基于ZYNQ平臺的測發(fā)控無線供電系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張 坤，柴 波，王曉潔，張 鑫，馬元元

(西安微電子技術研究所，西安 710054)

0 引言

伴隨著航空技術的發(fā)展，航天電源需求不斷增加，在地面測發(fā)控系統(tǒng)中，各種設備電能的傳輸主要通過線纜進行傳輸[1]。這種有線的傳輸方式帶來很多不便。電能傳輸過程中可能因老化、摩擦等因素直接影響各種用電設備的安全和壽命，隨著測發(fā)控系統(tǒng)復雜度的提高，各種設備的供電需求不同，設備移動范圍在供電時受有線的限制，不僅使得系統(tǒng)臃腫，在密閉絕緣的環(huán)境下帶來各種不便。近幾年無線電能傳輸受到越來越多的重視，無線電能傳輸迅速發(fā)展，為上述問題的解決帶來很好的契機。

ZYNQ-7000 SoC系列集成 ARM 處理器的軟件可編程性與 FPGA 的硬件可編程性，可實現(xiàn)重要分析與硬件加速，使軟硬件設計更加靈活、可靠。

本文根據(jù)無線電能傳輸理論[2]，設計一種基于ZYNQ平臺的無線供電方案，有利于接口標準化，便于實現(xiàn)自動化和無人操作，可以避免高壓觸電危險，實現(xiàn)密閉環(huán)境下供電，也可適應多種惡劣環(huán)境和天氣。

1 系統(tǒng)結構及原理

目前主要有3種無線電能傳輸方式：電磁感應式、微波輸能、電磁場諧振方式。在本文中，系統(tǒng)利用電磁感應原理[3]，實現(xiàn)電能以無線的方式從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，發(fā)射端和接收端各有一個線圈，電能通過發(fā)送端線圈產生交變磁場，耦合到接收端線圈，最后通過接收端輸出到供電設備。可以將電能發(fā)送端與接收端的組成結構看作變壓器。在某個確定頻率下，線圈工作在諧振頻率點，由于發(fā)送和接收端線圈的諧振頻率相同，所以能高效地傳輸能量。結構原理如圖1所示。

圖1 電磁感應原理

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體結構

如圖2所示，本系統(tǒng)采用模塊化設計，整個系統(tǒng)由發(fā)送端(TX)和接收端(RX)組成，其中發(fā)送端由供電電源和TI公司的電源芯片BQ500215為核心的發(fā)射模塊組成，接收端主要以賽靈思公司(XiIinx)的Zynq-7000 soc為核心的控制模塊和以TI的電源芯片BQ51025為核心的接收模塊組成。

圖2 系統(tǒng)總體結構原理圖

BQ500215和BQ51025是美國德州儀器公司(Ti)制造的無線電源芯片，符合無線電源聯(lián)盟WPC標準[4]，經過Qi認證[5]。BQ500215為無線功率發(fā)射模塊芯片，BQ51025為無線功率接收芯片。

系統(tǒng)為滿足測發(fā)控設備要求，對小型功率器件進行無線供電，主要設計參數(shù)要求能夠為負載輸出10 W以內功率，并可調節(jié)負載電壓4～10 V的范圍變化，使得接收端在10 mm以內的供電傳輸效率能夠至少滿足60%以上。

整個方案以接收端為控制中心，一方面發(fā)送端能夠自動探測識別接收端的信息；另一方面可以控制接收模塊向發(fā)射器進行識別匹配、功率申請，設置接收模塊的輸出電壓，建立傳輸協(xié)議，并實時收集負載的功率信息，計算處理后可以得知系統(tǒng)狀態(tài)，通過系統(tǒng)頻率、傳輸效率等信息，分析處理發(fā)射端與接收端不同距離位置下的供電變化情況。此外，系統(tǒng)外接LED 指示燈指示供電狀態(tài)。

2.2 發(fā)射端電路結構

圖3為發(fā)射端電路結構框圖，電路主要包括電源、數(shù)字控制器BQ500215、發(fā)送線圈、全橋式逆變電路和反饋電路。

圖3 發(fā)射端電路結構

1)在本系統(tǒng)中，輸入電源電壓為12 V,在電源輸入端加入LDO(低壓差線形穩(wěn)壓器)，它通常具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比，以保證電源電壓的恒定和實現(xiàn)有源噪聲濾波。發(fā)射端線圈為符合無線充電聯(lián)盟WPC標準的線圈，適用于12 V系統(tǒng)輸入電壓。

BQ500215需要3.3 V電壓運行，電源通過降壓轉換器TPS54231D將電源電壓轉換為3.3 V。

2)無線功率發(fā)射模塊的作用是將直流電逆變成交流電并調制相應的數(shù)據(jù)信息以便通過發(fā)射線圈傳輸給無線功率接收模塊。系統(tǒng)無線供電的逆變電路為全橋式逆變電路。逆變電路將DC直流輸入逆變成AC交流波形，進而驅動由發(fā)射線圈與諧振電容組成的諧振電路。

Ti公司的CSD97374Q4M功率器件是經過高度優(yōu)化的設計，用于高功率、高密度場合的同步降壓轉換器，支持三態(tài)PWM輸入。兩個對稱的半橋功率級組成一個全橋逆變電路，BQ500215通過驅動全橋功率級來驅動線圈組，全橋電路的PWM頻率由BQ500215產生的PWM-A和PWM-B信號控制，同時BQ500215產生PWM信號(VRAIL_PWM)控制外部功率級電路來調節(jié)電源電壓。

3)電流監(jiān)測器INA199A1將全橋電流信息反饋給BQ500215，確保電流處于合理的動態(tài)范圍內，具有過流保護作用。

2.3 接收射端電路結構

圖4為接收端電路結構，主要包括接收線圈、功率接收電路和ZYNQ-7000控制電路。

圖4 接收射端電路結構

功率接收電路的核心芯片為BQ51025，BQ51025具有輸出電壓調節(jié)和最大電流限制等功能。

ZYNQ-7000系列是一種基于Xilinx全可編程的可擴展處理平臺結構，其內部主要為雙核 ARM Cortex-A9多核處理器的處理系統(tǒng)PS(Processing Systyem)，基于Xilinx可編程邏輯資源的可編程邏輯系統(tǒng)PL(Programmable Logic)。PS包含片上存儲區(qū)、外部存儲器和豐富功能的外設，PL提供了用戶可配置能力的豐富結構，可通過PS-PL接口實現(xiàn)PL內定制的外設(IP核)與PS內Cortex-A9雙核處理器及相關資源的連接。

ZYNQ處理器可通過C的IP核與BQ51025進行通訊，可完成一系列電源控制管理功能，例如設置輸出電壓，對電流限制引腳ILIM進行編程設置最大電流限制，讀取系統(tǒng)線圈頻率、接收功率、整流電壓等。

在本系統(tǒng)設計中，Zynq-7000 Soc的PS端包含處理器，DDR存儲器控制器和UART接口，在PL中，實現(xiàn)C總線接口。通過AXI接口，PS端處理器與PL端的C IP互聯(lián),從而與設備Bq51025進行通信，同時通過UART傳送信息和中斷處理，完成系統(tǒng)無線供電的控制管理?；赯ynq-7000 Soc的硬件結構設計如圖5所示。

上述硬件設計通過vivado軟件進行設計，包括ZYNQ-7000系統(tǒng)的搭建、綜合、布局布線、約束生成bit文件等步驟。軟件部分通過SDK來設計，最后嵌入式系統(tǒng)聯(lián)合調試。

接收線圈接收到發(fā)射線圈產生的能量后發(fā)生電磁感應，從而產生振蕩電壓，即獲得AC交流電，圖4中，AC1和AC2為接收交流電輸入接口，振蕩電壓通過AC1和AC2輸入BQ51025進行整流調制后輸出。獲得的直流電一方面給接收端上的元器件供電以組成電源回路，另一方面供給給負載電路使用。

通過BQ51025輸出的負載電壓Vout可以通過反饋電阻分路來設置，即設置VO_REG，Vout與VO_REG的電壓存在如下式關系，

(1)

(2)

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)工作流程

整個系統(tǒng)工作流程如圖6所示有4個階段。

圖6 系統(tǒng)工作流程

1)選擇階段：該階段TX會探測線圈上是否有金屬物體存在，一旦探測到有金屬物質存在就進入Ping階段。具體探測方法如下：在該階段TX定時在發(fā)射線圈發(fā)送一個短時間的PWM輸入，然后關閉發(fā)送信號后延遲0～1 000 μs再采樣線圈上的電流值，如果采樣到的電流值大于實驗設定的閾值，則判定線圈上有金屬物體存在，否則不存在。

2)Ping階段：在該階段，TX會給發(fā)射線圈一定時間的供電，RX會在一定時間內返回一個數(shù)字Ping信號，當TX收到正常的ping信號后就進入識別與配置階段,否則就取消ping信號，系統(tǒng)就返回到選擇階段。

3)信息配置階段：在該階段，RX會傳輸配置信息，主要為配置信息包，TX在收到正確的配置信息后進入功率傳輸階段，如果沒有收到信息或者數(shù)據(jù)信息不正確，系統(tǒng)狀態(tài)就返回到選擇階段。

4)功率傳輸階段：此階段系統(tǒng)處于正常的能量傳輸階段。在此過程中如果出現(xiàn)信息包傳輸錯誤、供電完成的情況，系統(tǒng)就返回到選擇階段。

能量傳輸中，TX、RX形成閉環(huán)，通過TX調節(jié)占空比來控制能量傳輸。

上述中的數(shù)據(jù)包格式如表1所示，由以下幾部分組成：

表1 數(shù)據(jù)包格式

Preamble ：引導碼，為 11～25個二進制數(shù)字“1”。

Header：包頭，一個字節(jié)；

Message：數(shù)據(jù)信息，由包頭信息決定；

Checksum ：校驗碼，一個字節(jié)。

系統(tǒng)通主要通過軟件中斷來讀取數(shù)據(jù)包并解析，然后保存并發(fā)送。主要數(shù)據(jù)包有：整流數(shù)據(jù)包、錯誤數(shù)據(jù)包、供電狀態(tài)包、能量傳輸結束包、專有數(shù)據(jù)包、保留數(shù)據(jù)包。

在功率傳輸階段，系統(tǒng)控制回路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制回路

功率傳輸中通過PID 算法控制工作頻率和占空來使系統(tǒng)達到期望的工作點。發(fā)射模塊與接收模塊之間主要通過錯誤數(shù)據(jù)包來進行調節(jié)。錯誤數(shù)據(jù)包為接收模塊當前的實際控制點與期望控制點差值，即為系統(tǒng)誤差值，功率接收模將錯誤數(shù)據(jù)包反饋到發(fā)射模塊。發(fā)射模塊通過系統(tǒng)誤差值調節(jié)發(fā)射線圈的交流信號的幅值、頻率、占空比等使系統(tǒng)工作在期望的工作點。

3.2 ZYNQ控制程序流程

當功率發(fā)送器識別到接收設備存在時，以ZYNQ-7000為控制核心的接收端程序流程如圖8所示。

圖8 ZYNQ控制程序流程

當發(fā)送端識別到接收端時，程序開始進入初始化，主要對底層過C的IP核以及接收端的各種寄存器進行初始化。然后接收端進入低功率等待狀態(tài)，一方面減少不必要的損耗；另一方面程序進入串口中斷，并等待輸入接收端的配置信息，表示如下：

功率模式：PMODE:Aw，即最大接收功率。A為輸入值。

目標電壓值，VOUT:Bv。B為輸入值。

最大電流限制，LIIM:C%，C為輸入值，系統(tǒng)輸出電流最大為Imax，這里C為最大電流的百分比，具體可為10%,20%,30%,40%,50%,60%,80%,和100%。

上述階段相當于系統(tǒng)的識別和配置階段。當配置信息設置成功后，自動建立傳輸協(xié)議，系統(tǒng)進入功率傳輸階段。在這個階段，程序會依次按一定的時間間隔，不斷采集系統(tǒng)的供電狀態(tài)信息，主要包括以下：

1)接收功率采集；

2)功率信號頻率采集；

3)整流電壓值采集；

4)輸出電壓值采集。

以上各信息的采集均通過封裝的單個函數(shù)來實現(xiàn)。這些狀態(tài)信息會通過串口發(fā)送到上位機顯示，同時程序會發(fā)送控制錯誤包、接收功率包，以達到在功率傳輸階段能夠調整供電設備的能量需求。

在功率傳輸?shù)耐瑫r，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)包發(fā)送錯誤、功率突變異常狀態(tài)或者傳輸結束時，系統(tǒng)會中斷功率傳輸，返回初始等待狀態(tài)。其中功率傳輸結束的指令可以直接在上位機通過串口輸入發(fā)送。如果接收端已經斷開了它的輸出負載，那么接收端仍舊需要確保它能夠從發(fā)射端得到足夠的功率，以便接收端對發(fā)射端的通信依舊能夠正常進行。

4 實驗結果與分析

將發(fā)射端接入12 V的穩(wěn)壓源，此時供電指示燈正常點亮，綠燈快速不停閃爍，表示發(fā)射器正在探測是否有接收器存在，在不接入負載的情況下，將接收裝置置于發(fā)射端線圈的中間位置。發(fā)射端綠燈閃爍減慢同時發(fā)出嗶嗶聲，接收端指示燈亮起，表明正確識別到接收設備。

接收設備接入最大功率50 W，阻值10 的負載，設置電流限制為100%Imax。實驗主要對輸出電壓控制和系統(tǒng)傳輸效率進行驗證分析。

圖9表示接收端的整流電壓和輸出電壓調制狀態(tài)，從圖中可以看出整流電壓、輸出負載電壓分別與期望目標電壓近似1∶1，表明輸出電壓控制符合預期效果。由于整流電壓直接將發(fā)射端傳輸?shù)慕涣麟妷哼M行整流調制，所以略大于接收端輸出電壓。

圖9 接收端電壓

電路功率包括發(fā)射端的發(fā)送功率、接收端的接收功率及接收端的輸出功率。接收端的接收功率是從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩说?，接收端的輸出功率是從接收端輸出給負載的，由于電路中存在各種損耗，一般來說，發(fā)送功率>接收端的接收功率>接收端的輸出功率。隨著負載的不同情況下的變化，系統(tǒng)傳輸效率變化情況如圖10所示。

圖10 功率傳輸效率變化

在圖10(a)中可以看出在發(fā)送端和接收端線圈表面貼近的距離下接收效率平均在90%以上，輸出效率平均在80%以上，達到了很好的電能傳輸效果。

當逐漸增大發(fā)送端和接收端線圈表面距離時，傳輸效率變化如圖10(b)所示，可以看出隨著距離增大，效率降低，當間距超過1.5 cm后效率驟降，當達到2 cm時效率幾乎為0。

上述說明電磁感應式傳輸在距離較短時傳輸效率非常高，但同時對距離變化非常敏感。

5 結束語

本文針對測發(fā)控系統(tǒng)中各種設備有線電能傳輸?shù)膸淼牟槐愫蛦栴}，以無線電能傳輸理論為基礎，利用TI的無線電源芯片設計一種無線功率傳輸設備，并通過ZYNQ-7000 SOC的控制管理，實現(xiàn)了一種便攜化、智能化的無線供電系統(tǒng)，通過系統(tǒng)驗證，證明系統(tǒng)能夠完成很好的電能傳輸控制，并且達到了較高的效率。由于目前的研究只是小功率條件下的機理驗證，在未來的工程應用中還需增大功率、加長傳輸距離，同時也可以利用藍牙、wifi等無線的通信方式實現(xiàn)遠程的控制。