用于植入式装置的遥测系统设计

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。 （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。 （４）电源的稳定 如图１所示，ＶＤＤ是装置的直流电源电压。为了能在线圈Ｌ１发射数据信号时提供足够能量，并且不使电源受到数据发射时电感上感应电动势的波动影响，由电阻Ｒ１和电容Ｃ１组成去耦电路。数据发射周期Ｔ必须大于时间常数τ１＝Ｒ１%26;#183;Ｃ１，一般要求满足Ｔ＞３～５）%26;#183;τ１。 在做植入式装置遥测实验时，通过ＭＣＵ控制电阻Ｒ８与发光二极管ＬＥＤ组成的指示电路，可以直观地了解通信状况。 ３ 软件设计 本文研究植入式装置的数据遥测，综合考虑信息传输速率和平均功率消耗等因素，采用４－ＰＰＭ方式。即每两位二进制数据信号调制成一个４－ＰＰＭ（四进制）信号。数据的调制和解调，以及４－ＰＰＭ信号以帧格式发送和接收都由软件控制。 定义传输一个４－ＰＰＭ信号的基本时间单位为一帧（ｆｒａｍｅ），如图２所示，Ａ～Ｆ构成一帧。把一帧的持续时间平均分成８份，每一小份时间段代表一个时隙（ｓｌｏｔ），则一帧由ｓｌｏｔ０～ｓｌｏｔ７组成。每一帧里的８个时隙组成４个固定的时区，在每一个时区内包括一定的变化脉冲位置： （１）第一个固定时区由时隙ｓｌｏｔ０和ｓｌｏｔ１组成，如图２中的Ａ、Ｂ。在每一帧里的预定脉冲位置产生一个帧同步信号，从而使接收端确定这是一帧的开始，使帧同步。帧同步信号位于每一帧的第一个固定时区内，而且是唯一的同步信号。如图２所示，帧起始由脉冲Ｐ１确定，它所在的时隙则定义为ｓｌｏｔ０，帧同步脉冲Ｐ２位于帧的第一个固定时区内的固定位置--时隙ｓｌｏｔ１。当接收端在接收到Ｐ１之后（设为ｓｌｏｔ０），若接着在ｓｌｏｔ１接收到Ｐ２，则可以确定正在接收一帧，即发送端和接收端之间实现帧同步。 （２）第二个固定时区由时隙ｓｌｏｔ２组成，如图２中Ｃ。这个时区是一个保护带，因为保护带的存在，使帧同步脉冲和数据脉冲在一起不会被当作新的帧同步脉冲，从而唯一地确定一帧，防止数据交迭。 （３）第三个固定时区由时隙ｓｌｏｔ３～ｓｌｏｔ６组成，图２中的Ｃ～Ｅ区间。在这个时区内的脉冲位置产生一个数据量值信号，表示被发送信息的数值，４个时隙唯一地表示两位二进制数据信息：ｓｌｏｔ３表示“００”，ｓｌｏｔ４表示“０１”，ｓｌｏｔ５表示“１０”，ｓｌｏｔ６表示“１１”。例如，图２中的数据脉冲Ｐ３，它位于时隙ｓｌｏｔ４，因此表示二进制数据是“０１”。 （４）第四个固定时区由时隙ｓｌｏｔ７组成 如图２中的Ｆ。这个时区也是一个保护带。Ｓｌｏｔ７标志这一帧数据结束，从ｓｌｏｔ８（０）（即ｓｌｏｔ７之后的一个时隙）起，将开始另一帧数据信号，ｓｌｏｔ８也就是下一帧的时隙ｓｌｏｔ０。 本文介绍了一种采用低功耗脉冲位置调制方式的植入式装置遥测技术，设计了系统软、硬件。脉冲发射采用电感升压的原理，电路比较简单，且发送脉冲在时间上有尖锐的定位，能较好地抑制噪声干扰，提高了装置遥测可靠性。数据传送的帧格式能够方便地实现帧同步。适用于需要近距离低功耗遥测的系统，如各种遥测数据量不大的植入式装置。