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用于植入式装置的遥测系统设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍一种采用脉冲位置调制(PPM)的植入式装置遥测技术,给出了遥测系统电路和数据传送的帧结构及遥测的原理,指出了实现该系统需注意的问题。

    关键词:植入式装置 遥测 编程器 脉冲位置调制

植入式装置(例如植入式心脏起搏器、神经电刺激器等)的体内植入部分和体外程控器之间进行遥测时,工作距离不超过40mm,一般选用电磁耦合方式实现数据的传送。由于体内植入装置的能量供应受限制,为了延长其使用寿命,需要系统发送数据时的功耗尽量低。据此,本文设计了一种采用脉冲位置调制(PPM)的植入式装置遥测技术,包括控制单元、耦合单元、发射预处理单元和接收预处理单元。在发送数据时平均功耗很低,且电路简单可靠,可以减小装置的体积。

1 硬件设计思路

硬件电路是采用PPM方式进行遥测的物理基础,由于当前的植入式装置一般都具有双向通信功能。因此本文对体内植入部分和体外程控器采用相同的遥测电路结构,如图1所示。

(1)控制单元

由于体内植入部分对功耗、工作电压、装置体积及电路复杂度等因素的严格要求,所以采用静态功耗少、电压低、功能多、体积小的单片机进行控制。采用软件实现数据的脉冲位置调制和解调过程。

(2)数据发射单元

来自控制单元的数据信号,驱动能力很弱,无法直接驱动耦合回路将数据发射出去。采用MOS开关作为中间级,用来自控制单元的数据信号控制MOS开关的开启和闭合,驱动耦合单元发射瞬间的高压脉冲。
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    (3)数据接收单元

接收端接收到的信号由发射端天线的反冲电压耦合到接收端天线上形成,具有衰减的振荡拖尾。通过接收单元,把有衰减振荡的脉冲波形变换成标准的方波信号,使控制单元能够直接处理。

(4)耦合单元

脉冲信号的发射和接收效果与耦合单元性能有关,本文采用优化的空心短圆柱线圈作为天线。

2 工作原理

(1)模式切换

如图1所示,开关P是P沟道MOSFET,其栅极G由MCU控制。当栅极G被设置为低电平时,开关P导通,此时电路工作在数据脉冲的发射模式;当栅极G被设置为高电平时,开关P关断,这时电路工作在数据脉冲的接收模式。

(2)脉冲的发射

不同于电路比较复杂的谐振回路发射信号,本文中数据信号的发射基于电感升压原理:当发送端的开关N(N沟道MOSFET)导通时,电流流经线圈L1,电磁能量储存在线圈L1中;当N关断时,回路截止,线圈L1感应出瞬间的高压窄脉冲,紧接着是衰减的振荡拖尾信号,其中高压窄脉冲被用作PPM信号。接收端通过电磁耦合方式接收信号。

开关N关断时线圈上产生自感电动势(即反冲电压)ε=-L,而dt是N由导通到闭合的转换时间,N确定则dt为定值,同时线圈固定则L也为定值,因此当N导通时电流I越大则N关断瞬间产生的反冲电压就越大。另一方面,要求脉冲发射时能耗尽量少,因此N的导通时间设置为使I接近饱和。为了便于观察,在回路中串接阻值小的电阻R2,如图1所示。当N导通时,根据R2上测得的电压波形,就可以方便地看到I是否接近饱和,从而优化N的导通时间。

(3)脉冲的接收

耦合到接收端线圈L1的脉冲信号经过隔直电容C4,直流分量被滤掉,有用的信号(频率)分量传送到脉冲判别和脉宽延展电路。

运放A1和电阻R3、R4、R5、R6、R7,以及电容C2、C3组成脉冲判别和脉宽延展电路:其中C2起滤波作用,使接收到的脉冲信号振荡减弱。可变电阻R7用来调节门限。运放A1平时输出为高电平,当A1反相输入端接收到脉冲幅度大于门限时,输出反转,变为低电平。电容C3起正反馈作用,延展负脉冲宽度,以使单片机能够识别处理。延展后的负脉冲作为外部中断触发单片机,请求响应。

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