一种水下非接触式电能与数据传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水下非接触式电能与数据传输系统，属于海洋电源技术的领域，包括水下工作站、供电端和设备端；水下工作站用于为机械腔体及内部电路提供外部电流；供电端由供电端腔体和供电端端盖构成密封腔；设备端由设备端腔体和设备端端盖构成密封腔。本发明专利技术通过耦合模块实现无线充电，同时主控制芯片实时测量输入输出电压电流、功率器件温度，接收处理腔体内部状态数据，将数据打包后通过ENC28J60和WIFI模块发送给计算机，计算机上位机软件分析处理后，实时显示输入输出电压电流值，传输效率一目了然。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下非接触式电能与数据传输系统，属于海洋电源

技术介绍
海洋是巨大的资源宝库，其中蕴藏着丰富的石油、天然气、生物、医药、旅游、矿产等资源，是人类赖以生存和发展的基础。在陆地资源口渐衰竭的形势下，海洋的空间和资源具有较大的可开发潜力。海洋经济己成为世界经济发展中增长最快的一个组成部分。为了保障海洋经济又好又快发展，需要投放海洋设备对沿海海洋环境和生态进行区域针对性、稳定可靠的监测，掌握海洋水文数据，这些数据对提高沿海地区的海洋环境监测的准确性、对海洋资源的勘探开发和利用，对沿海经济发展，都有非常重要的使用价值。随着海洋设备不断大量的投入，水下电能补给和数据传输是一个至关重要的问题。传统有缆电能数据传输，接触头不可靠，容易被腐蚀和断线，电线的强度低，在海水的冲刷下容易断裂，接头位置固定，设备部署位置受到限制，只能安装在导线接头附近。针对上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决传统技术中存在的问题，保证海洋监测控制作业顺利高效的进行。故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在的缺陷，提供一种水下非接触式电能与数据传输系统。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种传输便捷、寿命长久的水下非接触式电能与数据传输系统，用于为水下设备补充电能并将设备数据收集传
送给水面计算机，使得水下设备能够正常工作，依据数据实时监测水下环境，控制设备完成相关动作完成海洋勘探。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：本专利技术的一种水下非接触式电能与数据传输系统，包括水下工作站、供电端和设备端；水下工作站用于为机械腔体及内部电路提供外部电源；供电端由供电端腔和供电端端盖构成密封腔；供电端端盖设有一凹槽用于紧固供电端散热片，功率器件直接固定在供电端散热片上，供电端端盖旋入一个八芯的水密件用于提供传输电能与数据的接口；供电端底部设有一供电端端面，供电端端面固定有第一WIFI天线、供电磁芯和供电线圈，第一WIFI天线与供电线圈、供电磁芯保持径向距离并且轴向距离为零，供电磁芯和供电线圈的的中心线与供电端轴线重合；供电端中部设置有三层由支架支撑固定的供电端电路板；设备端由设备端腔体和设备端端盖构成密封腔，设备端端盖设有一凹槽用于紧固设备端散热片，功率器件直接固定在设备端散热片上，供电端端盖旋入一个八芯的水密件用于提供传输电能与数据的接口；设备端底部设有一设备端端面，设备端端面固定有第二WIFI天线、设备磁芯和设备线圈，第二WIFI天线与设备线圈、设备磁芯保持径向距离并且轴向距离为零，设备磁芯和设备线圈的的中心线与设备端轴线重合；设备端中部设置有三层由支架支撑固定的设备端电路板。优选地，供电端进一步包括第一电源模块、第一主控模块、第一以太网模块、驱动模块、全桥逆变模块、第一电流测量模块、第一电压测量模块、第一温度测量模块、第一WIFI模块、第一耦合器；设备端进一步包括第二电源模块、第二主控模块、整流模块、第二电流测量模块、第二电压测量模块、第二温度测量模块、第二WIFI模块、第二耦合器；第一耦合器固定在供电端端面，第二耦合器固定在设备端端面；第一WIFI模块与最靠近供电端端面的电路板
保持固定位置、第二WIFI模块与最靠近设备端端面的电路板保持固定位置；所述第一电源模块、第一主控模块、第一以太网模块、驱动模块、全桥逆变模块、第一电流测量模块、第一电压测量模块、第一温度测量模块集成在供电电路板上，第二电源模块、第二主控模块、整流模块、第二电流测量模块、第二电压测量模块、第二温度测量模块集成在设备端电路板上。优选地，外部电流为直流电；第一主控模块采用主控芯片STM32用于产生可调频率的PWM波并输出到驱动模块的驱动芯片IR2110上；全桥逆变模块包括四个MOS管，IR2110驱动MOS管并根据PWM波频率将直流电转变为高频交流电；带有供电磁芯和供电线圈的第一耦合器结合带有设备线圈和设备磁芯的第二耦合器利用电磁感应原理用于将高频交流电传输到设备端；整流模块由快恢复D4SBL40U整流桥完成高频交流电转成直流电并给用电设备用电；电压测量模块采用维博WBV342D01完成对供电电压和设备电压的测量；电流测量模块采用ACS712完成对供电电流和设备电流的测量；温度测量模块采用MLX906124非接触式红外测温芯片对功率器件进行温度测量；主控芯片STM32将测量数据传送到以太网模块的ENC28J60芯片转换为网络数据，第一WIFI模块和第二WIFI模块用于将网络数据以及设备数据在供电端和设备端实现双向收发并发送给计算机。优选地，全桥逆变模块包括两个半桥电路，两个半桥电路相同，其中一个半桥电路包括，驱动芯片U1，U1的型号为IR2110S，芯片Q1、Q2是MOS管，其中驱动芯片U1的1脚与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接地；驱动芯片U8的2脚与电容C2和C3的负极连接，电容C2和C3的负极接地，驱动芯片U1的3脚与电容C2、C3的正极连接，驱动芯片U8的6脚与电容C1的阴极以及电阻R2的一端连接，驱动芯片U1的7脚与电容C1的正极以及二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与12V电源连接，驱动芯片U1的8脚与电阻R1的一端连接，驱动芯片U1的11脚与5V电源连接，驱动芯片U1的13脚、15脚接地；电阻R1的另
一端与R2的另一端连接，芯片Q1的G极与电阻R1、R2的一端连接，芯片Q1的S极与电阻R2的另一端连接，芯片Q1的D极与150V直流正极连接，芯片Q2的G极与电阻R3、R4的一端连接，芯片Q2的S极与电阻R4的另一端连接，芯片Q2的D极与芯片Q1的S极连接。STM32单片机产生的带有死区的互补PWM通过U1，在对应输出管脚产生高低电平，控制Q1与Q2的开关，形成一个半桥，C1为自举电容。优选地，第一电源模块将<1％的外部电流依次转换出24V、12V、5V、3.3V电压的电流并满足供电端各模块的工作用电需求。优选地，所述第二电源模块将<1％的整流后的直流电依次转换出24V、12V、5V、3.3V电压的电流并满足设备端各模块的工作用电需求。优选地，供电端端面还封装有一圈供电端磁铁用于使供电端轴线和设备端的轴线基本重合，使供电端与设备端的间距达到最小值。优选地，设备端端面还封装有一圈设备端磁铁用于使供电端轴线和设备端的轴线基本重合，使供电端与设备端的间距达到最小值。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)电能数据传输通过非接触的电磁感应原理，不存在传输电线因此不易被腐蚀，传输系统设备位置不受限，接头位置不固定，满足海底设备对电能与数据传输自由化的需求；2)通过耦合模块实现无线充电，同时主控制芯片实时测量输入输出电压电流、功率器件温度，接收处理腔体内部状态数据，将数据打包后通过ENC28J60和WIFI模块发送给计算机，计算机上位机软件分析处理后，实时显示输入输出电压电流值，传输效率一目了然；3)发现异常，自动发送停止工作信号给水下系统，并发出警报，同时实时显示功率器件的温度，极大的提高了水下感应耦合充电系统的稳定性；4)水下设备监测海底水文环境的数据可靠地反馈回PC机，对提高沿海地区的海本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下非接触式电能与数据传输系统，其特征在于，包括水下工作站、供电端和设备端；所述水下工作站用于为机械腔体及内部电路提供外部电源；所述供电端由供电端腔体(3)和供电端端盖(2)构成密封腔；供电端端盖(2)设有一凹槽用于紧固供电端散热片(4)，功率器件直接固定在供电端散热片(4)上，供电端端盖(2)旋入一个八芯的供电端水密件(1)用于提供传输电能与数据的接口；所述供电端底部设有一供电端端面，供电端端面固定有第一WIFI天线、供电磁芯(7)和供电线圈(8)，所述第一WIFI天线与供电线圈(8)、供电磁芯(7)保持径向距离并且轴向距离为零，供电磁芯(7)和供电线圈(8)的的中心线与供电端轴线重合；所述供电端中部设置有三层由支架支撑固定的供电端电路板(5)；所述设备端由设备端腔体(16)和设备端端盖(17)构成密封腔，设备端端盖(17)设有一凹槽用于紧固设备端散热片(15)，功率器件直接固定在设备端散热片(15)上，供电端端盖(2)旋入一个八芯的设备端水密件(18)用于提供传输电能与数据的接口；所述设备端底部设有一设备端端面，设备端端面固定有第二WIFI天线、设备磁芯(12)和设备线圈(11)，所述第二WIFI天线与设备线圈(11)、设备磁芯(12)保持径向距离并且轴向距离为零，设备磁芯(12和设备线圈(11)的的中心线与设备端轴线重合；所述设备端中部设置有三层由支架支撑固定的设备端电路板(14)。...

【技术特征摘要】
1.一种水下非接触式电能与数据传输系统，其特征在于，包括水下工作站、供电端和设备端；所述水下工作站用于为机械腔体及内部电路提供外部电源；所述供电端由供电端腔体(3)和供电端端盖(2)构成密封腔；供电端端盖(2)设有一凹槽用于紧固供电端散热片(4)，功率器件直接固定在供电端散热片(4)上，供电端端盖(2)旋入一个八芯的供电端水密件(1)用于提供传输电能与数据的接口；所述供电端底部设有一供电端端面，供电端端面固定有第一WIFI天线、供电磁芯(7)和供电线圈(8)，所述第一WIFI天线与供电线圈(8)、供电磁芯(7)保持径向距离并且轴向距离为零，供电磁芯(7)和供电线圈(8)的的中心线与供电端轴线重合；所述供电端中部设置有三层由支架支撑固定的供电端电路板(5)；所述设备端由设备端腔体(16)和设备端端盖(17)构成密封腔，设备端端盖(17)设有一凹槽用于紧固设备端散热片(15)，功率器件直接固定在设备端散热片(15)上，供电端端盖(2)旋入一个八芯的设备端水密件(18)用于提供传输电能与数据的接口；所述设备端底部设有一设备端端面，设备端端面固定有第二WIFI天线、设备磁芯(12)和设备线圈(11)，所述第二WIFI天线与设备线圈(11)、设备磁芯(12)保持径向距离并且轴向距离为零，设备磁芯(12和设备线圈(11)的的中心线与设备端轴线重合；所述设备端中部设置有三层由支架支撑固定的设备端电路板(14)。2.根据权利要求1所述的水下非接触式电能与数据传输系统，其特征在于，所述供电端进一步包括第一电源模块、第一主控模块、第一以太网模块、驱动模块、全桥逆变模块、第一电流测量模块、第一电压测量模块、第一温度测量模块、第一WIFI模块(6)、第一耦合器；所述设备端进一步包括第二电源模块、第二主控模块、整流模块、第二电流测量模块、第二电压测量模块、第二
\t温度测量模块、第二WIFI模块(13)、第二耦合器；第一耦合器固定在供电端端面，第二耦合器固定在设备端端面；第一WIFI模块(6)与最靠近供电端端面的电路板保持固定位置、第二WIFI模块(13)与最靠近设备端端面的电路板保持固定位置；所述第一电源模块、第一主控模块、第一以太网模块、驱动模块、全桥逆变模块、第一电流测量模块、第一电压测量模块、第一温度测量模块集成在供电电路板上，第二电源模块、第二主控模块、整流模块、第二电流测量模块、第二电压测量模块、第二温度测量模块集成在设备端电路板(14)上。3.根据权利要求1所述的水下非接触式电能与数据传输系统，其特征在于，所述外部电流为直流电；所述第一主控模块采用主控芯片STM32用于产生可调频率的PWM波并输出到驱动模块的驱动芯片IR2110上；全桥逆变模块包括四个MOS管，IR2110驱动所述MOS管并根据PWM波频率将直流电转变为高频交流电；所述带有供电磁芯(7)和供电线圈(8)的第一耦合器结合带有设备线圈(11)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敬彪，魏洋槟，史剑光，于海滨，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33