基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统实例克隆

具有一个MAC旁路工作模式，在该模式下射频完全可用。在这种配置下，用户可以开发定制协议和数据传输率。
　　ZL70101工作于植入设备和外部基站(见图2)。基站包括发射2.45 GHz唤醒信号的附加电路。系统一旦通过2.45 GHz唤醒信号启动，就通过402MHz到405MHz MICS频带收发器交换数据。
　　ZL70101 MICS芯片(见图3)包含3个主要的子系统：一个400MHz收发器，一个2.45 GHz唤醒接收器及一个媒体存取控制器(MAC)。根据输入引脚的状态确定芯片用作植入医疗设备，或者基站编程器的收发器。
　　收发器采用一种中频(IF)低的带镜像抑制混频器的超外差架构。低的中频可使滤波器和调制器功耗最小，没有与高数据率、零中频架构相关的闪烁噪声和直流偏移问题。FSK调制方案降低了发射放大器线性要求，因而降低了功耗，并可以使用更简单的限制接收器。
　　如图3中标为半双工RF发射器的400MHz发射子系统，包含有一个中频调制器、一混频器和一功率放大器。IF调制器将一个一位(两个FSK)或两位(4个FSK)异步数字输入数据流转换为中频。上变频混频器将中频转换成RF频率。注意，发射和接收模式的本振频率相同，这样就使接收和发射数据包之间的死区时间最短。
　　可通过寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω负载)，以小于3dB的步长编程发射功放的输出功率。所有RF输入的内部天线匹配电容组都可以细调匹配网络，对给定的功率设置，实现输出功率最大，接收器噪声指数最佳。天线调谐为自动刻度，其中采用了一种与ADC耦合的峰值检测器，同时带一校准控制状态机。
　　400MHz接收器子系统将MICS频带信号放大，将载波频率下变换到中频。低噪声放大器(LNA)增益为9dB~35dB可编程。对植入医疗设备收发器，建议采用更高的增益设置，而相对低一些的增益设置可以用于选择采用外部LNA的基站收发器。LNA和混频器偏置电流的可编程性使优化为理想的线性(IIP3)、功耗和噪声指数的灵活性进一步提高。
　　采用多相IF滤波器抑制镜像频率和邻近信道干扰，限制噪声带宽。多相滤波器之后接限制器和一接收器信号强度指示器(RSSI)模块。RSSI测量由一个5位ADC转换，可以通过工业标准SPI接口读取。这对MICS无干扰信道评估程序有利。注意，首先必须通过MICS标准定义的一种无干扰信道评估程序，用一外部仪器确定一个合适的可用信道。
　　为此，还开发了一种为高可靠性医疗应用定制的专用协议由MAC处理，包括下列主要特征：
　　(1)采用Reed-Solomon前向误差校正(FEC)和周期冗余码(CRC)误差检测技术进行误差校正和检测。假设原无线电BER为10-3，则FEC和CRC之后的有效BER优于1.5×10-10。
　　(2)故障情况下数据块能够自动再传输，并实现了流程控制以避免缓冲溢出。
　　(3)能够发送MICS紧急命令和高优先级信息。
　　(4)能处理链路看门狗，确保在通信没有成功5秒之后断开链路。
　　(5)提供链路质量诊断和自动校准控制。
　　超低功率唤醒接收器
　　由于储存电池能量最重要，所以大多数植入应用都很少使用MICS RF链路。在极低功率应用中，大部分时间内，收发器处于一种电流极低的休眠状态。除了在发送紧急命令外，采用MICS频带的系统必须在无干扰信道评估程序之后，等待基站启动通讯。植入收发器应该周期性查询基站是否要进行通讯。
　　唤醒系统采用一种工作在2.45GHz SRD频带的超低功率RF接收器，检测并解码一种专用数据包，该数据包由基站发射，然后接通芯片其余电源。芯片也可以由引脚控制直接启动，如基站启动、植入设备发送紧急命令或者采用选择性唤醒系统的植入设备就需要这种方式。
　　本文小结
　　超低功率无线技术对许多植入医疗设备很关键，包括起搏器、除颤器、神经刺激器、药物灌注系统、诊断传感器和迅速增长的植入式糖尿病监测器。然而，随着植入通讯系统发展为支持高级诊断和治疗，无线性能对植入医疗设备的电池寿命不产生影响很关键。