專利名稱：一種無線無源測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線無源領域，特別涉及一種無線無源測量裝置。
背景技術：
現(xiàn)代測量技術的發(fā)展，使得很多物理量的直觀測量成為了可能，例如壓力、溫度、濕度和流量等。但很大的一個限制是需要通過導線進行能量的供給以及數(shù)據(jù)的讀取，對于測量容器內部、動物或人體內部某個部位的一些物理量的應用十分不利。中國實用新型專利“一種無線無源測量電路”(公開號CN201629035U，
公開日2010年11月10日)提供了一種無線無源的測量電路，即通過可控電容或者電感實現(xiàn)對物理量的測量，但此種測量方式可測量的物理量較少、一次只能測量一個物理量且難以實現(xiàn)持續(xù)測量。中國實用新型專利“一種無線無源測量設備”(公開號CN201964897U，
公開日2011年9月7日)提出了無線無源測量的一種優(yōu)化方案，即通過定時刷新顯示數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)節(jié)能從而提高系統(tǒng)的工作時間，但未能給出具體的能量來源以及能量轉換的實現(xiàn)方式。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種無線無源測量裝置，解決了由于連接導線對應用范圍的限制；同時可以持續(xù)測量多個物理量并給出了具體的能量來源以及能量轉換的實現(xiàn)方式，詳見下文描述一種無線無源測量裝置，包括外部控制電路和無線無源測量電路，所述外部控制電路包括第一微控制器，所述第一微控制器通過倍壓功率驅動模塊控制電源的輸入；所述電源依次經過所述倍壓功率驅動模塊和初級線圈為所述無線無源測量電路供電；所述第一微控制器通過第一無線模塊實現(xiàn)和所述無線無源測量電路之間的通訊；所述無線無源測量電路包括次級線圈，所述次級線圈將電能耦合進整流充電管理模塊，并存儲在法拉電容中；經過穩(wěn)壓電路為第二微控制器和傳感器模塊供電；所述第二微控制器通過電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，并通過所述外部控制電路進行充電；所述傳感器模塊獲取測量的物理量，在所述第二微控制器的控制下通過第二無線模塊傳輸給所述外部控制電路，實現(xiàn)對物理量的無線無源測量。所述第二微控制器通過電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，并通過所述外部控制電路進行充電具體為所述第二微控制器通過所述電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，當所述法拉電容的充電電壓高于第一預設值或者放電電壓低于第二預設值時，所述第二微控制器通過所述第二無線模塊發(fā)出控制信息至所述第一無線模塊，所述第一無線模塊將所述控制信息傳輸至第一微控制器；所述第一微控制器通過控制所述倍壓功率驅動模塊停止對所述法拉電容的充電或者進行充電。所述倍壓功率驅動模塊采用全橋的H橋驅動電路，將所述第一微控制器輸出的脈沖電平轉換為高電壓的脈沖電平。所述全橋的H橋驅動電路選用四個N型的MOS管。所述穩(wěn)壓電路包括將脈沖信號轉換為電壓信號的轉換電路，所述轉換電路將電壓信號傳輸至電壓反饋模塊，所述電壓反饋模塊的正極性端通過可控單刀雙擲開關接參考電壓；負極性端接Buck-Boost電路穩(wěn)壓后電壓的分壓；所述電壓反饋模塊的輸出端接PWM驅動模塊，所述PWM驅動模塊輸出一定頻率和占空比的脈沖波形并加到所述Buck-Boost電路上,所述Buck-Boost電路輸出穩(wěn)定的電壓。所述可控單刀雙擲開關接參考電壓具體為·所述可控單刀雙擲開關接固定參考電壓VREF，或，所述可控單刀雙擲開關接所述第二微控制器輸出的脈沖波形。所述第一微控制器和第二微控制器為低功耗微控制器。所述第一微控制器和第二微控制器為CC430系列，集成有無線射頻收發(fā)模塊。當所述傳感器模塊輸出為模擬信號，則通過放大或跟隨后直接輸入到所述第二微控制器的AD轉換接口 ；若所述傳感器模塊輸出為數(shù)字信號，則通過所述第二微控制器的IO接口讀取所述傳感器模塊的輸出信號。本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是I)通過采用法拉電容從而解決充電過程中電磁波對無線模塊造成干擾的問題，即可以在充電過程中暫停數(shù)據(jù)收發(fā)而在充電過程完成后再繼續(xù)數(shù)據(jù)的收發(fā)過程；同時由于法拉電容可以反復充電且不影響其充放電的能力，從而增大了無線無源測量裝置使用壽命和適用性；2)通過采用外部控制電路和無線無源測量電路兩部分使其應用在一些無法使用導線進行能量傳輸和信號讀取的場合；并且通過傳感器模塊和第二微控制器的設計使得實際工作時，可以測量多個模擬或數(shù)字的物理量；3)當倍壓功率驅動模塊采用全橋的H橋驅動電路時，提高了能量傳輸?shù)男?、縮短了充電時間，減小了充電時高頻電磁信號造成的干擾；并且當選用的四個N型的MOS管時，進一步提聞了電路的效率；4)當采用本發(fā)明提供的穩(wěn)壓電路時，實現(xiàn)了對傳感器模塊和第二微控制器的穩(wěn)定供電；當可控單刀雙擲開關輸入第二微控制器輸出的脈沖波形時，擴大了電壓的輸出范圍，從而可以更好的為傳感器模塊提供穩(wěn)定的工作電壓。


圖I為無線無源測量裝置的電路示意圖；圖2為倍壓功率驅動模塊的電路示意圖；圖3為整流充電管理模塊的電路示意圖；圖4為穩(wěn)壓電路模塊的電路示意圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下I:電源；2:第一微控制器；
3 :倍壓功率驅動模塊；4 :第一無線模塊；5 :初級線圈；6 :次級線圈；7:整流充電管理模塊；8:法拉電容；9:穩(wěn)壓電路；10:第二無線模塊；11 :第二微控制器；12 :傳感器模塊；13:電壓監(jiān)控模塊；14 :全橋二極管整流電路；15 :穩(wěn)壓管；16 :Buck_Boost 電路；
17 =PWM驅動模塊；18 電壓反饋模塊；19:轉換電路；20:可控單刀雙擲開關。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。法拉電容是上世紀七、八十年代發(fā)展起來的一種新型的儲能裝置，具有功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、綠色環(huán)保無污染等眾多優(yōu)點，它的應用可以進一步提高無線無源測量設備的應用范圍和使用時間。為了解決由于連接導線對應用范圍的限制；同時可以持續(xù)測量多個物理量并給出了具體的能量來源以及能量轉換的實現(xiàn)方式，參見圖I和圖2，一種無線無源測量裝置，包括外部控制電路和無線無源測量電路，外部控制電路包括第一微控制器2，第一微控制器2通過倍壓功率驅動模塊3控制電源I的輸入；電源I依次經過倍壓功率驅動模塊3和初級線圈5為無線無源測量電路供電；第一微控制器2通過第一無線模塊4實現(xiàn)和無線無源測量電路之間的通訊；無線無源測量電路包括次級線圈6，次級線圈6將電能耦合進整流充電管理模塊7，并存儲在法拉電容8中；經過穩(wěn)壓電路9為第二微控制器11和傳感器模塊12供電；第二微控制器11通過電壓監(jiān)控模塊13實時檢測法拉電容8的充放電電壓，并通過外部控制電路進行充電；傳感器模塊12獲取測量的物理量，在第二微控制器11的控制下通過第二無線模塊10傳輸給外部控制電路，實現(xiàn)對物理量的無線無源測量。其中，第二微控制器11通過電壓監(jiān)控模塊13實時檢測法拉電容8的充放電電壓，并通過外部控制電路進行充電具體為第二微控制器11通過電壓監(jiān)控模塊13實時檢測法拉電容8的充放電電壓，當法拉電容8的充電電壓高于第一預設值或者放電電壓低于第二預設值時，第二微控制器11通過第二無線模塊10發(fā)出控制信息至第一無線模塊4，第一無線模塊4將控制信息傳輸至第一微控制器2 ;第一微控制器2通過控制倍壓功率驅動模塊3停止對法拉電容8的充電或者進行充電。具體實現(xiàn)時，第一預設值和第二預設值根據(jù)實際應用中的需要進行設定，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不做限制。其中，外部控制電路通過倍壓功率驅動模塊3產生一定幅值的高頻脈沖信號并通過初級線圈5產生高頻共振電磁場，該高頻共振電磁場耦合至無線無源測量電路為其供電，初級線圈5和次級線圈6之間構成了松耦合變壓器。
參見圖2，倍壓功率驅動模塊3采用的是全橋的H橋驅動電路，從而將第一微控制器2輸出的脈沖電平轉換為高電壓的脈沖電平，以提高能量傳輸?shù)男?、縮短充電時間，減小充電時高頻電磁信號造成的干擾。同時，為了減小MOS管工作時的靜態(tài)電流，降低整體功耗，全橋的H橋驅動電路選用的是四個N型的MOS管，在任何時刻，總有一對MOS管處于壓降為零(“導通”)，一對MOS管處于電流為零(“關斷”)的狀態(tài)，理論上不會損失能量，從而大大提高了電路的效率。參見圖3，整流充電管理模塊7由全橋二極管整流電路14和穩(wěn)壓管15組成，全橋二極管整流電路14將次級線圈6耦合的交流電整流為直流電；穩(wěn)壓管15對直流電進行穩(wěn)壓，防止直流電壓過大超過法拉電容8的額定電壓上限而損壞法拉電容8。參見圖4，穩(wěn)壓電路9的輸入電壓為法拉電容8的輸出電壓，根據(jù)法拉電容8的放電曲線，穩(wěn)壓電路9的輸入電壓不是一個穩(wěn)定電壓且有可能低于第二微控制器11和傳感器模塊12正常工作所需的電壓。
為了能夠為第二微控制器11和傳感器模塊12提供穩(wěn)定的電源，穩(wěn)壓電路9包括將脈沖信號轉換為電壓信號的轉換電路19，轉換電路19將電壓信號傳輸至電壓反饋模塊18，電壓反饋模塊18的正極性端通過可控單刀雙擲開關20接參考電壓；負極性端接Buck-Boost(升降壓穩(wěn)壓)電路16穩(wěn)壓后電壓的分壓；電壓反饋模塊18的輸出端接PWM(脈沖寬度調制)驅動模塊，PWM驅動模塊輸出一定頻率和占空比的脈沖波形并加到Buck-Boost電路16上，Buck-Boost電路16輸出穩(wěn)定的電壓。其中，可控單刀雙擲開關20接參考電壓具體為可控單刀雙擲開關20接固定參考電壓VREF，或，接第二微控制器11輸出的脈沖波形。實際應用時，可控單刀雙擲開關20默認閉合于參考電壓VREF端，但可以通過第二微控制器11選擇閉合至Vio端，VIO端輸入第二微控制器11輸出的脈沖波形，通過轉換電路19可以轉換為電壓信號進而通過電壓反饋模塊18控制PWM驅動模塊17輸出一定的波形使Buck-Boost電路16輸出穩(wěn)定的電壓,這樣在保證為第二微控制器11供電的同時,對傳感器模塊進行了更好的供電，擴大了輸出電壓的范圍。為了降低器件的功耗,第一微控制器2和第二微控制器11優(yōu)選為低功耗微控制器。當?shù)谝晃⒖刂破?和第二微控制器11的型號為CC430系列時，I)可以選擇為微控制器中各個模塊供電，很好的實現(xiàn)了低功耗的目的；2)由于CC430系列的低功耗微控制器具有較大的flash存儲空間，因此可以將無線無源檢測電路所測得的數(shù)據(jù)暫時存儲在內部的flash中，從而可以在較長的時間內通過軟件選擇不給CCllOl無線射頻模塊供電，而在存儲了一定數(shù)據(jù)后再供電并傳輸數(shù)據(jù)，即縮短無線射頻模塊的上電時間，降低整體功耗；3)第一微控制器2和第二微控制器11集成有無線射頻收發(fā)模塊，無需另設第一無線模塊4和第二無線模塊10，節(jié)省了成本。例如第一微控制器2和第二微控制器11優(yōu)選CC430系列超低功耗單片機中的CC430F5137，其自帶DA和AD轉換模塊；內部集成有CCllOl無線射頻模塊。由于有穩(wěn)定的電源I供電且無線無源檢測電路具有第二微控制器11，傳感器模塊12可以為測量任何物理量的電氣傳感器，若傳感器模塊12的輸出為模擬信號則可以通過放大或者跟隨后直接輸入到第一微控制器11的AD轉換接口上從而是實現(xiàn)對物理量的測量；若傳感器模塊12的輸出為數(shù)字信號，則可通過第二微控制器11的數(shù)字IO 口讀取傳感器模塊12的輸出信號進而實現(xiàn)測量的功能。 本領域技術人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內 。
權利要求
1.一種無線無源測量裝置，包括外部控制電路和無線無源測量電路，其特征在于， 所述外部控制電路包括第一微控制器，所述第一微控制器通過倍壓功率驅動模塊控制電源的輸入；所述電源依次經過所述倍壓功率驅動模塊和初級線圈為所述無線無源測量電路供電；所述第一微控制器通過第一無線模塊實現(xiàn)和所述無線無源測量電路之間的通訊； 所述無線無源測量電路包括次級線圈，所述次級線圈將電能耦合進整流充電管理模塊，并存儲在法拉電容中；經過穩(wěn)壓電路為第二微控制器和傳感器模塊供電；所述第二微控制器通過電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，并通過所述外部控制電路進行充電；所述傳感器模塊獲取測量的物理量，在所述第二微控制器的控制下通過第二無線模塊傳輸給所述外部控制電路，實現(xiàn)對物理量的無線無源測量。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述第二微控制器通過電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，并通過所述外部控制電路進行充電具體為 所述第二微控制器通過所述電壓監(jiān)控模塊實時檢測所述法拉電容的充放電電壓，當所述法拉電容的充電電壓高于第一預設值或者放電電壓低于第二預設值時，所述第二微控制器通過所述第二無線模塊發(fā)出控制信息至所述第一無線模塊，所述第一無線模塊將所述控制信息傳輸至第一微控制器；所述第一微控制器通過控制所述倍壓功率驅動模塊停止對所述法拉電容的充電或者進行充電。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述倍壓功率驅動模塊采用全橋的H橋驅動電路，將所述第一微控制器輸出的脈沖電平轉換為高電壓的脈沖電平。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述全橋的H橋驅動電路選用四個N型的MOS管。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓電路包括將脈沖信號轉換為電壓信號的轉換電路， 所述轉換電路將電壓信號傳輸至電壓反饋模塊，所述電壓反饋模塊的正極性端通過可控單刀雙擲開關接參考電壓；負極性端接Buck-Boost電路穩(wěn)壓后電壓的分壓；所述電壓反饋模塊的輸出端接PWM驅動模塊，所述PWM驅動模塊輸出一定頻率和占空比的脈沖波形并加到所述Buck-Boost電路上,控制所述Buck-Boost電路輸出穩(wěn)定的電壓。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述可控單刀雙擲開關接參考電壓具體為 所述可控單刀雙擲開關接固定參考電壓VREF，或， 所述可控單刀雙擲開關接所述第二微控制器輸出的脈沖波形。
7.根據(jù)權利要求I或2所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述第一微控制器和第二微控制器為低功耗微控制器。
8.根據(jù)權利要求I或2所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，所述第一微控制器和第二微控制器為CC430系列，集成有無線射頻收發(fā)模塊。
9.根據(jù)權利要求I或2所述的一種無線無源測量裝置，其特征在于，當所述傳感器模塊輸出為模擬信號，則通過放大或跟隨后直接輸入到所述第二微控制器的AD轉換接口 ；若所述傳感器模塊輸出為數(shù)字信號，則通過所述第二微控制器的IO 口讀取所述傳感器模塊的 輸出信號。
全文摘要
一種無線無源測量裝置，第一微控制器通過倍壓功率驅動模塊控制電源的輸入；電源依次經過倍壓功率驅動模塊和初級線圈為無線無源測量電路供電；第一微控制器通過第一無線模塊實現(xiàn)和無線無源測量電路之間的通訊；次級線圈將電能耦合進整流充電管理模塊，并存儲在法拉電容中；經過穩(wěn)壓電路為第二微控制器和傳感器模塊供電；第二微控制器通過電壓監(jiān)控模塊實時檢測法拉電容的充放電電壓，并通過外部控制電路進行充電；傳感器模塊獲取測量的物理量，在第二微控制器的控制下通過第二無線模塊傳輸給外部控制電路，實現(xiàn)對物理量的無線無源測量。本發(fā)明應用在一些無法使用導線進行能量傳輸和信號讀取的場合；并且可以測量多個模擬或數(shù)字的物理量。
文檔編號G01D21/00GK102944259SQ20121041296
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者李剛, 熊慧, 董錕, 林凌 申請人:天津大學