應用RFID技術實現醫用植入裝置的通信
加入技術交流群
MODE/RTB=0/0 配置模式
MODE/RTB=0/1 保留
MODE/RTB=1/0 發射模式
MODE/RTB=1/1 接收模式
CK提供向MLX90121寫入數據的時鐘，DIN和DOUT則分別為數據的輸入和輸出。
使用MLX90121的第一步是初始化，這一過程在配置模式下通過寫入MLX90121的內部寄存器完成。關鍵寄存器有3個：
模擬配置寄存器 AnalogConfig 地址0 H
電源狀態寄存器 PowerState 地址1 H
數字配置寄存器 DigitalConfig 地址3 H
具體步驟是：首先通過設置MODE/RTB=0/0進入配置模式，而后通過DIN在CK的配合下寫入數據，每個數據幀為12 bit，包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置數據[5]。
在本系統的設計中將要使用MLX90121的直接發射和接收模式，而且已經確定了下行通信采用非100%的ASK調制，上行通信采用無副載波的LSK調制，于是對MLX90121的初始化配置如下[5]：
模擬配置寄存器 AnalogConfig=83 H
電源狀態寄存器 PowerState=01 H
數字配置寄存器 DigitalConfig=00 H
正確初始化以后，MLX90121即會有13.56 MHz的等幅載波輸出。此后如果進入發射模式，通過DIN寫入數據即可實現下行通信；若進入接收模式，則接收并經過解調的信號由DOUT輸出。
2.2 下行通信
下行通信時，首先通過設置MODE/RTB=1/0使得MLX90121進入發射模式，這時只要保持CK=0，MLX90121便處于直接發送模式，輸出的射頻信號直接由DIN引腳輸入的數據實施ASK調制。調制度由模擬配置寄存器和引腳MOD所連接的電阻共同決定。通信的數據率則完全取決于DSP向DIN寫入數據的速度，其上限僅受MLX90121時序和接收端解調電路性能的限制，與RFID的技術標準無關。通過這種方式，大大提高了下行通信的數據率。本系統設計通信速率為678 kb/s，測試結果表明該速率仍有進一步提高的空間。
系統下行通信采用曼徹斯特碼，這是因為曼徹斯特碼具有0和1碼元數量相等的特性，調制后的載波具有穩定的能量；另一方面曼徹斯特碼的解碼電路非常簡單，容易實現。圖4是完整的下行通信過程中各階段的波形示意圖。系統對單穩態電路的要求是可以雙向觸發但不可重復觸發，其暫態時間τ滿足：T/2≤τ≤T，其中T為一個數據位的寬度。本文引用地址：http://www.104case.com/article/157443.htm
植入體在接收下行通信數據時，首先需要提取射頻信號的包絡并整形，整形之后的信號再經過單穩態解碼電路恢復原始數據。連續不斷的下行數據傳送至單片機，單片機根據數據協議解釋后執行，控制相關電路完成對耳蝸聽覺神經的電流刺激。
2.3 上行通信
上行通信時，首先通過設置MODE/RTB=1/1使得MLX90121進入接收模式，并保持CK=0和DIN=1不變，則在給定的初始化設置下MLX90121處于一種特殊的直接接收模式[6]。此時，MLX90121的TX引腳輸出等幅載波，植入體以LSK方式對該載波進行調制，已調載波由MLX90121的RX引腳接收，其內部的模擬前端電路實現對載波信號幅度變化的邊緣檢測，并在每次載波幅度跳變時在DOUT引腳輸出一個窄脈沖，如圖5所示。
經過分析發現，MLX90121引腳DOUT的輸出脈沖指示了經LSK調制后載波幅度變化邊沿的位置，但沒有直接解調出調制信號的包絡。為了能從解調輸出的脈沖流序列中恢復出數據，需要采用某種編碼機制。對該編碼機制的要求是：無論數據為0還是1，在編碼后必須在碼內有“跳變”存在，且根據跳變出現的位置間的關系可以確定是0還是1。顯然曼徹斯特碼可以滿足上述要求。它在每個碼內都存在一個跳變，只要確定了前一個碼元的內容，即可依次根據跳變邊緣的時間信息對后續碼元做出判決。因此在系統的上行通信中也采用了曼徹斯特編碼。
MLX90121是面向RFID標準協議設計的芯片，在擴展應用中會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，經實際試驗發現可以實現穩定“解調”的平均數據率為100 kb/s，能保持穩定的范圍約為70～120 kb/s。當數據率變化時，DOUT引腳輸出脈沖的寬度也會隨之改變，但若超出上述范圍，輸出脈沖將會重疊或分裂，從而使得輸出脈沖的信息發生模糊，無法從中恢復原始數據。為此，本系統設計上行通信的調制速率為100 kb/s。由于采用曼徹斯特編碼的緣故，實際有效信息的數據率為50 kb/s。按照上述設計，DOUT引腳輸出脈沖之間的間隔只可能出現10 μs和20 μs兩種情況。DSP根據這一特征，并結合適當的同步頭和數據協議設計，即可通過軟件算法解碼出原始數據。
植入體的單片機通過ADC獲得數據（人工耳蝸所需的監測、測量數據），根據數據協議增加同步頭等數據位，再進行曼徹斯特編碼形成發送數據幀，最后進行LSK調制。單片機只需通過一個I/O引腳控制的MOS管開關的通斷以改變接收線圈回路的負載即可實現LSK調制。
本文以RFID芯片MLX90121為核心設計，實現了人工耳蝸體外語音處理器與植入體之間的半雙工高速通信。系統的無線能量傳輸穩定可靠，下行通信速率為678 kb/s，上行通信速率為100 kb/s。本系統的實現證明了基于商用RFID技術及其器件實現醫用植入裝置的雙向通信是可行的。相對使用ASIC技術的產品，極大地節約了研發成本、縮短了研發周期并且具有很強的可移植性。
評論