應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信
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MODE/RTB=0/0 配置模式
MODE/RTB=0/1 保留
MODE/RTB=1/0 發(fā)射模式
MODE/RTB=1/1 接收模式
CK提供向MLX90121寫入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，DIN和DOUT則分別為數(shù)據(jù)的輸入和輸出。
使用MLX90121的第一步是初始化，這一過(guò)程在配置模式下通過(guò)寫入MLX90121的內(nèi)部寄存器完成。關(guān)鍵寄存器有3個(gè)：
模擬配置寄存器 AnalogConfig 地址0 H
電源狀態(tài)寄存器 PowerState 地址1 H
數(shù)字配置寄存器 DigitalConfig 地址3 H
具體步驟是：首先通過(guò)設(shè)置MODE/RTB=0/0進(jìn)入配置模式，而后通過(guò)DIN在CK的配合下寫入數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)幀為12 bit，包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置數(shù)據(jù)[5]。
在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將要使用MLX90121的直接發(fā)射和接收模式，而且已經(jīng)確定了下行通信采用非100%的ASK調(diào)制，上行通信采用無(wú)副載波的LSK調(diào)制，于是對(duì)MLX90121的初始化配置如下[5]：
模擬配置寄存器 AnalogConfig=83 H
電源狀態(tài)寄存器 PowerState=01 H
數(shù)字配置寄存器 DigitalConfig=00 H
正確初始化以后，MLX90121即會(huì)有13.56 MHz的等幅載波輸出。此后如果進(jìn)入發(fā)射模式，通過(guò)DIN寫入數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)下行通信；若進(jìn)入接收模式，則接收并經(jīng)過(guò)解調(diào)的信號(hào)由DOUT輸出。
2.2 下行通信
下行通信時(shí)，首先通過(guò)設(shè)置MODE/RTB=1/0使得MLX90121進(jìn)入發(fā)射模式，這時(shí)只要保持CK=0，MLX90121便處于直接發(fā)送模式，輸出的射頻信號(hào)直接由DIN引腳輸入的數(shù)據(jù)實(shí)施ASK調(diào)制。調(diào)制度由模擬配置寄存器和引腳MOD所連接的電阻共同決定。通信的數(shù)據(jù)率則完全取決于DSP向DIN寫入數(shù)據(jù)的速度，其上限僅受MLX90121時(shí)序和接收端解調(diào)電路性能的限制，與RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)。通過(guò)這種方式，大大提高了下行通信的數(shù)據(jù)率。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信速率為678 kb/s，測(cè)試結(jié)果表明該速率仍有進(jìn)一步提高的空間。
系統(tǒng)下行通信采用曼徹斯特碼，這是因?yàn)槁鼜厮固卮a具有0和1碼元數(shù)量相等的特性，調(diào)制后的載波具有穩(wěn)定的能量；另一方面曼徹斯特碼的解碼電路非常簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。圖4是完整的下行通信過(guò)程中各階段的波形示意圖。系統(tǒng)對(duì)單穩(wěn)態(tài)電路的要求是可以雙向觸發(fā)但不可重復(fù)觸發(fā)，其暫態(tài)時(shí)間τ滿足：T/2≤τ≤T，其中T為一個(gè)數(shù)據(jù)位的寬度。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/157443.htm
植入體在接收下行通信數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要提取射頻信號(hào)的包絡(luò)并整形，整形之后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)解碼電路恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。連續(xù)不斷的下行數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解釋后執(zhí)行，控制相關(guān)電路完成對(duì)耳蝸聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的電流刺激。
2.3 上行通信
上行通信時(shí)，首先通過(guò)設(shè)置MODE/RTB=1/1使得MLX90121進(jìn)入接收模式，并保持CK=0和DIN=1不變，則在給定的初始化設(shè)置下MLX90121處于一種特殊的直接接收模式[6]。此時(shí)，MLX90121的TX引腳輸出等幅載波，植入體以LSK方式對(duì)該載波進(jìn)行調(diào)制，已調(diào)載波由MLX90121的RX引腳接收，其內(nèi)部的模擬前端電路實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)幅度變化的邊緣檢測(cè)，并在每次載波幅度跳變時(shí)在DOUT引腳輸出一個(gè)窄脈沖，如圖5所示。
經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，MLX90121引腳DOUT的輸出脈沖指示了經(jīng)LSK調(diào)制后載波幅度變化邊沿的位置，但沒(méi)有直接解調(diào)出調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)。為了能從解調(diào)輸出的脈沖流序列中恢復(fù)出數(shù)據(jù)，需要采用某種編碼機(jī)制。對(duì)該編碼機(jī)制的要求是：無(wú)論數(shù)據(jù)為0還是1，在編碼后必須在碼內(nèi)有“跳變”存在，且根據(jù)跳變出現(xiàn)的位置間的關(guān)系可以確定是0還是1。顯然曼徹斯特碼可以滿足上述要求。它在每個(gè)碼內(nèi)都存在一個(gè)跳變，只要確定了前一個(gè)碼元的內(nèi)容，即可依次根據(jù)跳變邊緣的時(shí)間信息對(duì)后續(xù)碼元做出判決。因此在系統(tǒng)的上行通信中也采用了曼徹斯特編碼。
MLX90121是面向RFID標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)的芯片，在擴(kuò)展應(yīng)用中會(huì)有帶寬或碼率的限制，從而決定了上行通信的速率。按照給定的初始配置參數(shù)，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定“解調(diào)”的平均數(shù)據(jù)率為100 kb/s，能保持穩(wěn)定的范圍約為70～120 kb/s。當(dāng)數(shù)據(jù)率變化時(shí)，DOUT引腳輸出脈沖的寬度也會(huì)隨之改變，但若超出上述范圍，輸出脈沖將會(huì)重疊或分裂，從而使得輸出脈沖的信息發(fā)生模糊，無(wú)法從中恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)上行通信的調(diào)制速率為100 kb/s。由于采用曼徹斯特編碼的緣故，實(shí)際有效信息的數(shù)據(jù)率為50 kb/s。按照上述設(shè)計(jì)，DOUT引腳輸出脈沖之間的間隔只可能出現(xiàn)10 μs和20 μs兩種情況。DSP根據(jù)這一特征，并結(jié)合適當(dāng)?shù)耐筋^和數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì)，即可通過(guò)軟件算法解碼出原始數(shù)據(jù)。
植入體的單片機(jī)通過(guò)ADC獲得數(shù)據(jù)（人工耳蝸所需的監(jiān)測(cè)、測(cè)量數(shù)據(jù)），根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議增加同步頭等數(shù)據(jù)位，再進(jìn)行曼徹斯特編碼形成發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后進(jìn)行LSK調(diào)制。單片機(jī)只需通過(guò)一個(gè)I/O引腳控制的MOS管開(kāi)關(guān)的通斷以改變接收線圈回路的負(fù)載即可實(shí)現(xiàn)LSK調(diào)制。
本文以RFID芯片MLX90121為核心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人工耳蝸體外語(yǔ)音處理器與植入體之間的半雙工高速通信。系統(tǒng)的無(wú)線能量傳輸穩(wěn)定可靠，下行通信速率為678 kb/s，上行通信速率為100 kb/s。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)證明了基于商用RFID技術(shù)及其器件實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的雙向通信是可行的。相對(duì)使用ASIC技術(shù)的產(chǎn)品，極大地節(jié)約了研發(fā)成本、縮短了研發(fā)周期并且具有很強(qiáng)的可移植性。
評(píng)論