摘? 要: 介紹一種采用脈沖位置調(diào)制(PPM)的植入式" title="植入式">植入式裝置遙測(cè)技術(shù),給出了遙測(cè)系統(tǒng)電路和數(shù)據(jù)傳送的幀結(jié)構(gòu)及遙測(cè)的原理,指出了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)需注意的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞: 植入式裝置? 遙測(cè)? 編程器? 脈沖位置調(diào)制
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植入式裝置(例如植入式心臟起搏器、神經(jīng)電刺激器等)的體內(nèi)植入部分和體外程控器之間進(jìn)行遙測(cè)時(shí),工作距離不超過(guò)40mm,一般選用電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。由于體內(nèi)植入裝置的能量供應(yīng)受限制,為了延長(zhǎng)其使用壽命,需要系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的功耗盡量低。據(jù)此,本文設(shè)計(jì)了一種采用脈沖位置調(diào)制(PPM)的植入式裝置遙測(cè)技術(shù),包括控制單元、耦合單元、發(fā)射預(yù)處理單元和接收預(yù)處理單元。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)平均功耗很低,且電路簡(jiǎn)單可靠,可以減小裝置的體積。
1 硬件設(shè)計(jì)思路
硬件電路是采用PPM方式進(jìn)行遙測(cè)的物理基礎(chǔ),由于當(dāng)前的植入式裝置一般都具有雙向通信功能。因此本文對(duì)體內(nèi)植入部分和體外程控器采用相同的遙測(cè)電路結(jié)構(gòu),如圖1所示。
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(1)控制單元
由于體內(nèi)植入部分對(duì)功耗、工作電壓、裝置體積及電路復(fù)雜度等因素的嚴(yán)格要求,所以采用靜態(tài)功耗少、電壓低、功能多、體積小的單片機(jī)進(jìn)行控制。采用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的脈沖位置調(diào)制和解調(diào)過(guò)程。
(2)數(shù)據(jù)發(fā)射單元
來(lái)自控制單元的數(shù)據(jù)信號(hào),驅(qū)動(dòng)能力很弱,無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)耦合回路將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。采用MOS開(kāi)關(guān)作為中間級(jí),用來(lái)自控制單元的數(shù)據(jù)信號(hào)控制MOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和閉合,驅(qū)動(dòng)耦合單元發(fā)射瞬間的高壓脈沖。
(3)數(shù)據(jù)接收單元
接收端" title="接收端">接收端接收到的信號(hào)由發(fā)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(guò)接收單元,把有衰減振蕩的脈沖波形變換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào),使控制單元能夠直接處理。
(4)耦合單元
脈沖信號(hào)的發(fā)射和接收效果與耦合單元性能有關(guān),本文采用優(yōu)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(kāi)關(guān)P是P溝道MOSFET,其柵極G由MCU控制。當(dāng)柵極G被設(shè)置為低電平時(shí),開(kāi)關(guān)P導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通,此時(shí)電路工作在數(shù)據(jù)脈沖的發(fā)射模式;當(dāng)柵極G被設(shè)置為高電平時(shí),開(kāi)關(guān)P關(guān)斷,這時(shí)電路工作在數(shù)據(jù)脈沖的接收模式。
(2)脈沖的發(fā)射
不同于電路比較復(fù)雜的諧振回路發(fā)射信號(hào),本文中數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)射基于電感升壓原理:當(dāng)發(fā)送端的開(kāi)關(guān)N(N溝道MOSFET)導(dǎo)通時(shí),電流流經(jīng)線圈L1,電磁能量?jī)?chǔ)存在線圈L1中;當(dāng)N關(guān)斷時(shí),回路截止,線圈L1感應(yīng)出瞬間的高壓窄脈沖,緊接著是衰減的振蕩拖尾信號(hào),其中高壓窄脈沖被用作PPM信號(hào)。接收端通過(guò)電磁耦合方式接收信號(hào)。
開(kāi)關(guān)N關(guān)斷時(shí)線圈上產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)(即反沖電壓)
,而dt是N由導(dǎo)通到閉合的轉(zhuǎn)換時(shí)間,N確定則dt為定值,同時(shí)線圈固定則L也為定值,因此當(dāng)N導(dǎo)通時(shí)電流I越大則N關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的反沖電壓就越大。另一方面,要求脈沖發(fā)射時(shí)能耗盡量少,因此N的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)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(dāng)N導(dǎo)通時(shí),根據(jù)R2上測(cè)得的電壓波形,就可以方便地看到I是否接近飽和,從而優(yōu)化N的導(dǎo)通時(shí)間。
(3)脈沖的接收
耦合到接收端線圈L1的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直電容C4,直流分量被濾掉,有用的信號(hào)(頻率)分量傳送到脈沖判別和脈寬延展電路。
運(yùn)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(hào)振蕩減弱?？勺冸娮鑂7用來(lái)調(diào)節(jié)門(mén)限。運(yùn)放A1平時(shí)輸出為高電平,當(dāng)A1反相輸入端接收到脈沖幅度大于門(mén)限時(shí),輸出反轉(zhuǎn),變?yōu)榈碗娖?。電容C3起正反饋?zhàn)饔?延展負(fù)脈沖寬度,以使單片機(jī)能夠識(shí)別處理。延展后的負(fù)脈沖作為外部中斷觸發(fā)單片機(jī),請(qǐng)求響應(yīng)。
(4)電源的穩(wěn)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(fā)射數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)提供足夠能量,并且不使電源受到數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)電感上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波動(dòng)影響,由電阻R1和電容C1組成去耦電路。數(shù)據(jù)發(fā)射周期T必須大于時(shí)間常數(shù)τ1=R1·C1,一般要求滿(mǎn)足T>(3～5)·τ1。
在做植入式裝置遙測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)MCU控制電阻R8與發(fā)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(shè)計(jì)
本文研究植入式裝置的數(shù)據(jù)遙測(cè),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?jī)晌欢M(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制成一個(gè)4-PPM(四進(jìn)制)信號(hào)。數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào),以及4-PPM信號(hào)以幀格式發(fā)送和接收都由軟件控制。
定義傳輸一個(gè)4-PPM信號(hào)的基本時(shí)間單位為一幀(frame),如圖2所示,A～F構(gòu)成一幀。把一幀的持續(xù)時(shí)間平均分成8份,每一小份時(shí)間段代表一個(gè)時(shí)隙" title="時(shí)隙">時(shí)隙(slot),則一幀由slot0～slot7組成。每一幀里的8個(gè)時(shí)隙組成4個(gè)固定的時(shí)區(qū),在每一個(gè)時(shí)區(qū)內(nèi)包括一定的變化脈沖位置:
(1)第一個(gè)固定時(shí)區(qū)由時(shí)隙slot0和slot1組成,如圖2中的A、B。在每一幀里的預(yù)定脈沖位置產(chǎn)生一個(gè)幀同步" title="幀同步">幀同步信號(hào),從而使接收端確定這是一幀的開(kāi)始,使幀同步。幀同步信號(hào)位于每一幀的第一個(gè)固定時(shí)區(qū)內(nèi),而且是唯一的同步信號(hào)。如圖2所示,幀起始由脈沖P1確定,它所在的時(shí)隙則定義為slot0,幀同步脈沖P2位于幀的第一個(gè)固定時(shí)區(qū)內(nèi)的固定位置——時(shí)隙slot1。當(dāng)接收端在接收到P1之后(設(shè)為slot0),若接著在slot1接收到P2,則可以確定正在接收一幀,即發(fā)送端和接收端之間實(shí)現(xiàn)幀同步。
(2)第二個(gè)固定時(shí)區(qū)由時(shí)隙slot2組成,如圖2中C。這個(gè)時(shí)區(qū)是一個(gè)保護(hù)帶,因?yàn)楸Ｗo(hù)帶的存在,使幀同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖在一起不會(huì)被當(dāng)作新的幀同步脈沖,從而唯一地確定一幀,防止數(shù)據(jù)交迭。
(3)第三個(gè)固定時(shí)區(qū)由時(shí)隙slot3～slot6組成,圖2中的C～E區(qū)間。在這個(gè)時(shí)區(qū)內(nèi)的脈沖位置產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)量值信號(hào),表示被發(fā)送信息的數(shù)值,4個(gè)時(shí)隙唯一地表示兩位二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)脈沖P3,它位于時(shí)隙slot4,因此表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)是“01”。
(4)第四個(gè)固定時(shí)區(qū)由時(shí)隙slot7組成, 如圖2中的F。這個(gè)時(shí)區(qū)也是一個(gè)保護(hù)帶。Slot7標(biāo)志這一幀數(shù)據(jù)結(jié)束,從slot8(0)(即slot7之后的一個(gè)時(shí)隙)起,將開(kāi)始另一幀數(shù)據(jù)信號(hào),slot8也就是下一幀的時(shí)隙slot0。
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本文介紹了一種采用低功耗脈沖位置調(diào)制方式的植入式裝置遙測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟、硬件。脈沖發(fā)射采用電感升壓的原理,電路比較簡(jiǎn)單,且發(fā)送脈沖在時(shí)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(cè)可靠性。數(shù)據(jù)傳送的幀格式能夠方便地實(shí)現(xiàn)幀同步。適用于需要近距離低功耗遙測(cè)的系統(tǒng),如各種遙測(cè)數(shù)據(jù)量不大的植入式裝置。
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