感應式無線充電自動化測試效率系統(tǒng)研究與實現

蒲小英

(1.四川省電子產品監(jiān)督檢驗所,四川成都,610100;2.四川省軟件和信息系統(tǒng)工程測評中心,四川成都,610100;3.成都蜀都電子信息產品檢測技術有限公司,四川成都,610100)

0 引言

市場上感應式無線充電設備的普及率越來越高。如：蘋果系列的手機，高端的TWS 耳機，基于ANDROID 系統(tǒng)的高端智能手機、智能手表和電動牙刷等等數不勝數[1-3]。在同期整體智能手機市場萎縮1.3%的情況下，Qi 支持設備的批發(fā)出貨量同比增長27%。Strategy Analytics 的新興設備技術服務（EDT）預測，2024年全球出貨的智能手機中將有近45%采用無線充電[4]。感應式無線充芯片原廠(IDT,NXP 和ST)和電子產品供應商在研發(fā)階段都需要對整套感應式充電系統(tǒng)進行效率測試，數據采集和數據分析。目前，基本上都是系統(tǒng)測試人員或硬件工程師手動配置和收集外置電源與電子負載儀器的數據，實時的填入關鍵數據。傳統(tǒng)方式下，由于工作量原因，實驗結果具有數據有限，測試人員深度參與的工作量大而枯燥，自動化程度差，工作效率較低，步驟繁瑣，數據可靠性等問題。本文針對傳統(tǒng)測試方法的弊端，分析和設計了一套基于感應式無線充電的自動化和智能化的效率測試的軟硬件系統(tǒng)。

1 無線充電原理

無線充電技術通常包括電磁感應，磁共振，電場耦合和無線電波等四種方式[3]。目前市場占有率最高的就是電磁感應無線充電方式，其他幾種或多或少都有局限性。無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium）成立于2008年12月17日，是由多家獨立公司組成的合作組織。旨在創(chuàng)造和促進市場廣泛采用與所有可再充電電子設備兼容的國際無線充電標準Qi。它包含低功率BPP(Baseline Power Profile)和中功率EPP(Extended Power Profile)種模式。無線充電系統(tǒng)中包含磁感應式能量接收端PRx(Power Receiver)和磁感應式能量發(fā)送端PTx (Power Transmitter)。PRx 和PTx 能量傳輸由兩者線圈耦合完成。耦合度決定了充電面積，充電高度和充電效率。線圈感量和形狀都對系統(tǒng)有一定影響。PRx 和PTx 之間雖然是距離非常近，但是它們是通過無線通信實現能量的請求與應答。PRx 向PTx 發(fā)送通信采用ASK（Amplitude Shift Keying）通信包。常見的數據包包括Signal Strength，Identification，Configuration，Control Error，Received Power 和Proprietary 包。PTx 向PRx 發(fā)送數據采用FSK(Frequency-Shift Keying)應答，常見數據包包括ACK,NAK,ND 和Proprietary 包。PRx 通過Control Error 計算理論電壓值和實際電壓值的差值并通過ASK 包發(fā)送到PTx,PTx 根據這個值調整輸入能量，從而達到動態(tài)能量傳輸平衡點[5][6][7]。本文研究的自動化測試效率系統(tǒng)中的能量效率測試公式為：

公式中Prx 為接收端功率值，Vrx 為接收端電壓值，Irx 為接收端的電流值，Ptx 為發(fā)送端功率值，Vtx 為發(fā)送端電壓值，Itx 為發(fā)送端的電流值，η 為能量傳輸效率值。效率值的高低成為客戶衡量優(yōu)劣的一個重要指標。本文將圍繞如何自動獲取到上述幾個關鍵值而展開深入研究。

2 自動化測試效率系統(tǒng)框架

自動化測試效率系統(tǒng)框架如圖1 所示。系統(tǒng)由四個部分構成，上位機PC 端的自動化終端軟件，USB 轉I2C 控制器，PRx 和PTx。自動化終端系統(tǒng)軟件界面和后臺處理均采用TCL/TK 工具命令語言實現[5][9]，主要功能包括USB 轉I2C 協(xié)議，設置 PRx 的電流和電壓控制命令，讀取PTx 電流和電壓值的控制命令，存儲計算傳輸效率值所需數據，顯示效率曲線和趨勢圖。USB 轉I2C 接口是實現PC 和PRx 之間的硬件橋梁。PRx 芯片端固件需要增強PC 端的命令解析功能和發(fā)送ASK 通信包功能。PRx 芯片端固件還需要對整個無線充電系統(tǒng)做通信量平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定性負責。PTx 片端固件需要實現新增ASK 命令解析功能和FSK 應答功能。

圖1 自動化測試效率系統(tǒng)架構

3 通信協(xié)議

自動化測試效率系統(tǒng)通信協(xié)議主要包括上位機和PRx之間的通信和PRx 與PTx 之間的增強通信協(xié)議。本文重點介紹PRx 與PTx 之間的增強通信協(xié)議，包括新增Proprietary包獲取關鍵信息和如何實現在更多通信量的情況下不影響原有無線充電系統(tǒng)的平衡性和穩(wěn)定性。

ASK 包格式如圖2 所示。為了避免通信擁堵給原有系統(tǒng)造成不穩(wěn)定性，盡量采取短的通信包。所以前導碼preamble 采用最小值11 位。Header 可以采用保留字0x18 或0x19。1 字節(jié)Message 字段為0x01 表示獲取PTx 輸入電流值。1字節(jié)Message 字段為0x02 表示獲取PTx 輸入電壓值。1 字節(jié)Message 字段為0x03 表示獲取PTx 輸入功率值。1 字Checksum 字段按照header 和Message 異或可以得到。故新增協(xié)議包含11 位的前導碼和3 字節(jié)內容。

圖2 ASK packet format

FSK 包格式如圖3 所示。它由1 個字節(jié) Header 和2 個字節(jié)的Message 構成。Header 內容由ASK 新增通信包的Message 決定。如果ASK 新增通信包的Message 字段為0x01,則該FSK 包的Header 字段為0x01。表示該回復包為獲取PTx輸入電流值。以此類推。

圖3 ASK packet format

由于無線充電系統(tǒng)中自身有大量的通信包（CE 和RPP），它們有自己的通信時序。 我們的PRx 會在收到獲取PTx 信息后，優(yōu)先發(fā)送一個CE 和RPP 包后，再發(fā)送獲取PTx 信息的請求包，并預留足夠回復包的時間（FSK 傳輸速率比較慢，整個系統(tǒng)工作頻率在100K 到205K 赫茲之間）。 如果超時沒有收到回復包，不再重試，重試機制在發(fā)送CE 和RPP 后實現。 目的就是為了讓系統(tǒng)穩(wěn)定且不斷鏈接。

4 智能化的終端軟件

智能化終端軟件通常被布置在PC 機端。PC 機和無線充電接收端之間采用自制的USB 轉I2C 接口套件，因為通常無線充電PRx 芯片預留的接口是I2C 接口[10][11]。USB 轉I2C接口套件主MCU 采用STM32F103，主要實現終端軟件命令由USB CDC 協(xié)議變成I2C 協(xié)議的轉換。

智能化終端軟件流程如圖4 所示。軟件采用循環(huán)方式讀取計算效率的關鍵信息，電流檔位差值和最大電流值決定軟件循環(huán)次數。當設置PRx 電流和電壓后，系統(tǒng)讀取PTx 電流和電壓值需要一定時間延時，因為PTx 通過無線通信接收到命令后，首先會考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，其次才是改變系統(tǒng)能量。通常延時時間為10 秒左右。

圖4 PC 自動化終端軟件流程圖

5 實驗數據和分析

所有能量效率自動化測試數據均存儲于上位機終端軟件同目錄下的EXCEL 文件中。智能化終端軟件開啟時會根據系統(tǒng)時間新建一個新的文件名，避免重復。同時軟件可以根據測試數據自動建立不同電流段能量效率曲線和趨勢圖。如圖5 所示。測試人員和工程人員可以直接看效果圖，一目了然。更好的情況就是直接讓系統(tǒng)在測試人員下班后自動化測試，測試好后，以郵件方式直接發(fā)送到相關人員郵箱。

圖5 不同電流段能量效率值曲線

6 結束語

本文基于現有感應式無線充電系統(tǒng)原理的基礎上定制終端軟件，自制USB 轉I2C 接口板，增強通信協(xié)議，增強PRx和PTx 固件方式實現自動化和智能化測試效率方法。該方法降低了測試人員和工程人員后期的參與，提高了自動化測試程度，增強了測試效率，建立了多而可靠的數據分析源，快速獲取系統(tǒng)的效率曲線和趨勢圖，提升測試數據的說服力。