應(yīng)用RFID技術(shù)實現(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，這一過程在配置模式下通過寫入MLX90121的內(nèi)部寄存器完成。關(guān)鍵寄存器有3個：
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：首先通過設(shè)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(shù)據(jù)，每個數(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，上行通信采用無副載波的LSK調(diào)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(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即會有13.56 MHz的等幅載波輸出。此后如果進入發(fā)射模式，通過DIN寫入數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)下行通信；若進入接收模式，則接收并經(jīng)過解調(diào)的信號由DOUT輸出。
2.2 下行通信
下行通信時，首先通過設(shè)置MODE/RTB=1/0使得MLX90121進入發(fā)射模式，這時只要保持CK=0，MLX90121便處于直接發(fā)送模式，輸出的射頻信號直接由DIN引腳輸入的數(shù)據(jù)實施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時序和接收端解調(diào)電路性能的限制，與RFID的技術(shù)標準無關(guān)。通過這種方式，大大提高了下行通信的數(shù)據(jù)率。本系統(tǒng)設(shè)計通信速率為678 kb/s，測試結(jié)果表明該速率仍有進一步提高的空間。
系統(tǒng)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(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單，容易實現(xiàn)。圖4是完整的下行通信過程中各階段的波形示意圖。系統(tǒng)對單穩(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)時間τ滿足：T/2≤τ≤T，其中T為一個數(shù)據(jù)位的寬度。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/157443.htm
植入體在接收下行通信數(shù)據(jù)時，首先需要提取射頻信號的包絡(luò)并整形，整形之后的信號再經(jīng)過單穩(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，單片機根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解釋后執(zhí)行，控制相關(guān)電路完成對耳蝸聽覺神經(jīng)的電流刺激。
2.3 上行通信
上行通信時，首先通過設(shè)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(shè)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(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現(xiàn)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(jīng)過分析發(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，但沒有直接解調(diào)出調(diào)制信號的包絡(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制。對該編碼機制的要求是：無論數(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。它在每個碼內(nèi)都存在一個跳變，只要確定了前一個碼元的內(nèi)容，即可依次根據(jù)跳變邊緣的時間信息對后續(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標準協(xié)議設(shè)計的芯片，在擴展應(yīng)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(shù)，經(jīng)實際試驗發(fā)現(xiàn)可以實現(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，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(fā)生模糊，無法從中恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。為此，本系統(tǒng)設(shè)計上行通信的調(diào)制速率為100 kb/s。由于采用曼徹斯特編碼的緣故，實際有效信息的數(shù)據(jù)率為50 kb/s。按照上述設(shè)計，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，即可通過軟件算法解碼出原始數(shù)據(jù)。
植入體的單片機通過ADC獲得數(shù)據(jù)（人工耳蝸所需的監(jiān)測、測量數(shù)據(jù)），根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議增加同步頭等數(shù)據(jù)位，再進行曼徹斯特編碼形成發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后進行LSK調(diào)制。單片機只需通過一個I/O引腳控制的MOS管開關(guān)的通斷以改變接收線圈回路的負載即可實現(xiàn)LSK調(diào)制。
本文以RFID芯片MLX90121為核心設(shè)計，實現(xiàn)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(tǒng)的無線能量傳輸穩(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)的實現(xiàn)證明了基于商用RFID技術(shù)及其器件實現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的雙向通信是可行的。相對使用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)周期并且具有很強的可移植性。
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