摘? 要: 介紹一種采用脈沖位置調制(PPM)的植入式" title="植入式">植入式裝置遙測技術,給出了遙測系統電路和數據傳送的幀結構及遙測的原理,指出了實現該系統需注意的問題。
關鍵詞: 植入式裝置? 遙測? 編程器? 脈沖位置調制
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植入式裝置(例如植入式心臟起搏器、神經電刺激器等)的體內植入部分和體外程控器之間進行遙測時,工作距離不超過40mm,一般選用電磁耦合方式實現數據的傳送。由于體內植入裝置的能量供應受限制,為了延長其使用壽命,需要系統發送數據時的功耗盡量低。據此,本文設計了一種采用脈沖位置調制(PPM)的植入式裝置遙測技術,包括控制單元、耦合單元、發射預處理單元和接收預處理單元。在發送數據時平均功耗很低,且電路簡單可靠,可以減小裝置的體積。
1 硬件設計思路
硬件電路是采用PPM方式進行遙測的物理基礎,由于當前的植入式裝置一般都具有雙向通信功能。因此本文對體內植入部分和體外程控器采用相同的遙測電路結構,如圖1所示。
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(1)控制單元
由于體內植入部分對功耗、工作電壓、裝置體積及電路復雜度等因素的嚴格要求,所以采用靜態功耗少、電壓低、功能多、體積小的單片機進行控制。采用軟件實現數據的脈沖位置調制和解調過程。
(2)數據發射單元
來自控制單元的數據信號,驅動能力很弱,無法直接驅動耦合回路將數據發射出去。采用MOS開關作為中間級,用來自控制單元的數據信號控制MOS開關的開啟和閉合,驅動耦合單元發射瞬間的高壓脈沖。
(3)數據接收單元
接收端" title="接收端">接收端接收到的信號由發射端天線的反沖電壓耦合到接收端天線上形成,具有衰減的振蕩拖尾。通過接收單元,把有衰減振蕩的脈沖波形變換成標準的方波信號,使控制單元能夠直接處理。
(4)耦合單元
脈沖信號的發射和接收效果與耦合單元性能有關,本文采用優化的空心短圓柱線圈作為天線。
2 工作原理
(1)模式切換
如圖1所示,開關P是P溝道MOSFET,其柵極G由MCU控制。當柵極G被設置為低電平時,開關P導通" title="導通">導通,此時電路工作在數據脈沖的發射模式;當柵極G被設置為高電平時,開關P關斷,這時電路工作在數據脈沖的接收模式。
(2)脈沖的發射
不同于電路比較復雜的諧振回路發射信號,本文中數據信號的發射基于電感升壓原理:當發送端的開關N(N溝道MOSFET)導通時,電流流經線圈L1,電磁能量儲存在線圈L1中;當N關斷時,回路截止,線圈L1感應出瞬間的高壓窄脈沖,緊接著是衰減的振蕩拖尾信號,其中高壓窄脈沖被用作PPM信號。接收端通過電磁耦合方式接收信號。
開關N關斷時線圈上產生自感電動勢(即反沖電壓)
,而dt是N由導通到閉合的轉換時間,N確定則dt為定值,同時線圈固定則L也為定值,因此當N導通時電流I越大則N關斷瞬間產生的反沖電壓就越大。另一方面,要求脈沖發射時能耗盡量少,因此N的導通時間設置為使I接近飽和。為了便于觀察,在回路中串接阻值小的電阻R2,如圖1所示。當N導通時,根據R2上測得的電壓波形,就可以方便地看到I是否接近飽和,從而優化N的導通時間。
(3)脈沖的接收
耦合到接收端線圈L1的脈沖信號經過隔直電容C4,直流分量被濾掉,有用的信號(頻率)分量傳送到脈沖判別和脈寬延展電路。
運放A1和電阻R3、R4、R5、R6、R7,以及電容C2、C3組成脈沖判別和脈寬延展電路:其中C2起濾波作用,使接收到的脈沖信號振蕩減弱。可變電阻R7用來調節門限。運放A1平時輸出為高電平,當A1反相輸入端接收到脈沖幅度大于門限時,輸出反轉,變為低電平。電容C3起正反饋作用,延展負脈沖寬度,以使單片機能夠識別處理。延展后的負脈沖作為外部中斷觸發單片機,請求響應。
(4)電源的穩定
如圖1所示,VDD是裝置的直流電源電壓。為了能在線圈L1發射數據信號時提供足夠能量,并且不使電源受到數據發射時電感上感應電動勢的波動影響,由電阻R1和電容C1組成去耦電路。數據發射周期T必須大于時間常數τ1=R1·C1,一般要求滿足T>(3～5)·τ1。
在做植入式裝置遙測實驗時,通過MCU控制電阻R8與發光二極管LED組成的指示電路,可以直觀地了解通信狀況。
3 軟件設計
本文研究植入式裝置的數據遙測,綜合考慮信息傳輸速率和平均功率消耗等因素,采用4-PPM方式。即每兩位二進制數據信號調制成一個4-PPM(四進制)信號。數據的調制和解調,以及4-PPM信號以幀格式發送和接收都由軟件控制。
定義傳輸一個4-PPM信號的基本時間單位為一幀(frame),如圖2所示,A～F構成一幀。把一幀的持續時間平均分成8份,每一小份時間段代表一個時隙" title="時隙">時隙(slot),則一幀由slot0～slot7組成。每一幀里的8個時隙組成4個固定的時區,在每一個時區內包括一定的變化脈沖位置:
(1)第一個固定時區由時隙slot0和slot1組成,如圖2中的A、B。在每一幀里的預定脈沖位置產生一個幀同步" title="幀同步">幀同步信號,從而使接收端確定這是一幀的開始,使幀同步。幀同步信號位于每一幀的第一個固定時區內,而且是唯一的同步信號。如圖2所示,幀起始由脈沖P1確定,它所在的時隙則定義為slot0,幀同步脈沖P2位于幀的第一個固定時區內的固定位置——時隙slot1。當接收端在接收到P1之后(設為slot0),若接著在slot1接收到P2,則可以確定正在接收一幀,即發送端和接收端之間實現幀同步。
(2)第二個固定時區由時隙slot2組成,如圖2中C。這個時區是一個保護帶,因為保護帶的存在,使幀同步脈沖和數據脈沖在一起不會被當作新的幀同步脈沖,從而唯一地確定一幀,防止數據交迭。
(3)第三個固定時區由時隙slot3～slot6組成,圖2中的C～E區間。在這個時區內的脈沖位置產生一個數據量值信號,表示被發送信息的數值,4個時隙唯一地表示兩位二進制數據信息:slot3表示“00”,slot4表示“01”,slot5表示“10”,slot6表示“11”。例如,圖2中的數據脈沖P3,它位于時隙slot4,因此表示二進制數據是“01”。
(4)第四個固定時區由時隙slot7組成, 如圖2中的F。這個時區也是一個保護帶。Slot7標志這一幀數據結束,從slot8(0)(即slot7之后的一個時隙)起,將開始另一幀數據信號,slot8也就是下一幀的時隙slot0。
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本文介紹了一種采用低功耗脈沖位置調制方式的植入式裝置遙測技術,設計了系統軟、硬件。脈沖發射采用電感升壓的原理,電路比較簡單,且發送脈沖在時間上有尖銳的定位,能較好地抑制噪聲干擾,提高了裝置遙測可靠性。數據傳送的幀格式能夠方便地實現幀同步。適用于需要近距離低功耗遙測的系統,如各種遙測數據量不大的植入式裝置。
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參考文獻
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