基于LabVIEW与DSP通信的无线电能传输无线监控设计

路燈杰， 张海燕， 俞高伟， 柳 毅， 金 月

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 201306；2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 电气所， 上海 200240)

随着无线电能传输技术的兴起，该技术在工业各个领域的应用前景广阔[1-2]。因其工作环境含有高频电磁场，金属会干扰传输的效率，并会对体内含有金属的人群造成伤害[3]。因此，对于无线电能传输监控系统的研究具有重要意义。目前大多数无线电能传输的研究并未考虑监控系统的详细设计，文献[4]阐述了无线电能传输在矿井监控系统中的应用前景，但并未介绍监控系统的设计。文献[5]设计了磁耦合式无线传输系统以及配套的监控系统，但其监控系统在通信协议的可靠性、应用场合的通用性、成本、速度和功能方面都存在不足之处。文献[6-7]分别分析了磁耦合谐振式无线电能传输的线圈优化和频率特性，但并未对无线电能传输系统的整体运行进行详细设计和实验验证。针对上述情况，本文基于1 kW以下的无线电能传输场景，设计一个基于LabVIEW与数字信号处理器(Digital Signal Processing, DSP)通信的无线电能传输无线监控系统。通过无线通信技术，高可靠性的Modbus协议，磁耦合谐振式无线充电技术，采用SiC器件实现大电流的高频逆变和整流，实现高效率、远距离的无线电能传输，并基于LabVIEW建立可视化监控界面实时监控系统工作状态和参数。系统实现无人作业环境、避免造成人体危害、保障无外物干扰其效率。其具有设计灵活、抗干扰能力强、测量精度高等优点，并且可维护性好，是一种安全、智能和经济的方案。

1 系统总体设计

系统设计包括：① 基于DSP和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)芯片组成CPU的下位机；② 基于LabVIEW设计的上位机，其总体结构如图1所示。主要功能包括：① 采用ESP8266wifi模块实现上位机与下位机建立基于Modbus协议的无线通信；② 可视化监控界面实时监控系统工作的各参数和运行状态，及时对紧急情况作出相应处理；③ DSP结合FPGA作为CPU输出高分辨率的MHz级别脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)脉冲，配合SiC器件实现高频逆变，进而实现高效率、远距离的无线电能传输；④ 带电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM)对系统运行参数的存储，保证再次通电保持之前的运行参数。

图1 系统总体结构

2 系统硬件电路设计

系统的硬件设计主要分为主控制器模块、传感器数据采集模块、无线收发模块、数据存储模块、无线电能传输模块。

2.1 主控制器模块

系统采用DSP+FPGA结合产生高分辨率的MHz脉冲。DSP型号为Ti公司的TMS320F28035，FPGA型号为ALTERA的EP4CE10F17C8N。完全满足本控制系统的数据采集、处理及控制要求。

2.2 传感器数据采集模块

为了监控系统的安全性，系统需对其工作环境的温度和湿度数据进行采集处理，故选用温湿度传感器进行检测。针对系统工作环境的温度、湿度监测的范围与精度，选取DHT11传感器。

2.3 无线收发模块

根据系统传输数据的功能需求，选取ESP8266Wifi模块用于上位机和下位机进行通信，可连接同一Wifi进行数据传输。优势在于传输速率高、成本低、体积小、功耗低，且十分便于调试开发。

2.4 数据存储模块

为防止系统出现异常后丢失运行的重要参数，本设计加入数据存储模块。模块使用Atmel公司的AT25128B型号EEPROM，通过DSP的SPI模块与EEPROM硬件连接并进行软件编程，将系统运行的高频脉冲的频率和死区等参数存入存储模块中。

2.5 无线电能传输模块

相比其他一般类别的无线电能传输技术[8-11]，本设计利用磁耦合谐振式无线充电原理；采用适合高频逆变的双E逆变器进行高频逆变，开关管采用CREE公司生产的SiC功率器件，最大电压UDS为900 V，导通电阻RDS(on)为65 mΩ，常温时最大导通电流ID为36 A，开通延迟时间td(on)为21 ns，上升时间tr为36 ns，关断延迟td(off)为28 ns，关断时间tf为25 ns，并联二极管的反向恢复时间为30 ns，一个周期运行需要的时间为110 ns，理论上最大运行频率近9 MHz；采用非隔离的高速驱动芯片；使用参数相同的平面螺旋线圈，同时采用COMSOL有限元分析软件分析线圈的电磁场分布；使用高速SiC功率二极管实现高频整流，型号为CREE公司的C4D30120D；使用大功率可调电容实现阻抗匹配。得到最大功率为1 kW的传输距离更远、功率更大、效率更高的无线电能传输系统。在高频逆变设计中，根据不同需求采用不同耐压值和耐流值的SiC开关管，得到不同最大功率的无线电能传输模块，整体设计如图2所示。首先，交流电源经过整流、降压电路之后得到可变直流电源；接着，直流电源经过双E逆变器得到高频逆变电源；然后，高频逆变电源经过谐振耦合将电能从原边无线传输到副边线圈；最后，经过高频整流和升降压电路得到可控的直流电供负载使用。其中，uac为系统交流输入电源，Uout为系统直流输出电源；原边整流电路由D1～D44个二极管组成；降压电路由开关管V1、二极管D5、电感L1和电容C1组成；高频逆变电路由开关管V2和V3、扼流电感L2和L3、旁路电容C2和C3组成；LⅠ和LⅡ分别为原边和副边的谐振电感，CⅠ和CⅡ分别是原边和副边的谐振电容，RⅠ和RⅡ为负载电阻；副边整流电路由D6～D74个二极管和电容C4组成；升降压电路由开光V4、电感L4、二极管D10、电容C5组成；R3为负载。

图2 无线电能传输主电路图

3 系统软件设计

3.1 上位机与下位机的通信协议

通信协议是上位机与下位机之间通信中不可或缺的，为了确保通信的稳定性和准确性，需要制定通信协议，包括基本通信协议与应用层数据协议[12]。上位机与下位机之间的数据通信为基本通信协议，其参数设定为:波特率(115 200)，数据位(8)，奇偶校验位(N)，停止位(1)。应用层数据协议采用Modbus协议，主要应用其读取寄存器(03)和写入寄存器功能(06、10)[13]。

3.2 LabVIEW上位机软件设计

本系统上位机是通过LabVIEW 2017进行开发，功能流程如图3所示。在系统开始工作之前，首先进行通信参数的配置并按下通信连接按钮，当无线通信正常时，设置相关运行参数，按下PWM开关，上位机向下位机发送开关指令使系统处于输出运行状态。与此同时上位机可以准确、实时接收到下位机回传的各种数据，将这些数据处理后反馈到前面板得到系统的运行状态和各类参数。

图3 上位机功能流程

3.2.1 前面板设计 根据系统的功能需要，本系统可视化监控界面的前面板包括控制面板和通信配置。控制面板界面包括通信连接、参数输入、模拟量监控、温湿度监控、PWM输出、状态监控和数据存储主要功能窗口；通信配置界面包括对波特率、校验位等通信参数的修改、以及实时监控发送和接收的详细数据及字节，如图4所示。

图4 系统可视化监控界面

3.2.2 后面板设计 LabVIEW后面板设计框架为两个while循环，各嵌套一个条件判断环。第1个while循环中包括1个触发条件，即通信连接以及通信参数的设置；第2个while循环包括设置发送和接收数据的时间和顺序、编写发送的数据、接收数据并分析计算、在前面板中显示数据、监控收发数据和关断时清空数据显示等功能。

当前面板设置好通信参数并按下连接按钮后，数据处理模块开始工作，在前面板各窗口可以进行操作并发送相应指令，如输入相应工作电压、频率、死区等设定值，并按下设置按钮，发送指令到下位机中，改变系统输出。同时将串口中读到的数据进行分解，随后数据进入数据显示条件判断框后进行状态灯和图表显示。简化后的程序框架如图5所示，包括通信连接模块、发送数据、接收数据、处理数据并显示数据的程序设计。其中，在写入基于Modbus协议的数据时，还需要使用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)子程序获取数值CRC的校验码，图中只显示个别指令。

图5 LabVIEW程序框图

3.2.3 LabVIEW串口程序设计 上位机软件程序设计使用到仪器I/O串口目录下的VISA打开、VISA配置串口、VISA设置I/O缓冲区大小、VISA清空I/O缓冲区大小、VISA写入、VISA读取等模块，通过这些软件自身集成的串口功能模块，能便捷地配置串口的通信参数并写入和读取数据[14-15]。

3.2.4 数据写入和顺序 可视化监控界面需要向下位机发送不同的指令数据，进而收到不同的系统数据，分析后得到系统运行的输出参数和状态，包括0X03读取、0X06写入等指令，故使用条件指令，按下前面板各窗口的功能按键，则触发不同的条件指令进而写入不同的数据发送到下位机。其中，PWM开关、输入电压、输入频率和输入死区等按键指令使用了单个寄存器写入功能(0X06)；参数输入按键则使用了多个寄存器写入功能(0X10)。界面默认为周期1 s的读取数据指令(0X03)。

3.2.5 数据存储 为防止系统发生突然断电等突发情况，本设计使用其CPU中DSP的串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)模块与EEPROM进行通信存储数据。通过软件实现系统重新通电后，能保持之前运行的参数。在前面板中，选择相应的储存对象，如频率、死区等参数，按下单个按键，实现实时运行参数的存储；按下全部，则存储系统全部的运行参数。

3.2.6 监测并保护系统运行状态 状态监控窗口监控系统的运行状态并判断是否发生错误。使用下位机软件设置各参数的上下阈值，防止损害整体系统运行。如果系统发生电压、电流、频率、死区、温度、湿度过高或过低、EEPROM存储模块等错误，则相应状态灯将会点亮。

3.2.7 收发数据存储实时监测 通信配置图能够实时监测发送和接收的数据、传输数据的字节数；选择通信波特率和奇偶校验位；清理发送数据和接收数据。

4 实验验证

检测系统各功能，通信连接正常，设置通信的波特率为115 200，COM口选择COM3。

系统运行如图6所示，各模块在图中已标出，均工作正常，监控系统中的无线通信正常且精准。运行时，平面线圈距离为11 cm，工作频率为1.153 MHz，原边输入电压为10 V，电流为1.3 A，原边输入功率为13 W。经测量，副边负载电压为26.233 V，电流为0.469 A，副边输出功率约为12.3 W，总效率约为94.6%。

图6 系统运行

5 结 语

系统经过测试，能够实现高效率、远距离的无线电能传输技术，在距离为11 cm时，效率为94.6%。对温度、湿度、电压、电流、频率和死区等系统运行数据采集，通过无线传输数据的方式避免了传统布线所产生的隐患，且通信稳定，效率高。LabVIEW可视化监控界面简洁、运行稳定，且具有报警功能，对于保证生产稳定、人员安全具有一定的意义。该系统通信设计使用Modbus协议，具有较强的可靠性和通用性，其通用性架构为其他控制器测试系统搭建具有一定参考价值。