用于植入式装置的遥测系统设计.docx

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·C1一般要求满足T＞3～5）·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