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CN112468190A - 一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统 - Google Patents

一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统 Download PDF

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CN112468190A CN202011622011.5A CN202011622011A CN112468190A CN 112468190 A CN112468190 A CN 112468190A CN 202011622011 A CN202011622011 A CN 202011622011A CN 112468190 A CN112468190 A CN 112468190A
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Abstract

本发明涉及近场通讯设备技术领域，尤其是一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，包含主机芯片，所述主机芯片的输入端与主控单片机相连，所述主机芯片1输出端与高速双MOSFET全桥臂驱动器模块相连，所述主机芯片还连接有小信号仪表放大器模块，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块、小信号仪表放大器模块均与通讯模块相连。提升近场通讯主机系统的发送功率，提升通讯距离。并通过给从机端电容充电，降低近场通讯从机系统的通讯功耗，延长使用寿命；提升近场通讯主机系统的接收灵敏度，降低从机端的信号的应答功率需求，减小从机设备的体积，适合用于电池难以更换的场合；提升近场通讯系统的可靠性和通讯速率；提升近场通讯系统的通讯距离。

Description

一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统
技术领域
本发明涉及近场通讯设备技术领域，尤其是一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统。
背景技术
现有技术中,通讯主机一般采用单片机控制单桥臂Mos管驱动绕制线圈，以125KHZ的载波信号通过PPM（脉冲位置调制）的方式将信号传输给从机。接收则通过比较器对绕制线圈上的载波信号幅值进行硬件比较形成方波信号，再通过单片机定时器、计数器对载波进行解码。从机以同样的方式通过PPM(脉冲位置调制)将信号应答给主机。因此,通讯主机发送驱动功率较小，导致载波的幅值峰值较低，通讯距离较短。
现有技术中,通讯主机采用比较器对波形进行处理，接收灵敏度较低，无法接收小信号。导致从机端必须采用较大的应答功率，从机端系统通讯功耗较高，降低了从机端系统的待机寿命，且从机设备天线的体积较大。
现有技术中,通讯主机大多采用分立元器件进行设计，缺失对信息的硬件滤波处理，通过主控单片机进行载波的捕获、解析，较为占用单片机资源，降低了整个系统的实时性与通讯速率，容易受到干扰，通讯可靠性一般。
在体内植入式医用设备低速通讯的技术领域，上述缺点制约了通讯系统的使用寿命、制约了通讯的距离和精度，影响了患者使用体验。
发明内容
为了克服现有的近场通讯主机的不足，本发明提供了一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统。该主机系统具有高灵敏度、高输出功率，适用于植入式医疗器械、IC卡通讯、工业通讯等需要使用近场通讯的领域。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，包含主机芯片，所述主机芯片的输入端与主控单片机相连，所述主机芯片1输出端与高速双MOSFET全桥臂驱动器模块相连，所述主机芯片还连接有小信号仪表放大器模块，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块、小信号仪表放大器模块均与通讯模块相连。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述主机芯片集成有带通滤波器模块、限幅器模块、数字解调器模块、前级放大模块、载波控制驱动模块、分频器载波频率控制模块、逻辑控制模块和接口模块。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块还连接有DCDC升压模块。通过DCDC升压模块内的Boost升压电路进一步提高提供的电源电压。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块与通讯模块之间还连接有阻容滤波模块。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述小信号仪表放大器模块通过负压产生模块供电。负压产生模块产生+-5v的供电电压为小信号仪表放大器模块供电。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述通讯模块包含相连接的谐振电容和绕制线圈。通过谐振电容和绕制线圈实现信号的接收和发射。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述主机芯片还连接有晶体振荡器。晶体振荡器为主机芯片提供时钟信号，从而实现主机芯片的逻辑时钟运转与载波信号生成。
本发明的有益效果是：
1.提升了近场通讯主机系统的发送功率，提升了通讯距离。并通过给从机端电容充电，降低了近场通讯从机系统的通讯功耗，延长了植入式医疗器械等功耗敏感设备的使用寿命。
2.提升了近场通讯主机系统的接收灵敏度，降低了从机端的信号的应答功率需求，减小了从机设备的体积，适合用于电池难以更换的场合。
3.提升了近场通讯系统的可靠性。
4.提升了近场通讯系统的通讯速率。
5.提升了近场通讯系统的通讯距离。
6.适用于多种近场通讯主机系统的应用，包括体内植入式医用设备、IC卡通讯、工业通讯等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明与通讯从机通讯示意图。
图中1、主机芯片，1-1、带通滤波器模块，1-2、限幅器模块，1-3、数字解调器模块，1-4、前级放大模块，1-5、载波控制驱动模块，1-6、分频器载波频率控制模块，1-7、逻辑控制模块，1-8、接口模块，2、主控单片机，3、高速双MOSFET全桥臂驱动器模块，4、小信号仪表放大器模块，5、通讯模块，5-1、谐振电容，5-2、绕制线圈，6、DCDC升压模块，7、阻容滤波模块，8、负压产生模块，9、晶体振荡器。
具体实施方式
如图1至2是本发明的结构示意图，一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，包含主机芯片1，所述主机芯片1的输入端与主控单片机2相连，所述主机芯片1输出端与高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3相连，所述主机芯片1还连接有小信号仪表放大器模块4，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3、小信号仪表放大器模块4均与通讯模块5相连。
本申请通讯主机内置为一颗主机芯片1并配合高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3及小信号仪表放大器模块4，对载波信号进行充分的滤波、放大、整形、解码处理。对于接收应答信号，主机芯片1将通讯从机NRZ编码（不归零码）应答数据传输给主控单片机2。主控单片机2发送PPM（脉冲位置调制）信号控制主机芯片1即可发送高幅值的载波信号。本申请在通讯协议栈中内嵌CRC校验（循环冗余码校验）以及完善的传输协议。显著降低主控单片机2的资源占用，提升了整个系统的实时性，提升了通讯速率并提升了近场通讯系统的可靠性。
针对现有技术存在的通讯主机驱动功率较小的技术问题，本申请在主机芯片1输出端后增加了高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3，该模块具有+-4A的电流驱动能力，最高供电电压可达15v。由于采用全桥Mos管进行驱动，在相同供电电压下，本申请的载波幅值峰值可达到现有方案的至少2倍。本申请的载波峰值电压公式为：Vpp=Vs*2*Q,Vpp为峰值电压,Vs为供电电压，Q为通讯线圈的134.2hz情况下的电感品质因数。以此可见，在常用电感Q值为25，Vs=12v的情况下，载波的峰值电压可达到600v，该幅值较大，可以稳定的为通讯从机提供通讯能量（可满足通讯过程中的储能需求），从而降低从机端的通讯功耗，线圈端较大的峰值电压使得载波更容易被从机捕获，从而有效地提升近场通讯的距离。
针对现有技术存在的通讯系统接收灵敏度较低、无法接收小信号的技术问题，本申请在主机芯片1接收端前增加了小信号仪表放大器模块4，实现小信号的全波无失真放大。小信号仪表放大器模块4对接收到的微小载波信号进行50倍的全相放大，并将信号输送到主机芯片1中。主机芯片1对大于1mv的信号进行解析并进行预放大，之后进行信号的滤波处理，分离出有用的信号，然后将模拟正弦波信号转化为数字信号，从而便于将信号输出。因此，可以接收小信号，并具有接收灵敏度高的优点。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述主机芯片1集成有带通滤波器模块1-1、限幅器模块1-2、数字解调器模块1-3、前级放大模块1-4、载波控制驱动模块1-5、分频器载波频率控制模块1-6、逻辑控制模块1-7和接口模块1-8。
带通滤波器模块1-1负责信号的放大和滤波，具体而言，主机芯片1包含带通滤波器模块1-1，无需外部元件即可进行放大和滤波，其中，低截止频率约为65KHZ，高截止频率为260KHZ。
限幅器模块1-2负责将输出信号幅度限定在一定的范围内，限幅器模块1-2将模拟正弦波信号转换为数字信号。根据输入信号的最小幅度提供迟滞，数字输出信号的占空比在40％至60％之间。带通滤波器模块1-1和限幅器模块1-2两者一起具有1000倍的高增益。
数字解调器模块1-3负责FSK频率编码和解析。具体而言，数字解调器模块1-3根据输入信号的高位和低位序列进行频率编码，通过在输入信号的时间段内对振荡时钟进行计数来测量输入信号的频率,于高位和低位频率被指定为宽容差，数字解调器模块1-3被设计为通过两个频率之间的偏移而不是绝对值来区分高位和低位频率，高位和低位频率之间的阈值定义为比测得的低位频率低6.5kHz，并具有±0.55kHz的滞后,并将解析后的信号发送给主控单片机2。由于数字解调器模块1-3输入级检测到的数据流解调之后，将数据流按字节缓存，然后再通过串行编码发送到主控单片机2。
前级放大模块1-4负责对信号进行预防大。具体而言，前级放大模块1-4即前级放大运算放大器，具有固定的内部参考电压和由外部电阻定义的最高5倍的电压增益，前级放大模块1-4具有至少2MHz的高增益带宽积。
载波控制驱动模块1-5负责生成载波信号。具体而言，其使用分频器载波频率控制模块1-6生成的载波频率驱动主机芯片1内部生成载波信号。
分频器载波频率控制模块1-6负责生成载波频率。具体而言，分频器载波频率控制模块1-6为可编程分频器，可通过对晶体振荡器的分频为载波控制驱动模块1-5生成载波频率。
逻辑控制模块1-7负责控制主机芯片1全部操作的定时、状态和逻辑分析。该模块，可以由主控单片机2通过串行输入进行控制，以更改配置并控制分频器载波频率控制模块1-6。该模块实现了模式控制寄存器，该模式控制寄存器可由主控单片机2写入。
接口模块1-8为主机芯片1与主控单片机2的通讯交互提供接口。本申请接口模块1-8包含PPM控制接口和异步通讯接口，PPM控制接口适用于PPM脉冲信号的通讯，异步通讯接口适用于异步串行NRZ编码的通讯。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3还连接有DCDC升压模块6。通过DCDC升压模块6内的Boost升压电路进一步提高提供的电源电压。具体而言，本申请的峰值电压可以随着DCDC升压模块6的电压增高而进一步增大，载波幅值峰值可达到现有方案的4-5倍水平。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3与通讯模块5之间还连接有阻容滤波模块7。
阻容滤波模块7负责减少干扰、进一步提高系统的稳定性。具体而言，通讯模块5由高速双MOSFET全桥臂驱动器模块3的推挽输出级驱动，这可以看作是快速数字开关会产生谐波干扰。为了最大程度地减少这种干扰，阻容滤波模块7提供低通RC滤波器馈送到通讯模块5，在通讯模块5线缆较长时可进一步提高系统的稳定性。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述小信号仪表放大器模块4通过负压产生模块8供电。负压产生模块8产生+-5v的供电电压为小信号仪表放大器模块4供电。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述通讯模块5包含相连接的谐振电容5-1和绕制线圈5-2。通过谐振电容5-1和绕制线圈5-2实现信号的接收和发射。优选的，谐振电容5-1采用NPO高耐压高频电容，在高温高频率下的电容参数损耗较小，也进一步提升系统的通讯效果。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述主机芯片1还连接有晶体振荡器9。晶体振荡器9为主机芯片1提供时钟信号，从而实现主机芯片1的逻辑时钟运转与载波信号生成。
本申请的通讯主机适合与体内植入式医用设备的从机通讯，包括心脏起搏器、去颤器、神经刺激器、植入式药泵等。该通讯主机驱动功率大，可以对植入式通讯从机储能电容充电，从而为通讯从机提供通讯能量，大大提高近场通讯系统的使用寿命。该通讯主机灵敏、实时且精准，提升了通讯速率、通讯距离，并提升了近场通讯系统的可靠性。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，包含主机芯片（1），其特征是，所述主机芯片（1）的输入端与主控单片机（2）相连，所述主机芯片（1）输出端与高速双MOSFET全桥臂驱动器模块（3）相连，所述主机芯片（1）还连接有小信号仪表放大器模块（4），所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块（3）、小信号仪表放大器模块（4）均与通讯模块（5）相连。
2.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述主机芯片（1）集成有带通滤波器模块（1-1）、限幅器模块（1-2）、数字解调器模块（1-3）、前级放大模块（1-4）、载波控制驱动模块（1-5）、分频器载波频率控制模块（1-6）、逻辑控制模块（1-7）和接口模块（1-8）。
3.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块（3）还连接有DCDC升压模块（6）。
4.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述高速双MOSFET全桥臂驱动器模块（3）与通讯模块（5）之间还连接有阻容滤波模块（7）。
5.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述小信号仪表放大器模块（4）通过负压产生模块（8）供电。
6.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述通讯模块（5）包含相连接的谐振电容（5-1）和绕制线圈（5-2）。
7.根据权利要求1所述的一种植入式医疗器械无线近场通讯主机系统，其特征是，所述主机芯片（1）还连接有晶体振荡器（9）。
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