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用于植入式裝置的遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹一種采用脈沖位置調(diào)制（ＰＰＭ）的植入式裝置遙測(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)需注意的問題。關(guān)鍵詞：植入式裝置 遙測(cè) 編程器 脈沖位置調(diào)制
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。
（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)過程。
（２）數(shù)據(jù)發(fā)射單元
來自控制單元的數(shù)據(jù)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)能力很弱，無法直接驅(qū)動(dòng)耦合回路將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。采用ＭＯＳ開關(guān)作為中間級(jí)，用來自控制單元的數(shù)據(jù)信號(hào)控制ＭＯＳ開關(guān)的開啟和閉合，驅(qū)動(dòng)耦合單元發(fā)射瞬間的高壓脈沖。
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（３）數(shù)據(jù)接收單元
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)，開關(guān)Ｐ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)。接收端通過電磁耦合方式接收信號(hào)。
開關(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）ε＝－Ｌ，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�？勺冸娮瑁遥酚脕碚{(diào)節(jié)門限。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限時(shí)，輸出反轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖�。電容Ｃ３起正反饋�(zhàn)饔�，延展�?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·Ｃ１，一般要求滿足Ｔ＞?３～５）·τ１。
在做植入式裝置遙測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過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（ｓｌｏｔ），則一幀由ｓｌｏｔ０～ｓｌｏｔ７組成。每一幀里的８?jìng)�(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)幀同步信號(hào)，從而使接收端確定這是一幀的開始，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，將開始另一幀數(shù)據(jù)信號(hào)，ｓｌｏｔ８也就是下一幀的時(shí)隙ｓｌｏｔ０。
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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