CN101465716A - 植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，体内功能装置的单片机MCU1将所要传输的8位原始数据分成高4位和低4位，按本发明设计的编码方式编码，并将编码后的数据送入UART1的数据输出寄存器；数据输出寄存器以UART的数据发送格式把数据逐位由端口TXD送到调制发送电路，从而将数据以射频方式发送出去。体外程控仪在接受数据时，首先通过接收解调电路将编码数据从载波信号中解调出来，然后由接收电路单片机UART2的端口RXD读入编码数据，最后将接收到的数据进行解码即可得到所需要的原始数据。

Description

植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法

技术领域

本发明涉及数据传输方法，特别涉及一种用于有源植入式系统的由体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法。

背景技术

现代有源植入式系统一般由体内功能装置和体外程控仪两部分组成。体内功能装置与体外程控仪之间的数据交换是一种双向的无线数据传输，体外程控仪一方面要将程控指令和参数发送给体内功能装置，另一方面又要接收体内功能装置发送的反馈信息和测量诊断信息。一般来说，体外程控仪向体内功能装置发送的程控指令和参数数据量较小，对传输速率要求不高；而体内功能装置向体外程控仪发送的数据量比较大，且有实时性要求。因此，有源植入式系统中双向无线数据传输的主要问题是如何在有限信道带宽的情况下，提高体内功能装置向体外程控仪传输数据的速率。

由于植入体内的功能装置一般同供电电池一起密封在一个金属钛壳内，体外程控仪与体内功能装置之间通过射频信号进行通讯，而密封的钛壳对射频信号有很强的吸收作用，因此植入体内的功能装置和体外程控仪通信时的信号衰减很大。以往的研究表明，300KHz以下的射频信号对钛壳有较好的穿透性，且频率越低，穿透性越好。但较低的载波频率意味着较低的数据传输率，这就无法满足体内功能装置向体外程控仪发送数据时对传输率和实时性的要求。例如由钛壳封装的有源植入式心脏起搏器在向体外程控仪实时发送采样率为200Hz的两导腔内心电图时，数据的传输速率至少要达到4.8Kbps。因此，如何在较低的载波频率下提高体内功能装置向体外程控仪传输数据的速率，是有源植入式系统设计中的一个重要问题。

对于采用负载调制方式的有源植入式系统，植入体内的功能装置向体外程控仪发送数据的编码方式通常采用曼彻斯特(Manchester)编码或二相(Bi-phase)编码。对于封装在钛等金属外壳中的体内功能装置而言，为减小金属外壳对射频信号的吸收，系统设计所采用的射频载波频率较低，相应的通带宽度较小。为了在有限信道容量的情况下提高数据传输速率，就需要对编码方法进行优化，以便减小基带信号带宽，提高信息传输量。图1是曼彻斯特编码、二相编码和米勒编码的时序比较。可以看到，米勒编码的基带信号的带宽和原始信号的带宽基本是一致的；而曼彻斯特码和二相码的基带信号的带宽基本上是原始信号带宽的二倍。因此采用米勒(Miller)编码来降低基带信号的带宽以提高信息的传输量是有源植入式系统中经常采用的方法。米勒(Miller)码的编码规则如下：“1”码用码元持续时间中心点出现跃变来表示，即用“10”或“01”表示。“0”码分两种情况处理：对于单个的“0”时，在码元持续时间内不出现电平跃变，且与相邻码元的边界处也不跃变；对于连“0”时，在两个“0”的边界处出现电平跃变，即“00”与“11”交替。我们可以看到，由于码型中都是连“0”串和连“1”串，因此米勒码能够有效降低基带信号的带宽。

有源植入式系统体内功能装置进行米勒编码发送数据的功能可以用软件或硬件的方法实现。软件实现方法的优点是不需要增加额外的硬件电路；缺点是软件编码发送占用较长的CPU运行时间。以有源植入式心脏起搏器为例，如果采用软件方法进行编码发送，那么，当起搏器向体外程控仪实时发送腔内心电图数据时，这种编码发送的过程几乎占用了全部CPU时间，使得起搏器缺少足够的时间完成其他必要的实时测控任务。采用硬件实现米勒编码发送数据的优点是CPU只需一次将数据写入硬件电路，后续编码发送过程都由硬件电路自动完成，这就极大减轻了CPU的负担。缺点是通常的单片机都不包含支持米勒码通信的硬件模块，要采用硬件方式的米勒编码发送，就会给有源植入式系统体内功能装置的设计增加额外的硬件开销。

根据以上分析，可以设想，如果能找到这样一种数据发送方法，它的编码方式可以像米勒码那样有效降低基带信号带宽，而它的编码数据又可以通过一般单片机都含有的通用通信模块，例如异步串行收发器UART，实现硬件发送，就可以有效提高体内功能装置向体外程控仪发送数据时的数据传输率，减少实时传送测量数据的CPU占用时间，同时又不会增加有源植入式系统体内功能装置设计的硬件开销。

发明内容

本发明的目的是针对有源植入式系统中金属材料封装的体内功能装置在向体外程控仪发送数据时遇到的通带有限、数据传输率低和占用CPU时间过长的问题，提供一种利用通用异步串行收发器(UART)的有源植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，在提高数据传输率的同时减少CPU占用时间。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，包括下述步骤：

a)体内功能装置发送电路单片机MCU1对所要传输的8位原始数据分成高4位和低4位，按UART的数据发送格式进行编码，编码方式如下：

二进制原码      起始位    编码    奇偶校验位    停止位

0000              0     01100110      0            1

0001              0     00110001      1            1

0010              0     00111000      1            1

0011              0     00011111      1            1

0100              0     00011100      1            1

0101              0     00111100      0            1

0110              0     00011000      0            1

0111              0     00011001      1            1

1000              0     01110011      1            1

1001              0     00011110      0            1

1010              0     01111000      0            1

1011              0     01111001      1            1

1100              0     01111100      1            1

1101              0     001100001     1            1

1110              0     011001111     1            1

1111       0     01110000     1     1；

b)体内功能装置单片机MCU1将编码后的数据写入通用异步串行收发器UART1的数据输出寄存器，数据输出寄存器以UART的数据发送格式把数据逐位由输出端口TXD送到调制发送电路，以此完成每次4位原始数据的发送；发送完整8位原始数据要将原始数据的高4位编码和低4位分开依次发送；

c)体内功能装置的调制发送电路将单片机MCU1通用异步串行收发器UART1输出的数据发送到体外程控仪的接收调解电路；

d)体外程控仪的接收调解电路将编码数据从载波信号中解调出来，然后由通用异步串行收发器UART2的端口RXD读入解调后的编码数据，并传送到程控仪接收电路单片机MCU2中；

e)接收电路单片机MCU2最后将程控仪通用异步串行收发器UART2中的编码数据读出并进行解码即可得到所需要的原始数据。

上述方法中，所述步骤a)中，编码中的奇偶校验位可采用偶校验。

所述所述步骤b)中，将原始数据的高4位和低4位分开发送是通过控制每次发送4位数据间的空闲位长短来区分数据的高4位和低4位：长的空闲位表示其后数据为高4位，短的空闲位表示其后数据为低4位。

所述步骤d)中，程控仪接收电路单片机MCU2将通用异步串行收发器UART2中的编码数据读出时，以接收到数据前的空闲位延续时间的长短来确定数据的高4位和低4位，较短的空闲位后表示接收到的是低4位编码数据，较长的空闲位后表示接收到的是高4位编码数据；同时判断编码数据的奇偶校验位是否正确，如果奇偶校验不正确，程控仪停止本次数据传输，同时向体内功能装置返回重发数据指令以通知体内功能装置重新发送数据。

本发明相比现有有源植入式系统中体内功能装置在向体外程控仪发送数据的方法，其有益效果是充分利用了体内功能装置现有的硬件电路，未增加额外的硬件开销；提高了体内功能装置向体外程控仪发送数据的数据传输率；同时有效解决了数据传输过程占用体内功能装置CPU时间过长的问题。

附图说明

图1为多种编码方式的时序比较。

图2为UART数据传输格式。

图3为本发明方法实现示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步串行收发器)是一般MCU都含有的一种通用通信模块，有源植入式系统体内功能装置所采用的MCU一般也含有UART但却不会用到它，因此采用UART来实现数据的硬件传输不会增加体内功能装置的硬件电路。UART是通过硬件的方式完成数据的串行发送，具有实现简单的优点。在输出数据过程中，CPU把要输出的原始数据送入UART的数据输出寄存器，然后由UART的发送移位寄存器移位，把数据逐位由数据发送端口TXD送到调制发送电路。UART的发送移位寄存器的移位速度由UART的波特率确定。UART的数据发送格式如图2所示，这个帧格式包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。起始位为一个逻辑“0”的信号，表示传输字符的开始。停止位为一个逻辑“1”的信号，表示传输字符的结束。基于这样的特点，本发明通过体内功能装置中原有的UART向体外程控仪发送数据可有效解决数据传输率较低以及发送数据的过程占用CPU时间过长的问题。

本发明实现的原理框图如图3所示。框图的右半部分为体外程控仪的数据传输部分，左半部分为体内功能装置的数据传输部分。体内功能装置单片机MCU1首先将所要传输的原始数据进行编码，并将编码后的数据送入UART1的数据输出寄存器；数据输出寄存器以UART1的数据格式把数据逐位由端口TXD送到调制发送电路，从而将数据以射频方式发送出去。体外程控仪在接受数据时，首先通过接收解调电路将编码数据从载波信号中解调出来，然后由接收电路单片机UART2的数据接收端口RXD读入编码数据，最后将接收到的数据进行解码即可得到所需要的原始数据。

对于这样一种从体内功能装置向体外程控仪传输数据的方法，其具体实现步骤为：

a)体内功能装置单片机MCU1对所要发送的原始数据进行编码：为了减小基带信号的带宽，编码方式必须使UART发送的数据至少连续两个0或连续两个1，这样可以使发送的基带信号的带宽减小一倍，在信道容量不变的情况下，可使数据传输速率提高一倍。体内功能装置采用UART1来发送数据就必须遵循UART的数据发送格式，根据图2所示UATR的数据发送格式特点，可知发送数据的首位必须是0，而奇偶校验位必须正好使最后发送的数据至少连续两个0或连续两个1。同时由于UART的发送数据为8位，本发明设计了从0000到1111的16组二进制编码方式如下：

二进制原码     起始位    编码      奇偶校验位    停止位

0000             0       01100110       0           1

0001             0       00110001       1           1

0010             0       00111000       1           1

0011             0       00011111       1           1

0100             0       00011100       1           1

0101             0       00111100       0           1

0110             0       00011000       0           1

0111             0       00011001       1           1

1000             0       01110011       1           1

1001             0       00011110       0           1

1010             0       01111000       0           1

1011             0       01111001       1           1

1100             0       01111100       1           1

1101             0       01100001       1           1

1110             0       01100111       1           1

1111             0       01110000       1           1

在上述编码中，奇偶校验位可采用偶校验。由于一次只能发送4位的原始数据，因此发送完整8位原始数据需要将原始数据的高4位和低4位分开依次发送。具体编码时，将编码制成表，根据原始数据高4位和低4位的值在表中查询相应的编码即可完成编码。

b)将编码后的数据通过体内功能装置的UART1发送到调制发送电路：

体内功能装置的MCU1将编码后的数据写入UART1的数据输出寄存器，数据输出寄存器以UART的数据格式把数据逐位由TXD(数据发送端)端口送到调制发送电路，以此完成每次4位原始数据的发送。本发明通过MCU1的定时器控制每次发送4位原始数据间的空闲位长短来区分原始数据的高4位和低4位：长的空闲位表示其后数据为高4位，短的空闲位表示其后数据为低4位。

c)体内功能装置通过负载调制的方式将UART1输出的数据发送到体外程控仪；体外程控仪的接收调解电路将解调后的数据直接传到接收电路单片机MCU2的UART2接收端RXD。

d)体外程控仪从UART2读出编码数据。接收数据时，通过MCU2的定时器确定接收到数据前的空闲位延续时间的长短，较短的空闲位后表示接收到的是低4位编码数据，较长的空闲位后表示接收到的是高4位编码数据。从UART2读出接收到的编码数据时，还需要判断从UART2读出的编码数据的奇偶校验位是否正确。如果奇偶校验不正确，程控仪停止本次数据传输，同时向体内功能装置返回重发数据指令以通知体内功能装置重新发送数据。

e)体外程控仪对接收到的编码数据进行解码。体外程控仪在程序中需要将a)中所述编码方式制成表，将接收到的编码数据与表中数据对照，即可解码出原始的4位数据。对连续接收的4位编码数据，区分数据的高4位和低4位，即可得到8位的原始数据。

以有源植入式心脏起搏器作为体内功能装置为例，采用上述编码方法，在载波频率为60kHz时通过UART向体外程控仪发送数据的传输率可以达到4.8Kbps，可满足实时传输两导腔内心电图的要求而只占用很少的CPU时间。

Claims (4)

1、一种植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，其特征在于，包括下述步骤：

a)体内功能装置单片机MCU1对所要传输的8位原始数据分成高4位和低4位按UART的数据发送格式进行编码，编码方式如下：

二进制原码            起始位        编码            奇偶校验位     停止位

0000                  0             01100110        0              1

0001                  0             00110001        1              1

0010                  0             00111000        1              1

0011                  0             00011111        1              1

0100                  0             00011100        1              1

0101                  0             00111100        0              1

0110                  0             00011000        0              1

0111                  0             00011001        1              1

1000                  0             01110011        1              1

1001                  0             00011110        0              1

1010                  0             01111000        0              1

1011                  0             01111001        1              1

1100                  0             01111100        1              1

1101                  0             01100001        1              1

1110                  0             01100111        1              1

1111                  0             01110000        1              1；

b)体内功能装置单片机MCU1将编码后的数据写入通用异步串行收发器UART1的数据输出寄存器，数据输出寄存器以UART的数据格式把数据逐位由输出端口TXD送到调制发送电路，以此完成每次4位原始数据的发送；发送完整8位原始数据要将原始数据的高4位编码和低4位编码分开发送；

c)体内功能装置的调制发送电路将UART1输出的数据发送到体外程控仪的接收解调电路；

d)体外程控仪的接收解调电路将编码数据从载波信号中解调出来，然后由通用异步串行收发器UART2的端口RXD读入解调后的编码数据，并传送到程控仪接收电路单片机MCU2中；

e)接收电路单片机MCU2最后将程控仪通用异步串行收发器UART2中的编码数据读出并进行解码即可得到所需要的原始数据。

2、如权利要求1所述的植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，其特征在于，所述步骤a)中，编码中的奇偶校验位可采用偶校验。

3、如权利要求1所述的植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，其特征在于，所述步骤b)中，将原始数据的高4位和低4位分开发送是通过控制每次发送4位数据间的空闲位长短来区分数据的高4位和低4位：长的空闲位表示其后数据为高4位，短的空闲位表示其后数据为低4位。

4、如权利要求1所述的植入式系统体内功能装置向体外程控仪发送数据的方法，其特征在于，所述步骤d)中，程控仪接收电路单片机MCU2将通用异步串行收发器UART2中的编码数据读出时，以接收到数据前的空闲位延续时间的长短来识别高4位和低4位编码数据，较短的空闲位后表示接收到的是低4位编码数据，较长的空闲位后表示接收到的是高4位编码数据；同时判断编码数据的奇偶校验位是否正确，如果奇偶校验不正确，程控仪停止本次数据传输，同时向体内功能装置返回重发数据指令以通知体内功能装置重新发送数据。

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