CN102823147A - 用于监控设备中的无线数据和电力传输的监控设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种包括阅读器和数据载体的监控设备。在该监控设备中，该数据载体包括接收器线圈（201，409）、谐振电容器（202，402）、整流装置（203，403）、调制电容器（206、406）、能量储存电容器（204，404）、三个调制开关（209，210，211）和数据处理装置。调制电容器（206、406）、能量储存电容器（204，404）、数据处理装置和三个调制开关（209，210，211）被设置成使得在第一结构中调制电容器（206、406）和能量储存电容器（204，404）并联耦合，而在第二结构中调制电容器（206、406）和能量储存电容器（204，404）串联耦合。本发明还提供一种操作在此监控设备中的数据载体的方法。
Description
技术领域
本发明涉及监控设备（monitoring device）。本发明特别涉及包括阅读器和数据载体适于无线数据和电力传输的监控设备。本发明还涉及用于操作监控设备的方法。
背景技术
在本发明的情况下内，监控设备应当理解为设计成由个人用户佩戴/携带的（worn）小型设备，用于连续观察使用者的特定的医疗状况。监控装置包括阅读器和数据载体。
阅读器由诸如电池的内部主要能源/能量源供给动力。因此数据载体依靠来自阅读器的无线感应电力传输。阅读器中的发射器线圈和数据载体中的接收器线圈一起形成磁耦合的感应器系统。基本原理在于/依靠在发射器线圈中产生交流电。发射器线圈中的电流产生在接收器线圈中感生电流的磁场。接收器中的电流用来供电/驱动数据载体。
数据载体具有诸如电极的监控装置（monitoring means），用来测量该监控设备的个人用户的EEG信号。由监控装置收集的数据由数据处理装置处理并且无线传输给阅读器用于进一步处理。阅读器通过数据载体的负载调制接收来自数据载体的数据。在一般的应用中，在阅读器中的进一步处理包括确定特定的医疗状况是否已经在使用者中发生并且警告使用者的这种状况。由此数据载体的尺寸和功率消耗可以较小，因为电池和信号处理的主要部分放置在阅读器中。有利的是，其中使得数据载体可以植入个人用户中。特别有利的是关于EEG信号的测量皮下植入数据载体。
US-A-5260701公开了一种用于利用单传输天线和单接收天线在主系统和从系统之间进行双向数据传输的设备，其中从系统包括在整流电路和电源电路之间串联连接的开关电路，以当开关电路在打开和闭合位置之间被表示传输给主系统的数据的控制信号驱动时，调制该从系统的阻抗的实部/实数部分。
US-B1-6301138公开了一种具有负载调制装置并且具有在负载调制过程中的改进电源的数据载体。附加的装置确保用于数据处理装置的电源电压在负载调制期间可以至少保持在负载调制暂停期间的负载调制的水平。公开的附加的装置包括电压倍增器电路和电荷泵/充电泵。
本发明的一个特征提供一种包括阅读器和数据载体的监控设备，其具有改进的数据传输装置和能量效率，因此提供具有减小功率消耗的监控设备。
本发明的另一个特征提供一种用于操作监控设备的改进的方法。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种根据权利要求1的监控设备。
这提供一种具有减小的功率消耗的监控设备。
在第二方面，本发明提供一种根据权利要求6的操作监控设备中数据载体的方法。
这提供一种操作具有减小的功率消耗的监控设备的方法。
其他有利的特征来自从属权利要求。
对于本领域的技术人员来说本发明的其他一些特征从下面的描述将变得很清楚，其中将详细说明本发明的实施例。
附图说明
通过举例的方式示出并描述本发明的优选实施例。正如将会认识到的，本发明可以有其他实施例，并且其若干细节可以在各种明显的方面修改而不脱离本发明。因此附图和描述在本质上被认为是说明性的而不是限制性的。在附图中：
图1示出第一工作状态中的现有技术数据载体的等效电路图；
图2示出第二工作状态中的现有技术数据载体的等效电路图；
图3示在第一工作状态中的根据本发明第一实施例的数据载体的等效电路图；
图4示出第二工作状态中的根据本发明第一实施例的数据载体的等效电路图；
图5更详细地示出第一工作状态中的根据本发明第一实施例的数据载体的调制部分；
图6更详细地示出第二工作状态中的根据本发明第一实施例的数据载体的调制部分；
图7示出第二工作状态中的根据本发明第二实施例的数据载体的等效电路图；
图8示出根据本发明第三实施例的包括阅读器和数据载体的监控设备的等效电路图。
具体实施方式
参考图1，图1示出在现有技术数据载体的等效电路图。该数据载体示出在第一工作状态，其中数据载体首先设置成用于接收从阅读器无线供给的电力/动力（power）。该电路图包括一起形成谐振电路的接收器线圈101和谐振电容器102，该谐振电路调谐对应于来自阅读器的无线信号的传输频率的谐振频率。该电路图还包括整流器103、能量储存电容器104、表示数据载体上的监控装置和数据处理装置的负载的电阻器105、开关106以及调制电阻器107。
阅读器的无线信号的一小部分被耦合到接收器线圈101，并且在接收线圈101两端感生电压。该电压在整流器103中被整流，并且作为得到的能量被储存在能量储存电容器104中。
参考图2，图2示出在第二工作状态中的图1的现有技术数据载体的等效电路图。在第一工作状态，开关106打开而在第二工作状态开关106闭合。当开关106闭合时，调制电阻器107与负载电阻器105并联。
当阅读器和数据载体感应地耦合时，调制电阻器107的接通和断开引起阅读器（将在下面描述）中的发射器线圈的阻抗的变化。这具有阅读器中的电压的振幅调制的效果。因此如果调制电阻器107的开关正时通过从数据载体传输给阅读器的数据控制，则数据能够从数据载体传输给阅读器。这种类型的负载调制是不利的，其中负载电阻器105两端的电压在负载调制期间可以变化，并且其中功率被耗散为调制电阻器107中的热。
与适于利用数据载体的负载调制的无线电源和无线数据传输的现有技术数据载体相关的其他细节可以在Klaus Finkenzeller的书“RFIDhandbook：fundamentals and applications in contactless smart cards andidentification”（John Wiley & Sons（2003））中得知。
参考图3，图3示出根据本发明的第一实施例的数据载体的等效电路图。为了清楚起见监控设备的其余部分（即，阅读器）从附图中略去。该数据载体被示出在第一工作状态，其中该数据载体首先/最初被设置成接收阅读器的无线供给的动力，该电路图包括接收器线圈201、谐振电容器202、整流器203、能量储存电容器204、表示数据载体上的监控装置和数据处理装置的负载的电阻器205、调制电容器206以及连接点107和208。
参考图4，图4示出根据本发明的第一实施例的图3的数据载体的等效电路图。为了清楚起见监控设备的其余部分（即，阅读器）仍然从附图中略去。该数据载体被示出在第二工作状态，正如从阅读器看到的，其中该数据载体的负载相对于第一工作状态被改变。该电路图仍然包括接收器线圈201、谐振电容器202、整流器203、能量储存电容器204、表示数据载体上的监控装置和数据处理装置的负载的电阻器205、调制电容器206以及连接点207和208。
在第一工作状态中，根据本发明第一实施例的数据载体形成低阻抗谐振电路，正如从阅读器看到的，该低阻抗谐振电路感应地链接于该数据载体。在第二工作状态中，数据载体形成高阻抗谐振电路。在数据流从数据载体传输并且被传输给阅读器时，通过在两种工作状态之间转换，根据阅读器中合适的评估程序在该阅读器中能够重新构建数据流。
本发明的优点是，在用于负载调制的部件中，负载调制仅仅用可忽略的功率消耗实现。
根据一个实施例，能量储存电容器204的电容是调制电容器206的电容的2到10倍之间，并且能量储存电容器204的电容在5和20nF之间的范围内，而调制电容器206的电容在0.5和10nF之间的范围内。优选地，能量储存电容器的电容为10nF而调制电容器的电容为1nF。
根据另一个实施例，调制电容器206的电容和能量储存电容器204的电容之比在0.5和2之间的范围内。优选，两个电容器的电容通常是相同的并且在0.5和20nF之间的范围内。
参考图5，图5更详细地示出根据本发明的第一实施例的数据载体的调制部分。图5示出能量储存电容器204、调制电容器206、开关209、210和211以及连接点207和208。图5示出其处在第一工作状态时的数据载体。在该第一工作状态中，开关209和211闭合而开关210打开。因此电容器204和206相对于连接点207和208并联连接。
参考图6，图6更详细地示出根据本发明的第一实施例的数据载体的调制部分。图6示出能量储存电容器204、调制电容器206、开关209、210和211以及连接点207和208。图6示出其处在第二工作状态时的数据载体。在该第二工作状态中，开关209和211打开而开关210闭合。因此电容器204和206相对于连接点207和208串联连接。
根据本发明的第一实施例，在第一和第二工作状态两者中电阻器205并联耦合到能量储存电容器204。以这种方式，电阻器205两端的电压保持相对地恒定，与工作状态无关。等效电路的电阻器205表示数据载体的监控装置和数据处理装置以及对应的电压调节装置。电压调节装置两端的太高的电压降将导致不必要的电力消耗。
本发明的优点是，在第一和第二工作状态两者期间能量被供给能量储存电容器204和调制电容器206。正如从阅读器看到的，如果在第二工作状态中形成的高阻抗谐振电路是简单的开路，则在该工作状态期间从阅读器传输的功率/电力（power）将不用来为数据载体提供能量。
因此，根据本发明包括阅读器和数据载体的监控设备的功率效率可以非常高。
参考图7，图7示出根据本发明的第二实施例的数据载体的等效电路图300。为了清楚起见，监控设备的其余部分（例如，阅读器）仍然从附图中略去。该数据载体被示出在第二工作状态中，其中数据载体首先/起初设置成接收从阅读器无线地供给的电力/动力（power）。该电路图包括接收器线圈309、谐振电容器310、整流器303、能量储存电容器314、表示数据载体的监控装置和数据处理装置的负载的电阻器315、调制电容器313以及连接点311和312。整流器303包括两个二极管301和302和两个开关晶体管304和305。当在接收器线圈309中感生的电压处在其正半波周期时，二极管301向前偏置并且电流朝着连接点311流动。在这个周期期间开关晶体管304处在其“断开”状态，而开关晶体管305处在其“接通”状态，因而电流能够通过开关晶体管305返回到接收器线圈。当在接收器线圈309中感生的电压处在其负半波周期时，二极管302向前偏置并且电流仍然朝着连接点311流动。在这个周期期间开关晶体管304处在其“接通”状态，而开关晶体管305处在其“断开”状态，因而电流能够通过开关晶体管304返回到接收器线圈。
由此，用仅具有两个二极管的电路实现全波整流，并且在每一个半波周期中只有一个二极管在工作。因此整流电路的总的电压降可以是大约单个二极管的电压降。与传统的整流器电桥相比这是重大的改进，在整流器电桥中，电压降大约是单个二极管的电压降的两倍。
除了根据本发明第二实施例的整流器电路之外，仅包括与基于电阻器和开关晶体管的整流电路相比的小的元件。
参考图8，图8示出根据本发明的第三实施例的监控设备的等效电路图。该监控设备具有阅读器400和数据载体401。阅读器400包括信号发生器415、谐振电阻器414、谐振电容器413和发射器线圈412。该谐振电阻器414、谐振电容器413和发射器线圈412一起构成谐振电路，该谐振电路调谐对应于来自阅读器部分的无线信号的选择的传输频率的谐振频率。该数据载体401包括接收器线圈409、谐振电容器402、整流器403、能量储存电容器404、表示数据载体上的监控装置和数据处理装置的负载的电阻器405、调制电容器406以及连接点407和408。该数据载体401类似于参考图3和图4所描述的数据载体。
信号发生器415在发射器线圈412中产生交变电流。发射器线圈中的电流产生在接收器线圈409感生交变电流的交变磁场。交变磁场的频率表示工作频率/操作频率。接收器中的电流用来供电/驱动（power）数据载体。
根据一个实施例，该数据载体被植入人体中用于连续观察使用者的特定的医疗状态。根据另一个实施例，数据载体具有用于记录使用者的EEG信号的电极装置并且数据载体被皮下植入使用者。
根据另一个实施例，工作频率在900kHz和1100kHz之间的范围内，优选约1MHz。因而能够提供一种比具有较低工作频率的设备小的监控设备，因为当工作频率增加时对最小尺寸线圈的要求减轻。对于给定的线圈设计，并且在给定的数据载体的负载的情况下，数据载体上的谐振电路的Q值/Q因子通常随着工作频率增加。对于根据本发明各种实施例的监控设备，这个比例性/均衡（proportionality）由于皮肤的影响大约在1MHz开始减少。
业已发现，在工作频率为1MHz时，谐振电容器202、310和402可以具有在25pF和75pF之间范围内的电容，优选大约50pF，这大大高于寄生电容。与此相反，具有2和5pF之间范围内的电容的谐振电容器需要10MHz的工作频率。此小的电容值难以实现，因为其与寄生电容太相似（too similar to）。
另一方面，已经发现，通过将工作频率从100kHz增加到1MHz，监控设备的功率效率可以增加到4倍。
对本领域的技术人员而言，结构和程序的各种修改和变化将是显而易见的。
Claims (6)
1.一种包括阅读器和数据载体的监控设备，其适于利用负载调制从该数据载体到该阅读器的无线数据传输，并适于利用从该阅读器到该数据载体的无线感应电力传输供电该数据载体，其中该数据载体包括接收器线圈、数据处理装置、整流装置、开关装置以及至少两个电容器，其中所述数据处理装置、开关装置和电容器这样连接：使得在第一结构中所述电容器并联耦合，而在第二结构中所述电容器串联耦合，因而所述数据载体的负载调制通过在所述第一和第二结构之间的转换来实现，并且所述电容器还设置成用于储存从无线感应电力传输接收的能量并且用于供电该数据处理装置。
2.根据权利要求1所述的监控设备，其中在所述第二结构中，所述电容器串联耦合，并且所述数据处理装置与所述电容器中的一个并联耦合。
3.根据前述权利要求任何一项所述的监控设备，其中第一电容器的电容是第二电容器的电容的0.5到2倍。
4.根据前述权利要求任何一项所述的监控设备，其中所述整流装置包括第一和第二二极管以及第一和第二开关晶体管，其被配置成使得所述接收器线圈的第一端连接于所述第一开关晶体管的集电极、所述第二开关晶体管的基极和所述第一二极管的输入端，而所述接收器线圈的第二端连接于所述第二开关晶体管的集电极、所述第一开关晶体管的基极和所述第二二极管的输入端。
5.根据权利要求4所述的监控设备，其适于在所述阅读器和所述数据载体之间执行在900kHz和1100kHz之间范围内的感应链接的工作频率。
6.一种操作监控设备中的数据载体的方法，其包括如下步骤：
在所述数据载体中提供第一电容器、第二电容器、开关装置和数据处理装置；
连接所述第一电容器、第二电容器、开关装置和数据处理装置，并且操作所述开关装置以获得第一结构，其中所述电容器并联连接；
操作所述开关装置以获得第二结构，其中所述电容器串联连接；
利用从无线感应电力传输中接收的能量将能量储存在所述电容器中；
利用所述储存的能量为所述数据载体上的所述数据处理装置供电；以及
在数据流从所述数据载体传输时在所述两种结构之间转换。
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