阅读说明：本技术 一种用于充电器主板信号测试的2fsk解调电路及方法 (2FSK demodulation circuit and method for charger mainboard signal test ) 是由 张吉明 刘孟辉 田慧敏 冯磊 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种成本低、集成度高、稳定性好且测试精度高的用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路及方法。该电路包括2FSK调制电路(1)、电感耦合线圈(2)、模拟可调负载(3)、信号滤波电路(4)、FPGA采样单元(5)和MCU数据解调单元(6)；该方法包括以下步骤：2FSK调制电路对数据进行BMC编码和调制；电感耦合线圈进行信号无线传输；模拟可调负载模拟无线充电的被充设备并模拟负载可调；FPGA采样单元进行信号数据采样并输出电平值；MCU数据解调单元将信号还原成原始信号,完成对2FSK解调信号的解析,比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致。本发明用于无线充电器测试领域。(The 2FSK demodulation circuit and the method for testing the charger mainboard signal, provided by the invention, have the advantages of low cost, high integration level, good stability and high test precision. The circuit comprises a 2FSK modulation circuit (1), an inductive coupling coil (2), an analog adjustable load (3), a signal filter circuit (4), an FPGA sampling unit (5) and an MCU data demodulation unit (6); the method comprises the following steps: 2, the data is subjected to BMC coding and modulation by the FSK modulation circuit; the inductive coupling coil carries out wireless signal transmission; simulating an adjustable load to simulate a charged device charged wirelessly and simulating load adjustability; the FPGA sampling unit samples signal data and outputs a level value; the MCU data demodulation unit restores the signals into original signals, completes the analysis of the 2FSK demodulation signals, and compares whether the demodulated signals are consistent with the original signals of the charger mainboard or not. The invention is used for the field of wireless charger testing.)

一种用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路及方法

技术领域

本发明涉及无线充电器测试领域，尤其涉及一种用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路及方法。

背景技术

在QI标准的无线充电设备中，能量发射端发射到能量接收端的通信信号，是通过2FSK(频移键控)的方式传输的，而与传统FSK信号不同的是：依QI标准的通讯协议，同一系统的不同阶段，通信载波频率Fca与调制频率Fmod并不固定，且Fca与Fmod之间的频率差较小。QI标准的无线充电设备，其在正常工作过程中通过不同频率的能量信号来传输不同的功率，而FSK信号通讯有可能发生在任何能量信号频率点，且QI标准中为保证传输能量稳定性规定了载波频率Fca与调制频率Fmod的周期差——最大值为282ns、最小值仅为32ns。同时，由于无线充电系统中能量接收端所收到的信号为电感耦合过来的信号，从而导致其接收到的信号并非单频正弦信号，而是可能掺杂有大量高频噪声。

传统的2FSK解调方法主要是相干解调、滤波非相干解调与正交相乘非相干解调三种方式。由于QI标准通信协议的限制，其载波频率Fca与调制频率Fmod差异较小，对接收端解调电路要求非常高。

故传统的2FSK解调方法难以满足当前精度越来越高的无线充电领域通信测试要求，如相干解调2FSK系统的抗噪声性能虽优于非相干的包络检测，但需要***两个相干载波电路，整体电路变得复杂。非相干的包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。但当输入信号的信噪比r很大时，相干解调和滤波非相干解调两者的相对差别并不明显。此外，传统的2FSK解调方法不够灵活，2FSK信号通讯有可能发生在任何能量信号频率点，就需要特定的解调电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种成本低、集成度高、稳定性好且测试精度高的用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路及测试方法。

本发明所述用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路所采用的技术方案是：它包括2FSK调制电路、电感耦合线圈、模拟可调负载、信号滤波电路、FPGA采样单元和MCU数据解调单元，

所述2FSK调制电路对模拟产生的充电器主板信号进行BMC编码，并对经过BMC编码的信号进行2FSK调制，并将经过调制后的信号传输到所述电感耦合线圈；

所述电感耦合线圈包括发送线圈和接收线圈，所述发送线圈将调制的信号耦合到所述接收线圈端；

所述模拟可调负载用于模拟无线充电的被充设备，并模拟调整所述接收线圈端的功率，以对被充设备在不同功率状态下进行2FSK的通信测试；

所述信号滤波电路用于对2FSK信号进行去直流、滤波、电平匹配、分压操作，再GPIO口输入所述FPGA采样单元；

所述FPGA采样单元对经过滤波处理的2FSK信号进行信号采样并传输到所述MCU数据解调单元；

所述MCU数据解调单元用于对所述FPGA采样单元发送来的信号进行去噪处理、BMC恢复和BMC解码，使BMC编码的信号最终还原成原始信号，完成对2FSK信号的解调，比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致，进而完成从发送线圈到接收线圈的2FSK传输信号的测试。

上述方案可见，无线充电器主板产生模拟信号后，经过2FSK调制电路信号进行BMC编码，并对经过BMC编码的信号进行2FSK调制，并将经过调制后的信号传输到所述电感耦合线圈，电感耦合线圈将信号进行无线传输，实现从发送线圈端到接收线圈端的无线通信，在接收线圈端设置整流电路并通过信号滤波电路将信号传输到FPGA采样单元进行信号采集，根据信号频率的不同输出相应的高或低电平到MCU数据解调单元，再经过MCU数据解调单元进行信号去噪、BMC恢复和BMC解码处理，使BMC编码的信号最终还原成原始信号，从而完成对2FSK解调信号的解析，比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致，进而完成从发送线圈端到接收线圈端的2FSK通信测试；在这一过程中，FPGA采样单元和MCU数据解调单元共同实现解调功能，其电路简单，易于实现，且便于扩展，具有较高的集成度，也相对地降低了成本，且FPGA采样单元的采样时钟可达125MHz，可进行信号纠错，稳定度高，精度高；利用产品真实线圈来模拟Qi无线充电的过程，通过特定的电感耦合来实现信号从接收线圈端到发送线圈端的无线传输，而通过调节两个线圈之间的距离可实现不同耦合系数的无线传输效率调整测试，从而满足不同耦合系数下的测试要求，利用产品的线圈作为测试载体，2FSK通信测试更接近真实情况，使得测试结果更加贴合实际应用，从而保证测试结果具有更高的精度；同时通过解调电路的设置，对不同2FSK通信编码规则都可稳定进行2FSK解调，所以可以运用在不同的无线充电设备的2FSK通信测试中，具有较佳的适用性。

进一步地，所述模拟可调负载包括模拟负载和与所述模拟负载相连接的负载调节MCU，所述模拟负载包括与所述接收线圈连接的场效应管、与所述场效应管的栅极相连接的比较器以及与所述比较器的其中一个输入端相连接的放大器，所述放大器的输出端通过一ADC模块与所述负载调节MCU连接，所述比较器的另一个输入端通过一DAC模块与所述负载调节MCU连接，所述负载调节MCU通过所述DAC模块设置不同的模拟负载电流值，所述负载调节MCU通过所述ADC模块采集所述接收线圈端的电压值和电流值，对所述发送线圈的信号进行幅值调节，在不同幅值下进行无线充电的2FSK通信测试。

上述方案可见，负载调节MCU通过高精度的DAC模块设置不同的电流值，同时高精度的ADC模块采集无线充电接收线圈端经过整流后的电压值Uout和电流值Iout，通过在无线充电发送线圈端调节发送信号的幅值，使Uout达到既定功率下的值，再设置模拟负载部分的电流Iout值达到既定值，即可得到既定传输功率，此时对2FSK信号进行测试，得到在这一功率状态下的通信数据，再通过调整不同发送信号的幅值，达到在不同的传输功率状态下进行无线充电的2FSK通信测试，使得测试的2FSK通信数据结果满足实际的应用。

再进一步地，所述接收线圈端设置有整流电路，所述整流电路包括第一电容、第二电容、整流桥、第三电容和第一电阻，所述第一电容串接在所述接收线圈上，所述第二电容、所述整流桥、所述第三电容和所述第一电阻依次并联在所述接收线圈的两端。由此可见，通过整流桥等元器件构成整流电路的设置，保证了接收线圈端输出的信号保真率。

又进一步地，所述信号滤波电路包括去直流电容、去噪滤波器、去浪涌器件和分压器件，所述去直流电容、所述去噪滤波器、所述去浪涌器件和所述分压器件依次连接，所述去直流电容的另一端与所述接收线圈端连接，所述分压器件将滤波后的信号送入所述FPGA采样单元。由此可见，通过去直流电容去除直流分量，再通过去噪滤波器和去浪涌器件去除高低频噪声并起到稳压作用，而分压器件保证了输入FPGA采集单元的电平匹配，整个过程保证了信号的不失真。

又再进一步地，所述MCU数据解调单元包括MCU单元、信号识别单元、信号去噪单元、BMC恢复单元和BMC解码单元，所述信号识别单元、所述信号去噪单元、所述BMC恢复单元和所述BMC解码单元均与所述MCU单元相连接。由此可见，通过所述MCU单元对整个FPGA采集单元的控制，信号识别单元对接收到的信号进行识别，信号去噪单元则是对信号进行去噪处理，以提高分辨率和容错率；BMC恢复单元将去噪后的信号恢复成BMC形式的信号；BMC解码单元主要是对BMC信号还原成原始信号，从而完成ASK解调信号的解析；其集成度高，成本低，且FPGA运行稳定，系统可靠，提高了电路的使用寿命。

此外，所述FPGA采样单元5的型号为ZYNQ7Z020。由此可见，该型号的FPGA采样时钟可达125MHz，可进行信号纠错，稳定度高，精度高。

另外，利用上述用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路进行充电器主板的2FSK信号测试的方法包括以下步骤：

a.无线充电器主板产生一个无线充电的测试信号，所述2FSK调制电路对需要传输的数据进行BMC编码，并通过2FSK原理对BMC编码信号进行调制，载波的频率随二进制基带信号在频率点间变化；

b.所述电感耦合线圈通过电感耦合来进行信号无线传输，实现从所述发送线圈端到所述接收线圈端的无线通信；

c.所述模拟可调负载模拟无线充电的被充设备，并模拟对接收线圈端的功率调节，以对被充设备在不同功率状态下进行2FSK的通信测试；

d.所述信号滤波电路对2FSK信号进行滤波处理，保持信号不失真，并输入所述FPGA采样单元；

e.所述FPGA采样单元通过GPIO口进行信号数据采样，并根据采集到的信号频率向所述MCU数据解调单元输出电平信号；

f.所述MCU数据解调单元再对接收到的信号进行识别，并对信号进行去噪处理、BMC恢复和BMC解码，使BMC编码的信号最终还原成原始信号，完成对2FSK解调信号的解析，比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致，进而完成从发送线圈端到接收线圈端的2FSK通信测试。

上述方案可见，通过2FSK调制电路对信号进行调制后输送到电感耦合线圈，而电感耦合线圈为真实产品中的无线充电线圈，包括接收线圈和发送线圈，通过接收线圈和发送线圈之间的配合，使用真实的线圈来模拟整个无线充电的过程，测试的结果更加接近真实情况，且测试操作更加便捷，另外，采用模拟负载进行被充设备的模拟，和现有的方案相比，其集成度更高，无需引入标准的测试电源和负载，通过FPGA的集成，保证了测试的效率更高，测试更快，测试精度更高。

进一步地，所述频率点包括f1频率点和f2频率点， f1频率点频率为127.795KHz，f2频率点频率为126.984KHz。由此可见，采用f1和f2两个调制频率，其周期相差很小，这保证了传输能量稳定性。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是所述电感耦合线圈的简易结构图；

图3是所述模拟可调负载的简易原理图；

图4是所述信号滤波电路的简易原理图；

图5是FPGA采样单元采集的信号波形图；

图6是所述MCU数据解调单元对信号的解调波形示意图；

图7是BMC编码单元的编码图形示意图；

图8是所述2FSK调制电路调制信号的波形示意图；

图9是所述MCU数据解调单元的简易结构框图。

具体实施方式

本发明应用到BMC编码和2FSK调制。BMC编码是双相符号编码(Biphase MarkCode)的简称，属于一种相位调制(phase modulation)的编码方法，是将时钟讯号和数据讯号混合在一起传输的编码方法。如图7所示，在BMC编码中,时钟信号的频率是数据传输比特率的两倍。BMC信号在时钟信号的上升沿跳变；在时钟下降沿，BMC是否跳变取决于数据信号，当数据信号是高电平时，BMC跳变。当数据信号是低电平时，BMC不跳变。而数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频F0，而符号“0”对应于载频F1（与F0不同的另一载频）的已调波形，而且F0与F1之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。由图8可见，2FSK信号的波形可以分解为波形F0’和波形F1’，也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。

如图1至图6、图9所示，本发明包括2FSK调制电路1、电感耦合线圈2、模拟可调负载3、信号滤波电路4、FPGA采样单元5和MCU数据解调单元6。所述2FSK调制电路1对需要传输的数据进行BMC编码，并对经过BMC编码的信号进行2FSK调制，并将经过调制后的信号传输到所述电感耦合线圈2。所述电感耦合线圈2包括发送线圈TX和接收线圈RX，所述发送线圈TX将调制的信号耦合到所述接收线圈RX端。所述模拟可调负载3用于模拟无线充电的被充设备，并模拟调整所述接收线圈RX端的功率，以对被充设备在不同功率状态下进行2FSK的通信测试。所述信号滤波电路4用于对2FSK信号进行去直流、滤波、电平匹配、分压操作，再GPIO口输入所述FPGA采样单元5。所述FPGA采样单元5对经过滤波处理的2FSK信号进行信号采样并传输到所述MCU数据解调单元6。所述MCU数据解调单元6用于对所述FPGA采样单元5发送来的信号进行去噪处理、BMC恢复和BMC解码，使BMC编码的信号最终还原成原始信号，完成对2FSK信号的解调，比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致，进而完成从发送线圈到接收线圈的2FSK传输信号的测试。

所述接收线圈RX端设置有整流电路，所述整流电路包括第一电容C1、第二电容C2、整流桥B1、第三电容C3和第一电阻R1，所述第一电容C1串接在所述接收线圈RX上，所述第二电容C2、所述整流桥B1、所述第三电容C3和所述第一电阻R1依次并联在所述接收线圈RX的两端。所述信号滤波电路4包括去直流电容41、去噪滤波器42（带通频率145Hz～4.8MHz）、去浪涌器件43和分压器件44，所述去直流电容41、所述去噪滤波器42、所述去浪涌器件43和所述分压器件44依次连接，所述去直流电容41的另一端与所述接收线圈RX端连接，所述分压器件44将滤波后的信号送入所述FPGA采样单元5。所述MCU数据解调单元6包括MCU单元61、信号识别单元62、信号去噪单元63、BMC恢复单元64和BMC解码单元65，所述信号识别单元62、所述信号去噪单元63、所述BMC恢复单元64和所述BMC解码单元65均与所述MCU单元61相连接。所述FPGA采样单元5的型号为ZYNQ7Z020。

所述模拟可调负载3包括模拟负载E_Load和与所述模拟负载E_Load相连接的负载调节MCU7，所述模拟负载E_Load包括与所述接收线圈RX连接的场效应管Q1、与所述场效应管Q1的栅极相连接的比较器T1以及与所述比较器T1的其中一个输入端相连接的放大器T2，所述放大器T2的输出端通过一ADC模块8与所述负载调节MCU7连接，所述比较器T1的另一个输入端通过一DAC模块9与所述负载调节MCU7连接，所述负载调节MCU7通过所述DAC模块9设置不同的模拟负载电流值，所述负载调节MCU7通过所述ADC模块8采集所述接收线圈RX端的电压值和电流值，对所述发送线圈TX的信号进行幅值调节，在不同幅值下进行无线充电的2FSK通信测试。

QI标准的无线充电设备，其在正常工作过程中可以通过不同幅度的能量信号来传输不同的功率，而2FSK信号通讯有可能发生在任何幅度的能量信号传输过程中。在本实施例中，如图6所示，在QI标准中，被充设备转换功率：

0.1C - Iout = 20mA, Uout = 5000mV；

1C - Iout = 50mA, Uout = 6000mV；

3C - Iout = 135mA, Uout t = 6000mV；

10C - Iout = 300mA, Uout = 10000mV。

可控恒流负载通过MCU的高精度的DAC设置不同的电流值，同时高精度的ADC采集无线充电接收端整流后的电压值Uout和电流值Iout。通过调整无线充电发送端的发送信号的幅值，使Uout达到既定功率下的值，再设置E_load部分电流Iout达到既定值（比如1C下：Iout = 50mA, Uout = 6000mV），就可达到既定传输功率。通过调整不同传输功率进行无线充电的2FSK通信测试。

利用上述的用于充电器主板信号测试的2FSK解调电路进行充电器主板的2FSK信号测试的方法包括以下步骤：

a. 无线充电器主板产生一个无线充电的测试信号，所述2FSK调制电路1对需要传输的数据（二进制数据）进行BMC编码，并通过2FSK原理对BMC编码信号进行调制，载波的频率随二进制基带信号在频率点间变化；所述频率点包括f1频率点和f2频率点， f1频率点频率为127.795KHz，f2频率点频率为126.984KHz；

b.所述电感耦合线圈2通过电感耦合来进行信号无线传输，实现从所述发送线圈TX端到所述接收线圈RX端的无线通信；

c. 所述模拟可调负载3模拟无线充电的被充设备，并模拟对接收线圈RX端的功率调节，以对被充设备在不同功率状态下进行2FSK的通信测试；

d. 所述信号滤波电路4对2FSK信号进行滤波处理，保持信号不失真，并输入所述FPGA采样单元5；

e. 所述FPGA采样单元5通过GPIO口进行信号数据采样，并根据采集到的信号频率向所述MCU数据解调单元6输出电平信号；

f. 所述MCU数据解调单元6再对接收到的信号进行识别，并对信号进行去噪处理、BMC恢复和BMC解码，使BMC编码的信号最终还原成原始信号，完成对2FSK解调信号的解析，比较解调后的信号与原始的充电器主板的信号是否一致，进而完成从发送线圈端到接收线圈端的2FSK通信测试。

在本发明中，所述2FSK调制电路1先通过BMC编码规则对需要发送的数据（二进制）进行编码，以提高数据传输的可靠性；再通过2FSK原理对BMC编码数据进行调制，载波的频率随二进制基带信号在f1（127.795KHz）和f2（126.984KHz）两个频率点间变化。所述电感耦合线圈2通过特定的电感耦合来实现数据无线传输，从而实现无线通信，电感近距离耦合，调节耦合距离可对应不同的耦合系数。所述模拟可调负载3主要是模拟无线充电的被充设备，通过2FSK调制的方式来实现充电器到被充电设备的无线通信实际上是发生在无线充电过程中的，因此需要对被充设备不同功率下进行2FSK通信测试，模拟接收单元可以模拟调整接收端的功率。所述信号滤波电路4主要是2FSK信号先经过电容去除直流分量，再通过滤波器（带通频率145Hz～4.8MHz）去除高低频噪声，由于FPGA输入需要电平匹配（±1V），所以还需要对信号分压处理，最后送到MCU的FPGA GPIO去进行数据采样，此过程需保证信号不失真。所述FPGA采样单元5通过GPIO口进行数据采样，该FPGA采样时钟可达125MHz，FPGA去采集信号数据，计算每个周期的时间（即频率），如果频率是f1（127.795KHz），则输出为高（1），如果频率是f2（126.984KHz），则输出为低（0）。

与现有的一些测试设备相比，本系统精度高，稳定度高，体积小费用低，由于使用了真实的线圈来模拟整个无线充电的过程，所以2FSK通信测试更接近真实情况，同时对不同2FSK通信编码规则都可稳定进行2FSK解调，所以可以运用在不同的无线充电设备的2FSK通信测试中。

本发明描述了一种利用真实线圈模拟Qi无线充电的测试设备，进行无线充电设备的2FSK通信测试，并不仅仅限与专利中方案中所描述。故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。