基于ZYNQ平臺的測發控無線供電系統的設計與實現

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展，航天電源需求不斷增加，在地面測發控系統中，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，隨著測發控系統復雜度的提高，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，不僅使得系統臃腫，在密閉絕緣的環境下帶來各種不便。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，便于實現自動化和無人操作，可以避免高壓觸電危險，實現密閉環境下供電，也可適應多種惡劣環境和天氣。

1 系統結構及原理

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，系統利用電磁感應原理[3]，實現電能以無線的方式從發射端傳輸到接收端，發射端和接收端各有一個線圈，電能通過發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 系統硬件設計

2.1 系統總體結構

如圖2所示，本系統采用模塊化設計，整個系統由發送端(TX)和接收端(RX)組成，其中發送端由供電電源和TI公司的電源芯片BQ500215為核心的發射模塊組成，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，符合無線電源聯盟WPC標準[4]，經過Qi認證[5]。BQ500215為無線功率發射模塊芯片，BQ51025為無線功率接收芯片。

系統為滿足測發控設備要求，對小型功率器件進行無線供電，主要設計參數要求能夠為負載輸出10 W以內功率，并可調節負載電壓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，建立傳輸協議，并實時收集負載的功率信息，計算處理后可以得知系統狀態，通過系統頻率、傳輸效率等信息，分析處理發射端與接收端不同距離位置下的供電變化情況。此外，系統外接LED 指示燈指示供電狀態。

2.2 發射端電路結構

圖3為發射端電路結構框圖，電路主要包括電源、數字控制器BQ500215、發送線圈、全橋式逆變電路和反饋電路。

圖3 發射端電路結構

1)在本系統中，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有源噪聲濾波。發射端線圈為符合無線充電聯盟WPC標準的線圈，適用于12 V系統輸入電壓。

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)無線功率發射模塊的作用是將直流電逆變成交流電并調制相應的數據信息以便通過發射線圈傳輸給無線功率接收模塊。系統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電源電壓。

3)電流監測器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PS(Processing Systyem)，基于Xilinx可編程邏輯資源的可編程邏輯系統PL(Programmable Logic)。PS包含片上存儲區、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，讀取系統線圈頻率、接收功率、整流電壓等。

在本系統設計中，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C總線接口。通過AXI接口，PS端處理器與PL端的C IP互聯,從而與設備Bq51025進行通信，同時通過UART傳送信息和中斷處理，完成系統無線供電的控制管理。基于Zynq-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，最后嵌入式系統聯合調試。

接收線圈接收到發射線圈產生的能量后發生電磁感應，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 系統軟件設計

3.1 系統工作流程

整個系統工作流程如圖6所示有4個階段。

圖6 系統工作流程

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定時在發射線圈發送一個短時間的PWM輸入，然后關閉發送信號后延遲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會給發射線圈一定時間的供電，RX會在一定時間內返回一個數字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據信息不正確，系統狀態就返回到選擇階段。

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

能量傳輸中，TX、RX形成閉環，通過TX調節占空比來控制能量傳輸。

上述中的數據包格式如表1所示，由以下幾部分組成：

表1 數據包格式

Preamble ：引導碼，為 11～25個二進制數字“1”。

Header：包頭，一個字節；

Message：數據信息，由包頭信息決定；

Checksum ：校驗碼，一個字節。

系統通主要通過軟件中斷來讀取數據包并解析，然后保存并發送。主要數據包有：整流數據包、錯誤數據包、供電狀態包、能量傳輸結束包、專有數據包、保留數據包。

在功率傳輸階段，系統控制回路如圖7所示。

圖7 系統控制回路

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

3.2 ZYNQ控制程序流程

當功率發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，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，自動建立傳輸協議，系統進入功率傳輸階段。在這個階段，程序會依次按一定的時間間隔，不斷采集系統的供電狀態信息，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來實現。這些狀態信息會通過串口發送到上位機顯示，同時程序會發送控制錯誤包、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。

在功率傳輸的同時，如果出現數據包發送錯誤、功率突變異常狀態或者傳輸結束時，系統會中斷功率傳輸，返回初始等待狀態。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射端得到足夠的功率，以便接收端對發射端的通信依舊能夠正常進行。

4 實驗結果與分析

將發射端接入12 V的穩壓源，此時供電指示燈正常點亮，綠燈快速不停閃爍，表示發射器正在探測是否有接收器存在，在不接入負載的情況下，將接收裝置置于發射端線圈的中間位置。發射端綠燈閃爍減慢同時發出嗶嗶聲，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，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射端傳輸的交流電壓進行整流調制，所以略大于接收端輸出電壓。

圖9 接收端電壓

電路功率包括發射端的發送功率、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射端傳輸到接收端的，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

本文針對測發控系統中各種設備有線電能傳輸的帶來的不便和問題，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，實現了一種便攜化、智能化的無線供電系統，通過系統驗證，證明系統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遠程的控制。