基于無(wú)線充電技術(shù)的GPS終端自動(dòng)開(kāi)機(jī)設(shè)計(jì)

王國(guó)輝

（普天信息技術(shù)研究院，北京100080）

引 言

無(wú)線充電技術(shù)（wireless charging technology），是指具有電池的裝置利用電磁感應(yīng)原理及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相應(yīng)的線圈來(lái)發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)以進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)，源于無(wú)線電力輸送技術(shù)［1］。從19世紀(jì)30年代，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，到1890年，尼古拉·特斯拉提出無(wú)線電力傳輸和試驗(yàn)的構(gòu)想［2－3］，再到21世紀(jì)，無(wú)線充電技術(shù)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。隨著新領(lǐng)域的應(yīng)用，其研究日益增多，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和公司發(fā)布了他們的研究成果和相關(guān)產(chǎn)品。

無(wú)線充電技術(shù)可以免除充電連接器，實(shí)現(xiàn)充電器端口統(tǒng)一化，不受插座和線纜束縛，易于實(shí)現(xiàn)密封和防水，在很多場(chǎng)景得到廣泛的應(yīng)用。但由于還存在著效率低、安全性較差、能耗高、使用不便、價(jià)格不菲等問(wèn)題，目前無(wú)線充電產(chǎn)品還沒(méi)有被大規(guī)模地使用，沒(méi)有真正在市場(chǎng)上形成氣候。無(wú)線充電技術(shù)面臨著很多挑戰(zhàn)，同時(shí)也富有很多機(jī)遇，在一些特殊的領(lǐng)域具有特殊的用武之地，如醫(yī)用植入設(shè)備、動(dòng)物無(wú)線定位，以及需要防水和密封的產(chǎn)品等等。

由于工作環(huán)境苛刻，全天候工作，風(fēng)雨無(wú)阻，特殊的產(chǎn)品在特殊的運(yùn)用場(chǎng)合需要密封和防水，所以整個(gè)外殼結(jié)構(gòu)沒(méi)有留下充電插口，沒(méi)有開(kāi)機(jī)鍵，沒(méi)有顯示燈等任何機(jī)械接口。在這種情形下，采用無(wú)線充電才能解決其密封和防水問(wèn)題。沒(méi)有開(kāi)機(jī)鍵，如何讓設(shè)備開(kāi)機(jī)，也成為一個(gè)問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一款便攜式GPS定位終端，巧妙地運(yùn)用無(wú)線充電方式，設(shè)計(jì)無(wú)線充電接收電路以及自動(dòng)開(kāi)機(jī)電路，結(jié)合軟件控制，既保障了設(shè)備的密封和防水，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的充電和設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)機(jī)。

1 基于無(wú)線充電的自動(dòng)開(kāi)機(jī)方案

便攜式GPS定位終端可用于目標(biāo)體（人員或車輛）的定位及跟蹤，并具有GSM 實(shí)時(shí)上報(bào)定位信息的功能。整個(gè)終端設(shè)備包括主控制單元ARM7核、GSM 無(wú)線RF 射頻模塊、電源管理模塊PMU，以及GPS接收定位模塊，其中主控制單元ARM7核和GSM 無(wú)線RF 射頻模塊采用單芯片MTK6252GSM 模塊，總體架構(gòu)如圖1所示。GPS接收模塊通過(guò)串口把定位數(shù)據(jù)傳送給ARM7，并通過(guò)SMS短信的方式發(fā)送給后臺(tái)。

圖1 便攜定位終端總體架構(gòu)

GPS定位終端用鋰離子電池供電，需要不定期進(jìn)行充電，不得不留下充電插口，這就很難實(shí)現(xiàn)具有防水性能的密封工藝。為了實(shí)現(xiàn)密封和防水，采用無(wú)線充電方式，設(shè)備外殼上可以沒(méi)有金屬接點(diǎn)或者開(kāi)口。

另外，為了達(dá)到防水目的，本設(shè)計(jì)沒(méi)有任何外接接口和按鍵等，因此需要為終端設(shè)備添加自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能。MTK6252有幾種不同的開(kāi)機(jī)方式（VBAT≥3.2V 時(shí)）［4］：最常用的按開(kāi)機(jī)鍵拉低PWRKEY（PWRON）開(kāi)機(jī)方式；RTC鬧鐘到時(shí)開(kāi)機(jī)；拉高PWRBB 開(kāi)機(jī)；充電開(kāi)機(jī)方式，在充電口CHRIN 上插上有效的電源，使系統(tǒng)開(kāi)機(jī)。

綜合這幾種開(kāi)機(jī)方式，結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)和實(shí)際使用情況，最理想的方式是充電開(kāi)機(jī)，又由于要求產(chǎn)品防水，適宜采用無(wú)線充電，故確定開(kāi)機(jī)方式是基于無(wú)線充電、結(jié)合軟件控制的自動(dòng)開(kāi)機(jī)方式。具體方案如圖2所示，無(wú)線充電接收端連接到 MTK6252 芯片PMU 部分的VCHARG 引腳，為設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電，同時(shí)通過(guò)軟件設(shè)置控制使整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)。

2 基于無(wú)線充電的自動(dòng)開(kāi)機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)

目前主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)有Power Matters Alliance（PMA）標(biāo) 準(zhǔn)、Qi 標(biāo) 準(zhǔn) 和Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)。從具體的技術(shù)原理及解決方案來(lái)說(shuō)，有電磁感應(yīng)式、磁共振式和無(wú)線電波式3種基本方式，分別適用于近程、中短程和遠(yuǎn)程電力傳送。當(dāng)前最為常見(jiàn)、應(yīng)用最為廣泛的是基于電磁感應(yīng)式的Qi標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，在發(fā)送端初級(jí)線圈上通一定頻率的交流電，變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從發(fā)送端轉(zhuǎn)移到接收端；傳輸功率在5 W 以下，傳輸距離為數(shù)mm～數(shù)cm，適合短距離無(wú)線充電，轉(zhuǎn)換效率較高。

圖2 無(wú)線充電自動(dòng)開(kāi)機(jī)方案

根據(jù)設(shè)備實(shí)際使用的情況，包括設(shè)備的功率、無(wú)線充電發(fā)射與接收距離、轉(zhuǎn)換效率等，選用Qi標(biāo)準(zhǔn)的電磁感應(yīng)式無(wú)線充電方案，具體采用TI的BQ51013A 作為無(wú)線充電接收端芯片；接收端線圈尺寸為34×29×0.4mm3，電感為11.5μH，直流電阻最大為250mΩ，電流最大為2A。

TI的BQ51013A 是一款適用于便攜式應(yīng)用無(wú)線電源傳輸?shù)募尚透呒?jí)接收器IC，符合WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)的接收器［5］，4.5×3.5mm2的QFN 封裝，可用于手機(jī)、耳機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等便攜設(shè)備的無(wú)線充電。具體的無(wú)線充電和自動(dòng)開(kāi)機(jī)連接電路原理圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線充電與自動(dòng)開(kāi)機(jī)電路原理圖

當(dāng)需要開(kāi)機(jī)時(shí)，設(shè)備用無(wú)線方式進(jìn)行充電，讓設(shè)備在充電發(fā)射板上進(jìn)行幾秒鐘的充電動(dòng)作。若電池電壓Vbat＜3.2V，通過(guò)芯片內(nèi)部PMU 硬件控制進(jìn)行涓脈電流充電（電流為幾個(gè)mA）。充電至3.2V 時(shí)，芯片內(nèi)ROM 程序啟動(dòng)，進(jìn)入開(kāi)機(jī)控制程序，并檢測(cè)Vbat是否大于某一設(shè)定開(kāi)機(jī)電壓值。此值可以根據(jù)實(shí)際情況軟件設(shè)定：若過(guò)低如3.3 V，可能導(dǎo)致開(kāi)機(jī)不穩(wěn)定、不成功；若過(guò)高，則充電開(kāi)機(jī)時(shí)間太長(zhǎng)；本設(shè)計(jì)選擇3.5 V 電壓，若高于3.5V，則軟件開(kāi)機(jī)，執(zhí)行初始化系統(tǒng)、GSM 找網(wǎng)詢網(wǎng)、配置GPS模塊等操作。具體的開(kāi)機(jī)流程見(jiàn)圖4。

3 制作和測(cè)試分析

圖4 開(kāi)機(jī)流程圖

根據(jù)原理圖所示設(shè)計(jì)PCB，經(jīng)過(guò)PCB印制電路板制作，并進(jìn)行SMT，得到無(wú)線充電接收模塊，如圖5（a）所示。尺寸為50×32×1.0mm3。與GPS定位主板組裝后，形成便攜式防水設(shè)備，整機(jī)尺寸為85×55×35mm3。把設(shè)備放于無(wú)線充電發(fā)射端上，進(jìn)行無(wú)線充電與自動(dòng)開(kāi)機(jī)測(cè)試，如圖5（b）所示，下方白色底座是無(wú)線充電發(fā)射端，上方黑色小盒是防水GPS終端設(shè)備。

圖5 無(wú)線充電接收模塊

經(jīng)過(guò)測(cè)試，通過(guò)UART 串口獲得設(shè)備軟件trace 信息，如圖6 所示，并可得到充電電壓與時(shí)間圖，如圖7所示。

由圖7可知，無(wú)線充電接收模塊可以為設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電，電流為500mA，充電分幾個(gè)階段，涓脈電流充電階段（Vbat＜3.2V）、正常充電階段（Vbat＞3.2V）和正式開(kāi)機(jī)充電階段（Vbat＞3.5V）。值得注意的是，當(dāng)電池電壓低于3.2V 時(shí)，電池充電采用芯片PMU 里的硬件靜態(tài)涓脈電流充電。

預(yù)充電至3.2V，出現(xiàn)trace則說(shuō)明ROM 軟件已經(jīng)啟動(dòng)。當(dāng)電池電壓大于3.5V 時(shí)，軟件控制充電3s，設(shè)備就能正常開(kāi)機(jī)。

結(jié) 語(yǔ)

基于無(wú)線充電技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了便攜式GPS防水終端設(shè)備的無(wú)線充電和自動(dòng)開(kāi)機(jī)。設(shè)計(jì)制作完成的無(wú)線充電接收模塊，尺寸為50×32×1.0mm3。經(jīng)過(guò)測(cè)試，無(wú)線充電接收模塊能有效完成設(shè)備鋰離子電池的充電，并且結(jié)合軟件控制可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能，達(dá)到預(yù)期效果，并形成實(shí)用化的產(chǎn)品。

圖6 充電及開(kāi)機(jī)各階段trace信息

圖7 充電電壓與時(shí)間關(guān)系圖

［1］王秩雄，胡勁蕾，梁俊，等.無(wú)線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，4（1）：82－85.

［2］NIKOLAT.The TRANSM ISSION OF ELECTR ICAL ENERGYWITHOUT WIRES［J］.ElectricalWorld and Engineer，1904（5）：566－572.

［3］NIKOLAT.WORLD SYSTEM OF WIRELESS TRANSMISSION OF ENERGY［J］.Telegraph and Telegraph Age，1927，10（16）：1515－1510.

［4］MediaTek.MT6252 GSM／GPRS Baseband Processor Data Sheet，2011：44－46.

［5］Texas Instruments.BQ51013Adatasheet，2011.