使用MC56F8006 DSC解调符合Qi标准的低功率无线充电器的通信信号
使用MC56F8006 DSC解调符合Qi标准的低功率无线充电器的通信信号
1 引言
无线充电正变得越来越流行，通过它，许多电子产品如手机、笔记本电脑、媒体播放器等无需连接线即可充电。它开始在消费市场中显示出巨大的潜力。
无线充电联盟(WPC)开发了一种名为Qi的标准，定义了感应耦合的类型以及低功率无线设备应使用的通信协议。Qi在电源发射端和电源接收端之间创建了互操作性。作为WPC的正式成员，Freescale现在为客户提供了自己的符合Qi标准的低功率无线充电器参考设计。
符合Qi标准的无线设备使用振幅移相键控(ASK)调制来在电源接收端和电源发射端之间进行通信。
本文档旨在描述使用MC56F8006数字信号控制器(DSC)对无线充电器发射端进行Qi通信数据解调的设计，包括Qi通信接口、解调电路设计和解调软件设计。
2 Qi通信接口
ASK调制（Amplitude Shift Keying，振幅键控）是一种相对简单的调制方案。ASK等效于模拟信号的振幅调制，载波频率信号与一个二进制数字相乘。载波的频率和相位保持不变，而振幅是可变的。信息比特通过载波的振幅传递。由于调制信号只能采用两个二进制级别，0或1，因此称为二进制振幅键控（2ASK）。这个二进制数字与载波频率的乘积结果等同于载波频率的开或关。这意味着当进行载波传输时，调制后的数字信号为1，当没有载波传输时为0。
功率接收器使用背散射调制与功率发射器进行通信。为此，功率接收器调制从功率信号中汲取的功率量。功率发射器检测到这相当于初级电池的电流和/或电压的调制。换句话说，功率接收器和功率发射器使用振幅调制的功率信号来提供功率接收器到功率发射器的通信通道。
2.1 调制方案
电源发射端检测到初级电池电流或初级电池电压呈现两种状态，即HI状态和LO状态。一种状态的特征是振幅在一定的变化Δ内保持恒定至少ts毫秒。初级电池电流在HI和LO状态下的振幅差异至少为15 mA。初级电池电压在HI和LO状态下的振幅差异至少为200 mV。图1和表1显示了详细信息。
2.2 比特编码方案
电源接收端应使用差分双相编码方案将数据比特调制到电源信号上。为此，电源接收端应将每个数据比特对齐到内部时钟信号tCLK的一个完整周期，使得数据比特的开始与时钟信号的上升沿相吻合。这个内部时钟信号的频率fCLK = 2±4% kHz。
接收端应使用电源信号中的两个转换来编码一个比特1，使得第一个转换与时钟信号的上升沿相吻合，第二个转换与时钟信号的下降沿相吻合。接收端应使用电源信号中的一个转换来编码比特0，这个转换与时钟信号的上升沿相吻合。下图显示了编码方案示例。
2.3 字节编码方案
电源接收端应使用11位异步串行格式来传输一个数据字节。该格式由一个起始位、字节的8个数据位、奇偶校验位和单个停止位组成。起始位为0。数据位的顺序为LSB优先，奇偶校验位为奇数。这意味着电源接收端应在数据字节包含偶数个1比特时将奇偶校验位置1。否则，电源接收端应将奇偶校验位置0。停止位为1。下图显示了使用值0x35作为示例的数据字节格式。
电源接收端应使用11位异步串行格式来传输一个数据字节。该格式由一个起始位、字节的8个数据位、奇偶校验位和单个停止位组成。起始位为0。数据位的顺序为LSB优先，奇偶校验位为奇数。这意味着电源接收端应在数据字节包含偶数个1比特时将奇偶校验位置1。否则，电源接收端应将奇偶校验位置0。停止位为1。下图显示了使用值0x35作为示例的数据字节格式。
2.4 数据包结构
电源接收端应使用数据包与电源发射端进行通信。如图4所示，一个数据包由四个部分组成，分别是前导码、头、消息和校验和。前导码由11到25个比特组成，全部设置为1，并按比特编码方案进行编码。前导码使电源发射端能够与传入的数据同步，并准确检测到头的开始比特。头、消息和校验和由一系列3个或更多字节组成，按照头、消息和校验和的规定进行编码。
如果电源发射端正确接收了数据包，应满足以下条件:
电源发射端检测到至少四个前导比特，这些前导比特后面跟着一个起始位。
电源发射端没有检测到任何字节(包括头字节、消息字节和校验和字节)中的奇偶校验错误。
电源发射端检测到校验和字节中的停止位。
电源发射端确定校验和字节是一致的。
如果电源发射端没有正确接收到数据包，电源发射端应丢弃该数据包，不使用其中包含的任何信息。在ping阶段、识别和配置阶段，这通常会导致超时，导致电源发射端移除电源信号。
2.4.1 标头 标头由一个字节组成，用于指示数据包的类型。此外，标头还隐含地提供了数据包中包含的消息的大小。
2.4.2 消息 功率接收器必须确保数据包中包含的消息与标头中指示的数据包类型一致。有关可能的消息的详细定义，请参见Qi规范第1部分第6节。消息的第一个字节，即字节B0，紧随标头之后。
2.4.3 校验和 校验和由一个字节组成，它使功率发射器能够检测传输错误。功率发射器应按照以下方式计算校验和：
C := H ⊕ B0 ⊕ B1 ⊕ … ⊕ Blast
其中C表示计算的校验和，H表示标头字节，B0, B1,…, Blast表示消息字节。
如果计算的校验和与数据包中包含的校验和字节不相等，功率发射器应确定校验和不一致。
3 解调电路设计
电源接收端使用后向散射调制与电源发射端通信，如调制方案中定义的。通信解调电路的功能是从110 kHz电源信号中检测2 kHz通信信号。
图5展示了通信解调电路的方块图。该电路的输入是带有通信信号的线圈电压，输出是遵循位编码方案的数据。该电路可以分为以下五个部分：
• 电压降压部分
• 整流器和直流滤波器
• 低通滤波器
• 电压比较器
• 通信波形电压分压器
接下来将对这些组件逐一进行描述。
图6展示了解调电路的输入。基波是初级电压，载波波是通信信号。
3.1 电压降压电路
线圈电压的范围是16-32 V峰峰值，有时甚至可能超过40 V峰峰值。如图7所示，电压降压电路的功能是将电压Coil_IN降至GNDA，将Coil_OUT降至GNDA。差分电路用于调整波形的中心点至2.5 V，并将波形的幅度调整至0–5 V之间。
图8展示了电压降压电路后的通信波形。
3.2 整流和直流滤波电路
如图9所示，整流和直流滤波电路的功能如下。
1.对波形进行整流以获取第一个半周期，将正弦波转换为锯齿波。
2.过滤波形的直流部分，使锯齿波的中点为2.5 V。
图10展示了整流和直流滤波电路后的通信波形。
3.3 低通滤波器设计
图11展示了低通滤波器电路。这里使用了改进的二阶低通滤波器。其功能是过滤掉107 kHz的高频功率波，以获取2 kHz的低速通信数据。
图12展示了设计中选定的改进型二阶低通滤波器的原理图。可以使用以下方程式来确定低通滤波器的几个参数：
其中 V_o(s) 是二阶低通滤波器的输出，V_N(s)是点N的电压。
流向点N的电流为0。参见以下方程：
V_ i (s) 是二阶低通滤波器的输入。电阻 R_1, R_2, R_f和电容 C_1, C_2 确定了低通滤波器的参数。
传递函数可以使用以下方程计算：
设 s = jω，那么频率响应可以计算为：
设 R1=4.3kΩ,R2=2.4kΩ,Rf=149kΩ,C1=11nF 和C2=0.47nF。
下图显示了经过二阶低通滤波器后的通信波形。
3.4 比较器
比较器的功能是比较输入信号的值与参考值（2.5 V）以获得方波。
比较器电路如下图所示。
下图显示了经过比较器电路后的通信波形。
3.5 分压电路
分压电路如图16所示。
该电路的功能是使方波的幅度达到3.3 V，以便数字信号控制器（DSC）进行检测。
图17显示了经过分压电路后的通信波形。该电路的输出连接到数字信号控制器（DSC）的捕获输入通道。
4 解调软件设计
MC56F8006 DSC的定时器模块（TMR）包含两个相同的计数器/定时器组。这两个计数器都具有捕获和比较功能。捕获寄存器允许外部信号对计数器的当前值进行“快照”（“snapshot”）。 Freescale的无线充电发射器使用MC568006 DSC DTMR1的捕获功能来实现解调。捕获寄存器将启用上升沿和下降沿触发模式。当上升沿或下降沿发生时，当前的计数器值会被触发捕获。通过计算高电平和低电平信号的持续时间，可以解调接收到的数据。
4.1 前导码解码方案
在数据包的开始阶段，可能会丢失一些电平转换，因此找到接收到的标头的起始点是非常重要的。前导码使功率发射器能够与传入数据同步，并准确检测标头的起始位。前导码由至少11位至多25位组成，全部设置为ONE。接收到ZERO位意味着前导码的结束和下一个字节的起始位。
图18显示了前导码解码流程图。当发生捕获ISR时，它会首先记录捕获值并检查接收模式。考虑到通信速度为2 Kbit/s，一个位的周期为500 µs；至少11位至多25位设置为ONE意味着至少捕获22个最多50个250 µs的脉冲。
根据Qi协议定义的字节编码方案，功率发射器已经检测到至少四个前导码位，后面跟着一个起始位，这意味着至少捕获了八个250 µs的脉冲。为了增加冗余和可靠性，将半周期时间设置为200–300 µs，全周期时间设置为400–600 µs。
4.2 位解码方案
4.2.1 方法1：传统方法
成功接收到前导码后，开始接收后续的标头和数据的位。在一个完整周期内，如果在半周期时发生电平转换，则意味着接收到了位ONE，如果没有发生电平转换，则意味着接收到了位ZERO。如果电平转换不是在半周期点或全周期点发生，则位接收失败，并返回到初始的前导码接收模式。下图显示了方法1的位解码流程图。
4.2.2 方法2：优化的抗干扰算法
为了提高功率接收器与发射器之间的通信可靠性，开发了一种新的方法，该方法包含优化的抗干扰算法，用于过滤通信波形上的毛刺。流程图如下所示。
如图21所示，通道1表示通信波形，通道2表示DSC接收到的数据位。通过在软件中使用优化的抗干扰算法，过滤通信波形上的毛刺，DSC接收到正确的数据。因此，通信系统变得更加可靠。
4.3 字节解码方案
图22显示了字节解码流程图。使用11位的异步串行格式来传输一个数据字节。每次成功接收一个位时，该位将被存储。在接收到11位后，偶校验将确定接收到的字节是否正确。如果接收到错误的字节，状态将返回到初始的前导码接收模式。
4.4 数据包解码方案 标头由一个字节组成，它指示数据包的类型。此外，标头隐式地提供了数据包中包含的消息的大小。在成功接收到第一个字节（标头）后，可以确定数据包的长度。 图23显示了数据包解码流程图。当接收到数据包的所有字节后，将计算校验和以判断接收到的数据包是否正确。如果接收到正确的数据包，将开始数据包分析，否则将丢弃该数据包。
4.5 超时检测
超时检测有助于当DTMR1计数器超过800 µs时使状态返回到前导码接收模式。使用DTMR1的比较中断服务例程来实现此功能。如果发生超时比较事件，将清除所有相关寄存器和变量。以下图显示了超时检测流程图。
5 测试结果和结论
5.1 测试结果 如图25所示，解调电路正确地从输入线圈电压解调出通信数据，作为通道3。MC56F8006 DSC的DTM1模块将输入波形分析为通道2，并将正确的ONE或ZERO位信息分析为通道1。
完整数据包解调 MC56F8006 DSC完全解调的数据包如图26所示。当系统运行时，这些数据是通过FreeMASTER调试工具获得的。根据Qi协议，所有包括信号强度包、识别包和配置包在内的起始数据包都被正确接收。
5.2 结论
随着Qi协议的低功率无线充电器变得越来越普遍，通信信号解调策略成为了影响充电性能关键的技术。在这份应用说明中，提供了一个完整解决方案，用于从功率波中解调通信信号，该方案使用MC56F8006 DSC，具有高可靠性和非常低的成本。它易于应用于所有Qi兼容的A型和B型低功率无线充电器，输入电压范围广泛，从5V到19V。该解决方案也可以轻松应用于Freescale DSC家族的其他部分。