增强型边缘检测电力线路通信的制作方法

增强型边缘检测电力线路通信


背景技术：

1.当在两个电子设备之间传送信号时，优选的是最小化设备之间的触点数目。例如，减少用于移动设备的充电/数据电缆上的引脚数目以及移动设备中的触点数目，有助于为移动设备中的其他技术提供更多空间。对于诸如智能手表、耳塞、蓝牙耳机、头戴式显示器等小形状因子设备，尤其是如此。此外，触点数目的增加增大了出错的可能性并且降低了可靠性。例如，触点数目的增加导致触点中的一个被损坏或磨损或以其他方式有缺陷的可能性增加。另外，设备中包括的每个触点增加了设备的生产成本。然而，因为通常需要传输各种类型的信号，诸如电力信号、数据信号、控制信号等，所以减少触点数目可能会非常具有挑战性。
2.在一些设备中，可以在电力线路上传输数据信号以减少所需的触点数目。这些设备可以使用调制系统，其使用诸如开/关键控(ook)、幅度偏移键控(ask)、频移键控(fsk)、相移键控(psk)等调制技术的调制系统。这些调制技术中的每种使用高频载波跨电力线路承载数据信号。由于需要调制模块和解调模块，这些调制系统通常具有高传播延迟。调制模块和解调模块还增加了设备生产的成本和复杂性。另外，用于跨电力线路承载数据信号的高频载波可能会引入电磁干扰，这可能会对设备的其他部件产生不利影响。
3.其他设备可以使用时分多路复用或其他非调制通信系统来在电力线路上传输数据信号。在时分多路复用系统中，可能在不同的时间跨同一电力线路传输电力和数据。时分多路复用系统可以包括检测机制和通信系统，以确保接收设备具有足够的预留电池容量，因为在传输数据时无法递送电力。此外，时分多路复用检测机制和通信系统可能会增加设备生产的成本和复杂性。其他通信系统——诸如使用运算放大器作为比较器的通信系统——可能会受到开环增益带宽和传播延迟的限制，从而使它们无法满足现代设备的数据吞吐量需求。


技术实现要素：

4.本公开的一个方面提供了一种系统，该系统包括：第一设备，该第一设备包括触点的第一集合；第二设备，该第二设备包括触点的第二集合，该触点的第二集合适于与第一设备的触点的第一集合电气地接合以形成至少电力线路连接和接地线路连接；第一设备和第二设备中的每个包括用于在第一设备与第二设备之间的电力线路连接上提供数据的电路，该电路包括：电力线路；接地线路；发射器线路，所述发射器线路承载数据信号；电容器，该电容器在连接点处将发射器线路耦合至电力线路，该电容器被配置成从数据信号中对dc分量进行滤波，并且将所承载的经滤波信号输出至电力线路；接收器，该接收器包括两个场效应晶体管，所述两个场效应晶体管被配置成检测经滤波信号。在一些实施例中，第一设备是壳体，而第二设备是耳塞。
5.在一些示例中，数据信号包括一个或多个方波。对于一个或多个方波中的每个，经滤波信号可以包括正脉冲和负脉冲。
6.在一些实施例中，两个场效应晶体管中的第一个经由第一接收线路连接至电力线
路，并且两个场效应晶体管中的第二个经由第二接收线路连接至电力线路。
7.在一些示例中，第二电容器耦合第一接收线路和第一场效应晶体管，并且第三电容器耦合第二接收线路和第二场效应晶体管。
8.在一些实施例中，第一场效应晶体管被配置成检测经滤波信号的正脉冲，并且第二场效应晶体管被配置成检测经滤波信号的负脉冲。
9.在一些实例中，该系统包括低参考电压源和高参考电压源。低参考电压源可以连接至第一接收线路，并且高参考电压源可以连接至第二接收线路。
10.在一些示例中，第一场效应晶体管具有低检测电压，并且第一场效应晶体管被配置成在经滤波的电压处于或高于低检测电压时检测经滤波信号。在一些实施例中，其中第二场效应晶体管具有高检测电压，并且第二场效应晶体管被配置成在经滤波的电压处于或低于高检测电压时检测经滤波信号。该系统还可以包括用于重建所检测到的经滤波信号的锁存器。
11.本公开的另一方面涉及一种传输设备，该传输设备包括用于在电力线路连接上向另一设备提供数据的电路，该传输设备包括：电力线路，所述电力线路从源设备处的电力供给延伸；发射器线路，所述发射器线路耦合至电力线路；电容器，所述电容器在耦合点处将发射器线路耦合至电力线路；以及电源。
12.在一些示例中，传输设备包括被定位在耦合点与电源之间的lc滤波器。
13.在一些示例中，发射器线路被配置成将从发射器接收到的数据信号输送至电力线路。
14.在一些实施例中，电容器对数据信号进行滤波。
15.本公开的另一方面涉及一种接收设备，包括：电力线路；接收器，包括：第一场效应晶体管；第二场效应晶体管；以及锁存器；第一电容器，用于将电力线路耦合至第一场效应晶体管；以及第二电容器，用于将电力线路耦合至第二场效应晶体管，其中该设备被配置成在电力线路上从另一设备接收电力和数据。
16.在一些示例中，接收设备还被配置成在电力线路上向其他设备传输数据。
17.在一些实施例中，电源可以连接至电力线路。
附图说明
18.图1是图示了根据本公开的各方面的示例系统的功能框图。
19.图2是图1的系统的示例直观图。
20.图3是图1的系统的示例电路图。
21.图4是根据本公开的各方面的第一设备的详细电路图。
22.图5是根据本公开的各方面的经滤波信号的示例图示。
23.图6是根据本公开的各方面的第二设备的详细电路图。
24.图7是根据本公开的各方面的正脉冲检测的图示。
25.图8是根据本公开的各方面的负脉冲检测的图示。
具体实施方式
26.综述
27.本技术总体上涉及一种电路设计，该电路设计支持在电力线路上进行数据传输——通常被称为电力线路通信(plc)。可以在若干设备中的任一个中实现这种电路，其中一个设备向另一设备提供电力。例如，用于移动设备的无线配件，诸如一对无线耳塞，可以从壳体接收电力。根据本公开，用于耳塞的壳体内的电路可以支持通过用于给耳塞充电的电力线路将数据从壳体传输至耳塞。就这一点而言，在壳体与耳塞之间仅需要两个触点：一个触点用于在其上传输和接收数据和电力的电力线路，并且一个触点用于接地。
28.电路设计包括在电源设备(psd)与电力接收设备(prd)之间的电力线路接口和接地接口。该接口可以是例如线路接口、总线或适于将电力从psd递送至prd的任何其他类型的接口。psd和prd中的每个可以包括用于在电力线路上提供电力的电源。
29.发射器可以经由传输线路耦合至电力线路。电容器可以被定位在传输线路上，并且可以用于将发射器电容性地耦合至电力线路。电容器可以阻止传输线路上从发射器发送的dc信号，但是允许ac信号传递通过电力线路。
30.由发射器输出的数据信号可以是方波。当被传递通过电容器时，方波的dc分量可以被滤波，从而导致在电力线路上传输与方波的前缘相关联的正脉冲和与方波的后缘相关联的负脉冲。
31.prd可以包括经由两个接收线路连接至电力线路的接收器。每个接收线路可以连接至场效应晶体管(fet)或多通道fet的一个通道，该多通道fet作为边缘检测器操作以用于检测与数据信号的每个边缘相关联的脉冲。fet中的一个或多通道fet的通道中的一个可以被配置成检测正脉冲。另一个fet或多通道fet的另一通道可以被配置成检测负脉冲。在一些实例中，可以使用bjt或其他此类晶体管代替fet。
32.接收器中的锁存器可以从fet接收检测信号，并从检测到的信号中重建数据信号，用于输出以供prd的部件进行进一步处理。
33.在一些示例中，可以将相同的电路放置在psd和prd两者中。例如，对于无线耳塞和壳体，壳体可以在电力线路上向耳塞提供电力和数据，并且耳塞也可以在电力线路上向壳体提供电力和数据。通过在电力线路上传输数据，可以使用最小数目的设备触点，从而提供制造高效、更高的可靠性和易用性。
34.示例系统
35.图1图示了向第二电子设备130供应电力的第一电子设备110的示例。例如，第一电子设备110包括诸如电池112的电源，该电源可以向第二电子设备130的电池132供应电荷。第一电子设备110和第二电子设备130可以例如经由电力线路150和接地线路160电气地耦合。虽然电力线路150和接地线路160被示出为两个设备之间的相应线路，但是应当理解，第一电子设备110和第二电子设备130中的每个可以包括其自身的终止于触点的电力线路和接地线路，并且当第一电子设备110上的触点接触第二电子设备130的触点时，可以形成两个设备的电气耦合。在一些实例中，第一电子设备110可以从诸如无线充电器或usb-c充电器的另一设备接收电力，并使该电力传递通过第二设备。就这一点而言，第一电子设备可以不包括电池。
36.可以通过电力线路150供应从第一设备110到第二设备130的电荷。虽然示出了在一个方向上传输电力，但是在其他示例中，可以从任一设备向另一设备供应电力，例如取决于用户输入或检测到的条件。如图1中所示，也可以在电力线路150上从第一电子设备110向
第二电子设备130以及从第二电子设备130向第一电子设备110供应数据。数据可以包括任何种类的信息，诸如电池电量、媒体播放信息、软件更新、固件更新等。在一些示例中，可以独立于电力传输来禁用在电力线路150上进行数据传输。
37.图2提供了图示图1的设备的示例的直观图。如该示例中所示，第一电子设备是壳体210，而第二电子设备是一对耳塞230。耳塞230可能是无线的，因为它们不需要与音乐播放器、电话或其他设备进行有线连接以被供电。耳塞230包括一个或多个电池232，其向耳塞230和其中的其他部件，诸如发射器、接收器、放大器等，提供电力。鉴于耳塞230的小尺寸，耳塞230的电池232可能相对较小。其中装运和存储耳塞230的壳体210可具有较大的电池212。壳体210的该较大的电池212可将电荷递送至耳塞230的较小的电池232。
38.当以给定的定向将耳塞230放置在壳体210内时，耳塞230上的触点231可以与壳体210上的触点(未示出)接触以确立电气连接，包括电力线路连接和接地线路连接。触点可以包括弹簧针或能够连接和断开的任何其他此类连接器。在一些示例中，每个耳塞可以独立地操作，并且因此与第一耳塞确立电力线路连接和接地线路连接，而与第二耳塞确立分离的电力线路连接和接地线路连接。因此，壳体210可将电力供应给耳塞230，并且在电力线路上将数据供应给耳塞230。耳塞230还可在电力线路上向壳体210提供数据。在一些实例中，耳塞230可以向壳体210提供电力。
39.虽然图2的示例将第一电子设备图示为壳体，并且将第二电子设备图示为一对耳塞，但是应当理解，可以在多种设备中的任一个中实现在电力线路上的数据传送。仅举例来说，电子设备可以包括以下中的任一个：电话、电话配件、智能手表、玩具、游戏系统和控制器、诸如鼠标、键盘、操纵杆、触摸板的输入设备、平板电脑等。
40.图3提供了图示第一电子设备(psd)和第二电子设备(prd)的电路设计的电路图。虽然在该示例中，将分隔线390左侧所示的第一设备310标记为壳体，而将分隔线390右侧所示的第二设备330标记为耳塞，但是如上面所提及的，第一设备和第二设备可以是多种类型的设备中的任一个。在该示例中，第一耳塞(第二设备330)和第二耳塞380附接至来自壳体(第一设备310)的同一电力线路。虽然未示出，但是壳体310和耳塞330、380也可以经由接地线路连接。示出了耳塞330、380共享同一对物理线路。其他设计也是可能的，诸如从壳体310出来的两条电力线路，每条总线都经由电力线路和接地线路连接至特定的耳塞。因为在该示例中，第二耳塞380的内部部件与第一耳塞(第二设备330)相同，所以为简单起见，仅示出了第一耳塞的电路。
41.第一设备310包括电源312，诸如dc电源。虽然未示出，但是dc电源可以包括或以其他方式连接至开关模式电力供给(smps)调节器。电源可以在从其延伸的电力线路315上输出电力。如果存在，则电力可以传递通过smps调节器。第一设备310还包括带有接地线路316的接地，该接地线路316通过电容器317电容性地耦合至电力线路315。在接地线路316之后将电感器318插入到电力线路315中。电容器317和电感器318可以充当虚线框319中示出的lc滤波器，以减少耦合至smps调节器的电力噪声。虽然前述示例图示了lc滤波器，但是也可以使用rc滤波器或能够降低高频噪声的其他此类滤波器来代替lc滤波器或与lc滤波器结合使用。
42.第二设备330包括其电力电路，该电力电路对应于第一设备310的电力电路。例如，第二设备330包括电源332，诸如电池。如同在第一设备310中，电源332可以包括或以其他方
式连接至开关模式电力供给(smps)调节器。电源可以在从其延伸的电力线路335上输出电力。如果存在，则电力可以传递通过smps调节器。第二设备330还包括带有接地线路336的接地，该接地线路通过电容器337电容性地耦合至电力线路335。在接地线路336之后将电感器338插入到电力线路335中。电容器337和电感器338可以充当虚线框339中示出的lc滤波器，以减少耦合至smps调节器的电力噪声。虽然前述示例图示了lc滤波器，但是也可以使用rc滤波器或能够降低高频噪声的其他此类滤波器来代替lc滤波器或与lc滤波器结合使用。
43.第一设备310的电力线路315之间的连接可以用第二设备330的电力线路335完成。例如，并且如图3中所示，电力线路315与电力线路335之间的连接在点301处完成。点301可以形成在壳体310的触点连接至第一设备330的触点的位置处。虽然未示出，但是接地线路316和336也可以接合在某一点处，该点对应于来自第一设备310的另一触点与来自第二设备330的另一触点连接的位置。另外，可以在壳体310与耳塞380之间形成单独的连接点，以连接其相应的电力线路和接地线路。
44.第一设备310可以包括发射器，该发射器可以在传输线路325上输出信号。传输线路325可以经由电容器327电容性地耦合至电力线路315。电容器可以是具有10nf与100nf之间或附近的值的多层陶瓷电容器(mlcc)，虽然取决于被传输的信号其他值也是可能的。
45.第二设备330中的接收线路345和346可以将接收器360电容性地耦合至电力线路335。就这一点而言，电容器347可以将接收线路345耦合至接收器360，而电容器348可以将接收线路346耦合至接收器360。电容器347和348可以是具有10nf与100nf之间或附近的值的mlcc，虽然取决于所接收到的信号和脉冲其他值也是可能的。
46.接收器350可以包括边缘检测器360和锁存器370。如本文中进一步描述的，边缘检测器360可以被配置成检测在电力线路315和335上发送的经滤波的数据信号，并且锁存器可以从检测到的经滤波数据信号中重建数据信号。虽然示出了锁存器370和边缘检测器360包括在接收器350中，但是接收器350可以仅包括边缘检测器360，并且锁存器370可以被定位在第二设备330中的其他位置。
47.图4示出了第一设备310的电路的操作。就这一点而言，电源312可以在电力线路315上以标记为v
dd
的特定电压和电流(未示出)输出电力。举非限制性示例来说，v
dd
可以是5伏，虽然电源312也可以输出诸如2.77伏、12伏等其他电压。电力可以流过由电容器317和电感器318形成的lc滤波器319，如由箭头431所示。电容器可以具有在10μf附近值，而电感器可以具有在1μh附近的值，虽然取决于充电器的噪声水平公差的其他值也是可能的。
48.数据信号401可以由发射器(未示出)在传输线路325上发送。数据信号401可以包括一个或多个方波，如图4中进一步示出。在一些实例中，方波的值可以在0v与5v之间，虽然其他电压范围也是可能的。数据信号401可以行进通过电容器327，其将传输线路325耦合至电力线路315。当数据信号401传递通过电容器时，每个方波被转换成具有对应的正脉冲和负脉冲的经滤波信号403。就这一点而言，滤波器信号403包括对应于方波的上升缘的正脉冲405和对应于方波的后缘的负脉冲407。当使数据信号401传递通过电容器327时，可能引入在1v至10v附近的电压摆幅。为了解决该电压摆幅，电容器327可以具有高于10v的额定值。
49.参看图5，可以通过由经滤波的数据信号引入的每个正脉冲和负脉冲来改变电力线路315上的电压。例如，在传输线路325上传输数据信号401之前，在电力线路315上电压可
能为v
dd
。当对数据信号401进行传输和滤波时，经滤波的数据信号403的第一脉冲405可能会将电力线路315上的电压升高至v
dd
加上正脉冲405的电压，如由图5的v
dd 正
线路所示。相似地，负脉冲随后可以将电力线路315的电压下拉至v
dd
减去负脉冲407的电压，如由图5的v
dd

负
线路所示。虽然图4和图5图示了仅具有单个方波的数据信号403，但是数据信号中可以包括任何数目的方波，并且可以传输任何数目的数据信号。
50.图6图示了第二设备330的电路的操作。经滤波的信号403以及来自电源312的电力在通过连接点301被接收到之后可在电力线路335上行进。来自电源312的电力可以被用来为电源332充电。可以将经滤波的信号403馈送至接收器350的边缘检测器360内的场效应晶体管(fet)661和662。就这一点而言，经滤波的信号403可以传递通过电容器347到达连接至fet 661的接收线路345。相似地，经滤波的信号403可以传递通过电容器348到达连接至fet 662的接收线路346。虽然图6将边缘检测器图示为具有两个分开的fet，但是如本文所述可以代替地使用多通道fet。lc滤波器339可以是低通滤波器，该低通滤波器相对于相似的rc滤波器，有助于减小电力噪声并且可以减小对噪声进行滤波所需的电力。
51.fet 661和fet 662可以各自被配置成检测数据信号的脉冲中的相应一个。为了支持检测，可以将参考电压添加到fet 661和fet 662。例如，可以将参考电压v
il ref
提供给fet 661，并且可以将参考电压v
ih ref
提供给fet 662。可以将这些参考电压提供给fet的栅极侧。通过在fet的栅极上施加参考电压，可以将fet维持在导通或关断状态，直到达到可以将fet翻转到另一状态的足够强的脉冲为止。v
il ref
和v
ih ref
可以由分开的电源和/或电源332提供。就这一点而言，分压器可以用于将来自电源332的电力转换为v
il ref
和v
ih ref
。替代地，第二设备330中可以包括附加的电池或其他此类电源，以供应v
il ref
和v
ih ref
中的一个或多个。
52.将接收线路345、346耦合至电力线路335的电容器可以阻挡dc电压。就这一点而言，可以通过电容器347、348阻止存在于335上的dc电压传递到接收线路。因此，仅当发送了经滤波的信号时，接收线路345和346上才可能存在电压。
53.图7图示了fet 661对经滤波的信号的正脉冲的检测。就这一点而言，fet 661可以具有设定的高检测电压，如线路v
ih
所示，其可以为2.6v或在2.6v附近，并且fet 661可以具有设定的低检测电压，如线路v
il
所示，其可以为1.9v或在1.9v附近。v
ih
和v
il
的值可以与列出的那些值不同，并且可以取决于所使用的fet或晶体管的类型。如图6中所示，v
il ref
是低于低检测电压v
il
的值。在将诸如正脉冲405的正脉冲输入到fet 661中之前和之后，fet 661处的电压可以是v
il ref
，分别如703和705所示。当将正脉冲405输入到fet 661中时，输入到fet 661中的电压可以增加到高于v
il ref
，最终达到v
il ref
的电压加上正脉冲的电压，如线路vil
ref
正所示。当电压从v
il ref
通过v
ih
时，fet 661可以检测到正脉冲的存在。在一些实例中，当电压从v
il ref
通过v
il
时，可以检测到正脉冲。
54.图8图示了fet 662对经滤波的信号的负脉冲的检测。就这一点而言，fet 662可以具有设定的高检测电压，如线路v
ih
所示，并且fet662可以具有设定的低检测电压，如线路v
il
所示。如图6中所示，v
il ref
是高于高检测电压v
ih
的值。在将诸如负脉冲407的负脉冲输入到fet 661中之前和之后，fet 662处的电压可以是v
ih ref
，分别如803和805所示。当将负脉冲407输入到fet 662中时，输入到fet 662的电压可以减小到低于v
ih ref
，最终达到v
ih ref
的电压加上负脉冲的电压，如线路v
ih ref
负所示。当电压从v
ih ref
通过v
il
时，fet 662可以
检测到正脉冲的存在。在一些实例中，当电压从v
ih ref
通过v
ih
时，可以会检测到正脉冲。
55.在一些实例中，可以用诸如1.8v、3.3v、5v的附加电压来补充检测到的脉冲，以使检测到的脉冲的电压达到满足有关边缘检测器可以连接到的任何接口的要求的电平。举例来说，接口(未示出)可以是i2c接口、通用异步接收器/发射器(uart)和/或串行线调试(swd)接口。可以通过fet 661和fet 662和/或附接至fet的电压源来供应附加电压，虽然可以在fet之后施加附加电压。
56.如图6中所示，在检测到脉冲后，fet 661和fet 662可以将检测到的信号输出至锁存器370。锁存器370可以重建数据信号，如方波信号603所示，用于输出以由第二设备330的部件进行进一步处理。图7和图8中图示了数据信号的重建。就这一点而言，如图7中所示，当fet 661检测到正脉冲时，锁存器370可以生成方波713的、具有例如为0v的低电压和为v
dd
的高电压的一部分。相似地，当fet 662检测到负脉冲时，锁存器370可以生成方波813、具有为v
dd
的高电压和为0v的低电压的一部分。锁存器370可以组合方波713的所述部分和方波813的所述部分以重建与由第一设备310的发射器发送的数据信号401相匹配的重建方波信号603。d触发电路可以用于重建数据信号。就这一点而言，d触发电路的正侧可以是输入信号，而负侧可以是复位信号。在另一示例中，微处理器可以用于检测正脉冲的上升缘以生成高信号，并且用于检测负脉冲的下降缘以生成负脉冲。
57.虽然上面的示例描述了从第一设备310到第二设备330的通信，但是也可以使数据在相反的方向上从第二设备330到第一设备310传输。就这一点而言，虽然本文详细描述了第一设备310和第二设备330内的特定电路，但是每个设备可以具有相同电路设计，以使得两个设备之间可以进行双向通信。也就是说，图3中示出的第一设备310的部件可以在第二设备330中实现，而第二设备330的部件可以在第一设备310中实现。
58.本文描述的技术是有利的，因为它允许在电力线路上传输数据，从而最小化设备之间的通信和电力递送所需的设备触点的数目。减少的设备触点数目提供制造高效、更高的可靠性和易用性，并且提供降低的成本。本文所描述的技术还提供了设备跨电力线路通信的能力，而无需会增加设备制造的复杂性和成本的调制模块和解调模块。此外，因为不需要调制，所以传播延迟被最小化，并且降低了由高频载波产生的电磁干扰的风险。
59.另外，上述技术避免了对时分复用系统中使用的复杂检测机制和通信系统的需求，这降低了生产成本和复杂性。此外，上述消除了对运算放大器作为比较器以检测电力线路上的信号的需求，这将降低数据吞吐量。就这一点而言，上述技术可以以超过2mbps的数据速率进行操作。
60.虽然上述示例主要涉及耳塞和用于耳塞的壳体，但是应当理解，在电力线路上传输数据的设计可以在若干设备中的任一个中实现。仅举例来说，第一设备可以是智能手表、移动电话、平板电脑、扬声器、传声器、头戴式显示器、健身追踪器或若干其他设备中的任一个。第二设备可以是例如壳体、充电座、移动计算设备或能够向第一设备传输电力的任何其他类型的设备。
61.除非另有说明，否则前述替代示例不是互相排斥的，而是可以以各种组合实现以达成独特的优点。因为可以在不背离权利要求所限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其他变化形式和组合，所以对实施例的前述描述应当理解成是对权利要求所限定的主题的说明而不是限制。另外，本文所描述的示例的提供以及用短语表达为“诸如”、“包
括”等的用语不应被解释为将权利要求的主题限制于具体示例；相反，这些示例意在说明许多可能的实施例中的仅一个。此外，不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。