原理框图；

图4为本发明逆变电路的电路图；

图5为本发明解码电路的电路图；

图6为本发明电流检测电路的电路图；

图7为本发明整流电路的电路图；

图8为本发明负载调制电路的电路图。

具体实施方式

如图1-图8所示为本发明的一种基于qi协议无线供能的无线数据采集装置，包括传感器模块1、无线充电发射器2和无线充电接收器3，传感器模块1与无线充电接收器3相连以用于反馈数据，传感器模块可以根据现场需要采用温度、湿度、照度以及各类监测电能参数的传感器，无线充电发射器2设置在无线充电接收器3的感应范围内以用于传输电能。

如图2所示，无线充电发射器2包括初级线圈21、逆变电路22、第一电源电路23、第一mcu24、解码电路25、电流检测电路26、第一过温保护电路27和显示屏28。

其中，第一电源电路23与外部电源相连以用于供电，初级线圈21通过逆变电路22与第一电源电路23相连以用于产生交变电磁场，初级线圈21通过产生交变电磁场与次级线圈31产生关联，逆变电路22与第一mcu24相连以用于接收逆变控制信号。解码电路25一端与初级线圈21相连，另一端与第一mcu24相连，以用于接收初级线圈21收到的载波信号并解码成数字信号发送给第一mcu24，电流检测电路26与第一mcu24相连以用于识别无线充电接收器3，第一过温保护电路27与第一mcu2相连以用于监测无线充电发射器内部温度，其原理是过温保护电路通过ldo产生一个基准电压，采用ntc电阻与标准电阻的分压得到当前的温度值，当第一mcu24监测到温度值过高时，系统产生安全保护直至系统停止工作；显示屏28与第一mcu24相连以用于接收信号并显示数据。

如图4所示，第一mcu24包括pwma_l、pwma_h、pwmb_l和pwmb_h4个pwm端口，逆变电路22包括与次级线圈21相连的第一逆变芯片和第二逆变芯片、三极管q1-q8；第一逆变芯片的输出端与次级线圈21相连，第一逆变芯片的第一输入端与三极管q1的发射级、三极管q2的集电极相连，三极管q1的集电极连接5v电源，三极管q2的发射级接地，三极管q1的基极和三极管q2的基极皆通过电阻r22与第一mcu24的pwma_l端口连接；第一逆变芯片的第二输入端与三级管q3的发射极、三极管q4的集电极相连，三极管q3的集电极连接5v电源，三极管q4的发射级接地，三极管q3的基极和三极管q4的基极皆通过电阻r32与第一mcu24的pwma_h端口连接；第二逆变芯片的输出端与次级线圈21相连，第二逆变芯片的第一输入端与三极管q5的发射级、三极管q6的集电极相连，三极管q5的集电极连接5v电源，三极管q6的发射级接地，三极管q6的基极和三极管q7的基极皆通过电阻r23与第一mcu24的pwmb_l端口连接；第二逆变芯片的第二输入端与三极管q7的发射级、三极管q8的集电极相连，三极管q7的集电极连接5v电源，三极管q8的发射级接地，三极管q7的基极和三极管q8的基极的公共端通过电阻r31与第一mcu24的pwmb_h端口连接。

逆变的频率由四路控制信号控制，逆变输出的四路控制信号由第一mcu24的定时器控制，逆变控制信号是两组相位相反、带有死区pwm控制的信号。两个ao4616构成全桥逆变电路，三极管q1-q8构成四个mos管的驱动电路，由定时器的四路pwm输出通过输出pwm信号控制mos管实现逆变，以实现dc到ac的变化。

如图6所示，电流检测电路26包括lm324、电阻r2、电阻r15、电阻r18、电阻r21、电容c3、电容c10；电阻r15与lm324的引脚10相连；电容c10一端接地，另一端与lm324的引脚10相连；lm324的引脚9与电阻r21相连，电阻r21与接地端相连；lm324的引脚9与引脚8之间串联有电阻r18，lm324的引脚8与电阻r2相连，电阻r2与电容c3相连，电容c3与接地端相连。

电流检测电路26通过在电路中串联50mω的采样电阻，将两端的电压通过同相比例放大电路进行放大，将放大后的电压值经过ad转换，即可计算出电流的大小或者判断电流的变化。通过电流的大小，一方面可以得到当前传输功率的大小，另一方面，无线充电发射器2通过初级线圈21的电磁感应引起的微小电流变化，快速感应到物体的存在，进而实现对无线充电接收器3的快速识别。

如图5所示，解码电路25包括四运算放大器lm324、二极管d3、电阻r47、电容c37、电容c36、电阻r56、电阻r62、电阻r68、电阻r57，二极管d3负极与电容c37、电阻r49的一端相连，电容c37、电阻r49的另一端接地，二极管d3的负极还通过电容c36连接lm324的引脚7；lm324的引脚1和引脚2皆与电阻r56的一端相连，电阻r56另一端与lm324的引脚5相连，电阻r56和lm324的引脚5之间的连接点还通过电容c41、电容c43、电阻67与lm324引脚6相连，lm324的引脚6和引脚7之间串联有电阻r68；lm324的引脚7与电阻r62相连，电阻r62通过电阻r63与lm324的引脚13相连，电阻62通过电阻r65与lm324的引脚12相连，lm324的引脚13与引脚14之间串联有电阻r57，lm324的引脚14与第一mcu24相连。

解码电路25将信号从线圈上引出后，先通过包络检波电路，经过一个电压跟随器和一个高增益的带通滤波器后，进入由运放构成的比较器，输出数字信号波形为解调后的信号，最后输送到第一mcu24，至此解调电路25就完成电平信号的提取。

如图3所示，无线充电接收器3包括次级线圈31、整流电路32、第二mcu33、第二电源电路34、负载调制电路35和第二过温保护电路36。

其中，次级线圈31用于感应初级线圈21产生的交变电磁场产生交变电流，次级线圈31通过整流电路32与第二电源电路34相连，整流电路32用于将次级线圈31产生的交变电流转变为直流电，第二电源电路34为第二mcu33、传感器模块1供电，传感器模块1与第二mcu33相连以用于反馈数据，负载调制电路35一端与第二mcu33相连，另一端与次级线圈31相连，以用于将第二mcu33发送的数字信号转换成载波信号通过次级线圈31发出，传感器模块1与整流电路32之间设置有dc-dc电路37，dc-dc电路37用于调整输出电压以满足不同的传感器需求，第二过温保护电路36与第二mcu33相连以用于监测无线充电接收器3内部温度，其原理是过温保护电路通过ldo产生一个基准电压，采用ntc电阻与标准电阻的分压得到当前的温度值，当第二mcu33监测到温度值过高时，系统产生安全保护直至系统停止工作。

如图7所示，整流电路32包括二极管d1、二极管d3、mos管q1、mos管q2、电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c6、电容c8、电容c9、电阻r2、电阻r3、电阻r10、电阻r11；次级线圈31的一端与并联的电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c9的一端相连，二极管d1的正极与并联的电容c1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c9的另一端相连，次级线圈31的另一端与二极管d3的正极相连，二极管d1的正极与二极管d3的正极之间串联有电容c8，二极管d1的负极与二极管负极的公共端通过电容c6接地,二极管d1的负极与二极管负极的公共端与电阻r2相连，电阻r2通过电阻r3接地；mos管q1的源极s接地，mos管q1的栅极g通过电阻r11与接地端相连，mos管q1的栅极g与mos管q2的漏极d相连，mos管q1的栅极g与mos管q2的漏极d的公共端与次级线圈31的l1端相连，mos管q1的漏极d与mos管q2的栅极g、二极管d1的正极相连，mos管q2的栅极g通过电阻r10与接地端相连。

整流电路32通过次级线圈31感应到的交流电经过全波整流装置转变为直流电。整流电路32通过两个开关mos，两个整流二极管完成全波整流。当次级线圈31两端的电压一高一低时，例如l1高，l2低，则开关mos管q2导通，l2点对地短接，开关mos管q1断开，l1端的高电压经过d1整流至dc_out点，完成了一个闭合回路；同理，当l1低、l2高时，同样能够完成整流。

如图8所示，负载调制电路35包括mos管q3、mos管q4、电容c13、电容c14和电阻r14；mos管q3的栅极g、mos管q4的栅极g皆与电阻r14的一端相连，mos管q3的源极s、mos管q4的源极s和电阻r14的另一端均接地；mos管q3的漏极d通过电容c13连接次级线圈31的一端，mos管q4的漏极d通过电容c14连接次级线圈31的另一端。

负载调制电路35利用现有的逆变产生的载波信号，将需要发送的信息加载到电能传输通道上，实现无线充电接收器3对无线充电发射器2的通讯功能。通过使次级线圈31两端的组合电容容值发生变化，从而引起阻抗特性发生变化来完成调制。

本发明采用基于qi协议的无线充电发射器和无线充电接收器来完成数据采集端的供电，数据采集端无需配备干电池、纽扣电池等电池设备，解决了后期更换维护的不便，适用于许多不宜更换的实际应用场景。另外，通过qi协议和负载调制技术，在qi协议的基础上进行了扩展，利用qi协议的专享数据包传送通信数据。在实现qi协议的bit解码上，解码bit电平是否有上升沿、下降沿时，通过读取200us和300u的电平值，可靠的对每一bit数据解码，通过无线充电接收器3和无线充电发射器2即可完成通信，无需额外配置无线传输模块，节省成本的同时，不占用空间频率资源，不会对其它无线通信设备产生影响。

最后，当无线充电接收器3不存在时无线充电发射器2处于低功耗模式。无线充电发射器2对于无线充电接收器3每500ms进行1ms的识别，通过监测电流的微小变化，快速识别无线充电接收器3的存在。本设备通常处于关闭状态，由数据接收端控制决定系统是否开始工作，当需要工作时才开始给传感器模块供能，灵活的工作方式避免了不必要的能量损失。通过过温保护电路不断检测自身温度，当温度过高时自动停止工作，防止了因为设备过热而引起的安全隐患。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。