基于ZYNQ平台的测发控无线供电系统的设计与实现

张 坤，柴 波，王晓洁，张 鑫，马元元

(西安微电子技术研究所，西安 710054)

0 引言

伴随着航空技术的发展，航天电源需求不断增加，在地面测发控系统中，各种设备电能的传输主要通过线缆进行传输[1]。这种有线的传输方式带来很多不便。电能传输过程中可能因老化、摩擦等因素直接影响各种用电设备的安全和寿命，随着测发控系统复杂度的提高，各种设备的供电需求不同，设备移动范围在供电时受有线的限制，不仅使得系统臃肿，在密闭绝缘的环境下带来各种不便。近几年无线电能传输受到越来越多的重视，无线电能传输迅速发展，为上述问题的解决带来很好的契机。

ZYNQ-7000 SoC系列集成 ARM 处理器的软件可编程性与 FPGA 的硬件可编程性，可实现重要分析与硬件加速，使软硬件设计更加灵活、可靠。

本文根据无线电能传输理论[2]，设计一种基于ZYNQ平台的无线供电方案，有利于接口标准化，便于实现自动化和无人操作，可以避免高压触电危险，实现密闭环境下供电，也可适应多种恶劣环境和天气。

1 系统结构及原理

目前主要有3种无线电能传输方式：电磁感应式、微波输能、电磁场谐振方式。在本文中，系统利用电磁感应原理[3]，实现电能以无线的方式从发射端传输到接收端，发射端和接收端各有一个线圈，电能通过发送端线圈产生交变磁场，耦合到接收端线圈，最后通过接收端输出到供电设备。可以将电能发送端与接收端的组成结构看作变压器。在某个确定频率下，线圈工作在谐振频率点，由于发送和接收端线圈的谐振频率相同，所以能高效地传输能量。结构原理如图1所示。

图1 电磁感应原理

2 系统硬件设计

2.1 系统总体结构

如图2所示，本系统采用模块化设计，整个系统由发送端(TX)和接收端(RX)组成，其中发送端由供电电源和TI公司的电源芯片BQ500215为核心的发射模块组成，接收端主要以赛灵思公司(XiIinx)的Zynq-7000 soc为核心的控制模块和以TI的电源芯片BQ51025为核心的接收模块组成。

图2 系统总体结构原理图

BQ500215和BQ51025是美国德州仪器公司(Ti)制造的无线电源芯片，符合无线电源联盟WPC标准[4]，经过Qi认证[5]。BQ500215为无线功率发射模块芯片，BQ51025为无线功率接收芯片。

系统为满足测发控设备要求，对小型功率器件进行无线供电，主要设计参数要求能够为负载输出10 W以内功率，并可调节负载电压4～10 V的范围变化，使得接收端在10 mm以内的供电传输效率能够至少满足60%以上。

整个方案以接收端为控制中心，一方面发送端能够自动探测识别接收端的信息；另一方面可以控制接收模块向发射器进行识别匹配、功率申请，设置接收模块的输出电压，建立传输协议，并实时收集负载的功率信息，计算处理后可以得知系统状态，通过系统频率、传输效率等信息，分析处理发射端与接收端不同距离位置下的供电变化情况。此外，系统外接LED 指示灯指示供电状态。

2.2 发射端电路结构

图3为发射端电路结构框图，电路主要包括电源、数字控制器BQ500215、发送线圈、全桥式逆变电路和反馈电路。

图3 发射端电路结构

1)在本系统中，输入电源电压为12 V,在电源输入端加入LDO(低压差线形稳压器)，它通常具有极低的自有噪声和较高的电源抑制比，以保证电源电压的恒定和实现有源噪声滤波。发射端线圈为符合无线充电联盟WPC标准的线圈，适用于12 V系统输入电压。

BQ500215需要3.3 V电压运行，电源通过降压转换器TPS54231D将电源电压转换为3.3 V。

2)无线功率发射模块的作用是将直流电逆变成交流电并调制相应的数据信息以便通过发射线圈传输给无线功率接收模块。系统无线供电的逆变电路为全桥式逆变电路。逆变电路将DC直流输入逆变成AC交流波形，进而驱动由发射线圈与谐振电容组成的谐振电路。

Ti公司的CSD97374Q4M功率器件是经过高度优化的设计，用于高功率、高密度场合的同步降压转换器，支持三态PWM输入。两个对称的半桥功率级组成一个全桥逆变电路，BQ500215通过驱动全桥功率级来驱动线圈组，全桥电路的PWM频率由BQ500215产生的PWM-A和PWM-B信号控制，同时BQ500215产生PWM信号(VRAIL_PWM)控制外部功率级电路来调节电源电压。

3)电流监测器INA199A1将全桥电流信息反馈给BQ500215，确保电流处于合理的动态范围内，具有过流保护作用。

2.3 接收射端电路结构

图4为接收端电路结构，主要包括接收线圈、功率接收电路和ZYNQ-7000控制电路。

图4 接收射端电路结构

功率接收电路的核心芯片为BQ51025，BQ51025具有输出电压调节和最大电流限制等功能。

ZYNQ-7000系列是一种基于Xilinx全可编程的可扩展处理平台结构，其内部主要为双核 ARM Cortex-A9多核处理器的处理系统PS(Processing Systyem)，基于Xilinx可编程逻辑资源的可编程逻辑系统PL(Programmable Logic)。PS包含片上存储区、外部存储器和丰富功能的外设，PL提供了用户可配置能力的丰富结构，可通过PS-PL接口实现PL内定制的外设(IP核)与PS内Cortex-A9双核处理器及相关资源的连接。

ZYNQ处理器可通过C的IP核与BQ51025进行通讯，可完成一系列电源控制管理功能，例如设置输出电压，对电流限制引脚ILIM进行编程设置最大电流限制，读取系统线圈频率、接收功率、整流电压等。

在本系统设计中，Zynq-7000 Soc的PS端包含处理器，DDR存储器控制器和UART接口，在PL中，实现C总线接口。通过AXI接口，PS端处理器与PL端的C IP互联,从而与设备Bq51025进行通信，同时通过UART传送信息和中断处理，完成系统无线供电的控制管理。基于Zynq-7000 Soc的硬件结构设计如图5所示。

上述硬件设计通过vivado软件进行设计，包括ZYNQ-7000系统的搭建、综合、布局布线、约束生成bit文件等步骤。软件部分通过SDK来设计，最后嵌入式系统联合调试。

接收线圈接收到发射线圈产生的能量后发生电磁感应，从而产生振荡电压，即获得AC交流电，图4中，AC1和AC2为接收交流电输入接口，振荡电压通过AC1和AC2输入BQ51025进行整流调制后输出。获得的直流电一方面给接收端上的元器件供电以组成电源回路，另一方面供给给负载电路使用。

通过BQ51025输出的负载电压Vout可以通过反馈电阻分路来设置，即设置VO_REG，Vout与VO_REG的电压存在如下式关系，

(1)

(2)

3 系统软件设计

3.1 系统工作流程

整个系统工作流程如图6所示有4个阶段。

图6 系统工作流程

1)选择阶段：该阶段TX会探测线圈上是否有金属物体存在，一旦探测到有金属物质存在就进入Ping阶段。具体探测方法如下：在该阶段TX定时在发射线圈发送一个短时间的PWM输入，然后关闭发送信号后延迟0～1 000 μs再采样线圈上的电流值，如果采样到的电流值大于实验设定的阈值，则判定线圈上有金属物体存在，否则不存在。

2)Ping阶段：在该阶段，TX会给发射线圈一定时间的供电，RX会在一定时间内返回一个数字Ping信号，当TX收到正常的ping信号后就进入识别与配置阶段,否则就取消ping信号，系统就返回到选择阶段。

3)信息配置阶段：在该阶段，RX会传输配置信息，主要为配置信息包，TX在收到正确的配置信息后进入功率传输阶段，如果没有收到信息或者数据信息不正确，系统状态就返回到选择阶段。

4)功率传输阶段：此阶段系统处于正常的能量传输阶段。在此过程中如果出现信息包传输错误、供电完成的情况，系统就返回到选择阶段。

能量传输中，TX、RX形成闭环，通过TX调节占空比来控制能量传输。

上述中的数据包格式如表1所示，由以下几部分组成：

表1 数据包格式

Preamble ：引导码，为 11～25个二进制数字“1”。

Header：包头，一个字节；

Message：数据信息，由包头信息决定；

Checksum ：校验码，一个字节。

系统通主要通过软件中断来读取数据包并解析，然后保存并发送。主要数据包有：整流数据包、错误数据包、供电状态包、能量传输结束包、专有数据包、保留数据包。

在功率传输阶段，系统控制回路如图7所示。

图7 系统控制回路

功率传输中通过PID 算法控制工作频率和占空来使系统达到期望的工作点。发射模块与接收模块之间主要通过错误数据包来进行调节。错误数据包为接收模块当前的实际控制点与期望控制点差值，即为系统误差值，功率接收模将错误数据包反馈到发射模块。发射模块通过系统误差值调节发射线圈的交流信号的幅值、频率、占空比等使系统工作在期望的工作点。

3.2 ZYNQ控制程序流程

当功率发送器识别到接收设备存在时，以ZYNQ-7000为控制核心的接收端程序流程如图8所示。

图8 ZYNQ控制程序流程

当发送端识别到接收端时，程序开始进入初始化，主要对底层过C的IP核以及接收端的各种寄存器进行初始化。然后接收端进入低功率等待状态，一方面减少不必要的损耗；另一方面程序进入串口中断，并等待输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为输入值。

目标电压值，VOUT:Bv。B为输入值。

最大电流限制，LIIM:C%，C为输入值，系统输出电流最大为Imax，这里C为最大电流的百分比，具体可为10%,20%,30%,40%,50%,60%,80%,和100%。

上述阶段相当于系统的识别和配置阶段。当配置信息设置成功后，自动建立传输协议，系统进入功率传输阶段。在这个阶段，程序会依次按一定的时间间隔，不断采集系统的供电状态信息，主要包括以下：

1)接收功率采集；

2)功率信号频率采集；

3)整流电压值采集；

4)输出电压值采集。

以上各信息的采集均通过封装的单个函数来实现。这些状态信息会通过串口发送到上位机显示，同时程序会发送控制错误包、接收功率包，以达到在功率传输阶段能够调整供电设备的能量需求。

在功率传输的同时，如果出现数据包发送错误、功率突变异常状态或者传输结束时，系统会中断功率传输，返回初始等待状态。其中功率传输结束的指令可以直接在上位机通过串口输入发送。如果接收端已经断开了它的输出负载，那么接收端仍旧需要确保它能够从发射端得到足够的功率，以便接收端对发射端的通信依旧能够正常进行。

4 实验结果与分析

将发射端接入12 V的稳压源，此时供电指示灯正常点亮，绿灯快速不停闪烁，表示发射器正在探测是否有接收器存在，在不接入负载的情况下，将接收装置置于发射端线圈的中间位置。发射端绿灯闪烁减慢同时发出哔哔声，接收端指示灯亮起，表明正确识别到接收设备。

接收设备接入最大功率50 W，阻值10 的负载，设置电流限制为100%Imax。实验主要对输出电压控制和系统传输效率进行验证分析。

图9表示接收端的整流电压和输出电压调制状态，从图中可以看出整流电压、输出负载电压分别与期望目标电压近似1∶1，表明输出电压控制符合预期效果。由于整流电压直接将发射端传输的交流电压进行整流调制，所以略大于接收端输出电压。

图9 接收端电压

电路功率包括发射端的发送功率、接收端的接收功率及接收端的输出功率。接收端的接收功率是从发射端传输到接收端的，接收端的输出功率是从接收端输出给负载的，由于电路中存在各种损耗，一般来说，发送功率>接收端的接收功率>接收端的输出功率。随着负载的不同情况下的变化，系统传输效率变化情况如图10所示。

图10 功率传输效率变化

在图10(a)中可以看出在发送端和接收端线圈表面贴近的距离下接收效率平均在90%以上，输出效率平均在80%以上，达到了很好的电能传输效果。

当逐渐增大发送端和接收端线圈表面距离时，传输效率变化如图10(b)所示，可以看出随着距离增大，效率降低，当间距超过1.5 cm后效率骤降，当达到2 cm时效率几乎为0。

上述说明电磁感应式传输在距离较短时传输效率非常高，但同时对距离变化非常敏感。

5 结束语

本文针对测发控系统中各种设备有线电能传输的带来的不便和问题，以无线电能传输理论为基础，利用TI的无线电源芯片设计一种无线功率传输设备，并通过ZYNQ-7000 SOC的控制管理，实现了一种便携化、智能化的无线供电系统，通过系统验证，证明系统能够完成很好的电能传输控制，并且达到了较高的效率。由于目前的研究只是小功率条件下的机理验证，在未来的工程应用中还需增大功率、加长传输距离，同时也可以利用蓝牙、wifi等无线的通信方式实现远程的控制。