超低功耗無線傳輸在便攜醫(yī)療儀器的應(yīng)用

1、超低功耗無線傳輸在便攜醫(yī)療儀器的應(yīng)用許迅文佛山市順德區(qū)長興超聲設(shè)備有限公司摘要:傳統(tǒng)醫(yī)療儀器中，超聲探頭和主機(jī)通過電纜連接，當(dāng)信號(hào)線較多時(shí)，會(huì)對(duì)使用方便性和舒適性產(chǎn)生影響，而且使用距離受到限制。當(dāng)把有線連接改為無線時(shí)，不但解決了以上問題，更增加了產(chǎn)品的時(shí)尚性和使用愉悅感。本文介紹了以nRF24L01+無線收發(fā)器為核心的胎心儀音頻傳輸方案，很好地解決了傳統(tǒng)無線傳輸與功耗、體積之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了科技與人性化的完美結(jié)合。關(guān)鍵詞:ISM;2.4G;低功耗;數(shù)字音頻1. 引言ISM頻段即工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用頻段。一般來說世界各國均保留了一些無線頻段，以用于工業(yè)，科學(xué)研究，和醫(yī)療方面的應(yīng)用。應(yīng)用這些頻段無需許

2、可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一。如在美國有三個(gè)頻段902-928 MHz、2400-2484.5 MHz及5725-5850 MHz，在歐洲900MHz的頻段則有部份用于GSM通信，2.4GHz則是各國共同的ISM頻段，因此便攜超聲診療儀器可使用2.4G頻段實(shí)現(xiàn)無線音頻傳輸。隨著國內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展，便攜產(chǎn)品的時(shí)尚性和方便性要求越來越高，在傳統(tǒng)儀器實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，新產(chǎn)品要重點(diǎn)改進(jìn)產(chǎn)品的外觀和操作方便性。一直以來便攜超聲儀器的探頭和主機(jī)都連著一條長長的“尾巴”，影響了實(shí)際臨床的使用方便性和靈活性。無線連接的想法

3、由來已久，但要真正實(shí)施在醫(yī)療環(huán)境還要跨過多重障礙。首先，傳統(tǒng)模擬無線傳輸方式，例如AM和FM方式，雖然實(shí)現(xiàn)方案成熟、穿透力強(qiáng)、成本低，但它們?nèi)菀资芨蓴_或者干擾別的儀器，而且很少能工作在ISM頻段。而一般的數(shù)字無線傳輸方式，例如wifi、藍(lán)牙，雖然工作在ISM頻段，抗干擾性能極好，但動(dòng)輒4050mA的電流消耗，對(duì)便攜儀器是個(gè)沉重負(fù)擔(dān)，它們本來就不是為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的。NORDIC公司的nRF24L01+芯片很好地解決了上述問題。首先，它工作于全球通用的2.4G ISM頻段，采用GFSK調(diào)制方式，符合ITU規(guī)定的DSSS和FHSS規(guī)范，防止跟 WiFi和藍(lán)牙等設(shè)備互相干擾。它具有可選的250k2M

4、bps傳輸速率，在發(fā)射功率為0dBm時(shí)，電流只有11.3mA,2Mbps接收狀態(tài)下為13.5mA。它擁有專利的ShockBurst模式，簡(jiǎn)化了協(xié)議軟件設(shè)計(jì)，使功耗最小化，也易于跟通用MCU接口。實(shí)驗(yàn)用PCB天線測(cè)試無障礙物通信距離，在1Mbps速率下，達(dá)到了20米，如果把速率降到250kbps,距離接近100米。綜合了各種指標(biāo)，nRF24L01+是應(yīng)用于便攜醫(yī)療產(chǎn)品的理想方案。2. 硬件實(shí)現(xiàn)探頭部分主要由超聲收發(fā)系統(tǒng)è前置放大器è單片機(jī)AD采樣èSPI接口輸出è2.4G射頻收發(fā)，整個(gè)采集系統(tǒng)以單片機(jī)控制nRF24L01+為核心。接收主機(jī)則以2.4G收發(fā)&

5、#232;SPI數(shù)字音頻輸入è單片機(jī)DA輸出è模擬放大è功放輸出幾部分組成。超聲系統(tǒng)通過多普勒效應(yīng)，檢測(cè)到微弱的模擬胎心信號(hào)，通過放大，使信號(hào)匹配單片機(jī)的輸入和處理范圍，單片機(jī)以十倍于模擬信號(hào)的采樣率作AD轉(zhuǎn)換，然后通過SPI接口輸入到nRF24L01+里，該收發(fā)器把接收到的數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，然后逐位進(jìn)行GFSK調(diào)制，再通過RF頻率合成和RF功率放大，最后從天線饋送到空間。接收主機(jī)則是相似的逆過程。整個(gè)硬件實(shí)施當(dāng)中，關(guān)鍵部分是RF收發(fā)，nRF24L01+已經(jīng)以很高的集成度，智能完成了輸入輸出數(shù)據(jù)和空間協(xié)議的轉(zhuǎn)換和收發(fā)工作，剩下的難點(diǎn)就是天線的設(shè)計(jì)和測(cè)試。天線

6、是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器。其基本功能是發(fā)射和接收無線電波：發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時(shí)，把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流。在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比就是天線的增益。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。一般效果較好的是全向鞭狀天線，低成本應(yīng)用會(huì)使用PCB天線，當(dāng)然前者的效果更好，但體積和成本都不如后者。本案例中使用1/4波長PCB天線。根據(jù)傳輸線的理論，1/4波長的開路線相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)諧振電路，所以其整個(gè)負(fù)載是呈純電阻性的。實(shí)際天線長

7、度是按以下公式計(jì)算的:天線長度=300÷f(MHz)×0.25×0.96(波長縮短率)(單位是米)。所以2.4G頻段的1/4波長天線長度在3cm左右。值得注意的是，音頻電路非常容易受干擾，一般最主要的是電源干擾，其次是瞬間大電流引起的磁場(chǎng)干擾。此案例中的RF頻率是2.4G頻段，與音頻距離很大，所以不會(huì)直接影響音頻。下面主要說明電源干擾（電源完整性問題）和磁場(chǎng)干擾的成因和對(duì)策。電源完整性問題的成因有多種，主要是因?yàn)楦咚傩酒瑑?nèi)部的數(shù)字邏輯電路眾多，而芯片的引腳有限，不可能為每部分邏輯電路單獨(dú)設(shè)立電源引腳，因此，IC內(nèi)部電路在同一時(shí)間發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，必然相互耦合，增加了

8、門電路狀態(tài)的不確定性，進(jìn)而可能不斷漫延開來，產(chǎn)生輸出端的干擾。有一部分干擾是通過接口信號(hào)線直接傳送給相連終端，相當(dāng)大一部分卻是通過公共電源線，大面積地耦合到其它元器件中。如果干擾源沒有足夠的去耦，或者各功能區(qū)的電源沒有足夠的隔離，數(shù)字電路的干擾就直接進(jìn)入音頻電路，進(jìn)行逐級(jí)放大。人的聽覺對(duì)聲壓呈對(duì)數(shù)響應(yīng)，在微弱聲壓區(qū)的靈敏度很高，很容易察覺噪聲，而這些噪聲往往在高靈敏度的示波器也未必能顯示出來。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，單純按照芯片規(guī)格書中的去耦電容量，是不足以抵消nRF24L01+在狀態(tài)切換時(shí)，所產(chǎn)生的電源抖動(dòng)的。具體電容量的大小只能憑實(shí)驗(yàn)確定，一般要幾個(gè)到十個(gè)nF級(jí)陶瓷電容并聯(lián)才能達(dá)到去耦效果。至于磁場(chǎng)干

9、擾大多是布線間距和走線方向引起的，對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)線必須跟強(qiáng)干擾線保持起碼三倍線寬的距離，而且盡量垂直走線。必要時(shí)可以對(duì)敏感信號(hào)線進(jìn)行包地保護(hù)，這樣一般就能達(dá)到效果。再有甚者就要想辦法用金屬屏蔽等輔助措施，但一般不會(huì)使用，因?yàn)閷?duì)電路體積和散熱均有影響。nRF24L01+雖然能達(dá)到0dBm的最大功率輸出，但由于實(shí)際PCB材質(zhì)和制造工藝偏差的影響，即使嚴(yán)格按照理論計(jì)算數(shù)值制造，也會(huì)產(chǎn)生阻抗失配問題，也就是實(shí)際發(fā)射功率會(huì)小于0dBm。實(shí)際上要精確調(diào)整射頻匹配，必須用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這樣才能調(diào)節(jié)S11參量，并用史密斯圓圖獲取RF阻抗匹配特性。精確的測(cè)量發(fā)射效果需要在電波暗室中，用RF頻譜儀進(jìn)行，但實(shí)際環(huán)境

10、中不可能盡然，所以基本上是通過外圍元件參數(shù)的首次調(diào)節(jié)，如果較低的誤碼率下達(dá)到收發(fā)距離，就固定參數(shù)。本例中的超聲醫(yī)療儀器，是應(yīng)用在婦產(chǎn)科門診中，一般不會(huì)隔墻，室內(nèi)空間在10m2左右，實(shí)際臨床效果相當(dāng)滿意。3. 軟件實(shí)現(xiàn)nRF24L01+內(nèi)嵌了先進(jìn)的ShockBurst通信協(xié)議，能通過突發(fā)式握手方式，在極短的時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，并且保證數(shù)據(jù)完整性，然后又回到低功耗模式。該芯片在使用前必須初始化，內(nèi)容包括允許發(fā)送地址寄存器、允許自動(dòng)應(yīng)答寄存器、設(shè)置自動(dòng)重傳間隔與次數(shù)、設(shè)置地址位寬、設(shè)置數(shù)據(jù)速率、設(shè)置發(fā)送端地址和頻道、設(shè)置硬件CRC校驗(yàn)參數(shù)等。為了保證音頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，最好使用定時(shí)器控制DMA，等時(shí)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，而且必須設(shè)置兩個(gè)發(fā)送和接收緩沖區(qū)，讓它們輪流接收AD數(shù)值或發(fā)送數(shù)據(jù)，以最大限度降