CN102934125A - 监控设备和监控设备中的无线功率传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括读出器和数据载体的监控设备，其中读出器（100）包括控制单元（101）、存储器（102）、数字信号发生器（103）、输出驱动器（104）、谐振电容器（105，107）和发射器线圈（106），其中所述数字信号发生器（103）适于提供从存储在存储器（102）中的至少两个比特序列中选择的数字比特序列，由此发射器线圈（106）产生的磁场的强度可以根据控制单元（101）选择的比特序列而变化。本发明还提供一种控制由监控设备的读出器产生的磁场的强度的方法。

Description

监控设备和监控设备中的无线功率传输的方法

技术领域

本发明涉及监控设备。本发明更具体地涉及包括读出器和数据载体并适于无线数据和功率传输的监控设备。本发明还涉及控制这种监控设备内的无线功率传输的方法。

背景技术

在本公开的背景中，监控设备应被理解为小型设备，其被设计为由使用人佩戴，从而持续监视使用者的特定医学状况。该监控设备包括读出器和数据载体。

读出器由内部主能源例如电池供电。数据载体没有自身的主能源。因此数据载体依靠于来自读出器的无线感应功率传输。读出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感应器系统。基本原理依赖于在发射器线圈中生成交变电流。发射器线圈中的电流产生磁场，该磁场感应出接收器线圈中的电流。接收器线圈中的电流被用于为数据载体供电。

数据载体具有监控装置，例如监控设备的电极，其用于测量使用人体内的EEG信号。由监控装置采集的数据被数据处理装置预处理，并且被无线传输到读出器用以进一步处理。读出器通过数据载体的负载调制从数据载体接收数据。在典型的应用中，读出器中的进一步处理包括确定特定医学状况是否已经在使用者体内发生并且向使用者警报该状况。由于电池和信号处理的主要部件被放置在读出器内，因此数据载体可以保持小尺寸和小功耗。其有利之处在于使得数据载体能够植入使用人体内。就EEG信号的测量而言，皮下植入数据载体是特别有利的。

监控设备的高效操作要求从读出器到数据载体的感应功率传输在强度上是可调的。如果过量的功率被传输到数据载体，则过量的功率将被损失，而如果不足的功率被传输到数据载体，则数据载体将不能执行其预期的功能。因此监控设备的高效操作需要功率控制回路，其中数据载体发送信息到读出器，使得读出器能够控制功率传输的强度，从而避免过量和不足的功率传输。也要求功率传输的强度能够以功率有效的方式变化。

US-A-6073050公开了包括第一级和第二级的高效RF遥测发射器系统。该发射器系统在第一级内使用固定高频时钟信号（例如，49MHz时钟信号）的脉宽调制发送功率和数据到植入设备，以便在第二级中提供RF输出信号的高效产生。固定频率时钟信号的脉宽调制被用于优化地设置第一级的输出信号的驱动电平。ON/OFF键控或其他调制方案进一步用第一级中的数据调制时钟信号。第二级包括E类放大器电路。

本发明的特征是提供具有改进的感应功率传输装置的监控设备，由此提供具有降低的功率消耗的监控设备。

本发明的另一特征是提供用于控制感应功率传输的强度的改进方法。

发明内容

在第一方面，本发明提供如权利要求1所述的监控设备。

这提供具有降低的功率消耗的监控设备。

在第二方面，本发明提供如权利要求12所述的方法。

这提供用于控制监控系统中读出器与数据载体之间的感应功率传输的强度的功率有效方法。

进一步有利的特征表现在从属权利要求中。

在更加详细地描述本发明的以下说明书中，本发明的其他特征对于本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

通过举例方式，本发明的优选实施例被示出并描述。应该认识到，本发明能够被实施为其他实施例，并且其中一些细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不偏离本发明。因此，附图和说明书将被视为本质上是例示性而非限制性的。在附图中：

图1高度示意性地示出根据本发明实施例的监控设备的读出器；

图2高度示意性地示出根据本发明实施例的读出器的解调器装置；

图3示出根据本发明实施例的比特序列；

图4示出图3的每个比特序列的一阶谐波的强度；以及

图5示意性示出根据本发明实施例的监控设备。

具体实施方式

首先参考图1，其高度示意性地示出根据本发明实施例的监控设备的读出器。该读出器包括控制单元101、存储器单元102、数字信号发生器103、输出驱动器104、发射器线圈106、第一谐振电容器105、第二谐振电容器107、连接点110、解调器装置108和信号处理装置109。

发射器线圈106、第一谐振电容器和第二谐振电容器一起形成谐振电路，该谐振电路被调谐到对应于来自读出器的无线感应功率传输的传输频率的谐振频率。为了在连接点110处提供合适的电压，谐振电容被分为两个。连接点110处的电压可以被数据载体加载调制，由此数据可以被从数据载体传输到读出器。连接点110处的调幅模拟电压由解调器装置108解调，并且数字信号作为输入被提供给信号处理装置109。信号处理装置109从数字信号中提取与数据载体接收到的无线功率强度相关的信息，并且基于该信息确定从读出器传输的功率强度是否需要调整，进而相应的控制信号被馈送到控制单元101。响应于该控制信号，控制单元选择来自存储器单元102的比特序列，其中该比特序列表示从读出器传输的功率的期望强度。随后，该比特序列被存储在数字信号发生器103中并且以预定的时钟频率从其中读出。数字信号被输出驱动器104放大，并且上述谐振器电路将数字信号转换成具有期望振幅的模拟正弦信号，以便无线功率传输到数据载体。

在图1的实施例中，第一电容器的电容值为40pF，并且第二电容器的电容值为100pF。由此，可以在连接点110处提供合适的负载调制电压以便被解调器装置108进一步处理。在该实施例的变体中，第一电容器的电容值在25pF到75pF的范围内，优选地在35pF到45pF的范围内，并且第二电容器的电容值在75pF到125pF的范围内，优选地在95pF到105pF的范围内。

在图1的实施例中，控制单元101包括查找表，其中来自信号处理装置109的控制信号被用来选择来自存储器单元102的比特序列。信号处理装置109包括基于反馈回路确定控制信号的算法，该反馈回路适于控制从读出器到数据载体的功率传输的动态行为。这种算法在控制理论领域是公知的。在图1的实施例中，比例积分微分（PID）控制器被用于控制该反馈回路。

在图1的实施例中，存储器单元102包括16个比特序列，每个比特序列具有32比特，并且数字信号发生器103的内部时钟频率为32MHz。这些比特序列被选择以使得产生的数字信号表示具有1MHz基频的畸变正弦信号，并且其中每个比特序列表示畸变正弦信号的完整周期。基频对应于读出器和数据载体的被选择的谐振器电路的谐振频率，并且基频组成用于读出器和数据载体之间的无线传输的载波频率。通过选择1MHz的载波频率，提供了一种能够被制造得比具有较低载波频率的设备更小的监控设备，因为当载波频率被提高时，对读出器上的发射器线圈以及数据载体上的接收器线圈的最小尺寸的要求被放宽。一般地，谐振电路的品质因数Q将随着载波频率增大而提高。针对根据本发明的各种实施例的监控设备，该比例性将由于趋肤效应而在大约1MHz下减少。已经发现，通过将载波频率从大约100kHz提高到大约1MHz，监控设备的功率效率可以被提高一定的倍数（例如4倍）。

在图1的实施例的变体中，载波频率的取值在900kHz到1100kHz的范围内。

已经发现，谐振电容器105和107在工作频率为1MHz时可以具有在25pF到125pF的范围内的电容值，其远高于集成电路和印刷电路板的寄生电容值。相对于此，电容值在2pF到5pF范围内的谐振电容器被要求工作频率为10MHz。这样小的电容值难以实现，因为它们与寄生电容太相似，从其本质上来说是难以预知的。

在图1的实施例中，多个比特序列被脉冲密度调制，以便表示具有固定基频和可变振幅的畸变模拟正弦信号。这些比特序列还被进一步优化以具有近似相同的零阶谐波。由此一阶谐波（即基频）的强度可以变化，而没有任何零阶谐波的相应变化，并且这一般将有利于负载调制信号的解调。

根据本发明的脉冲密度调制比特序列相对于例如脉冲宽度调制比特序列的特定优势在于脉冲密度调制比特序列可以在特定谐波的抑制方面被优化。

在图1的实施例的变体中，比特序列被选择以使得所有较高阶谐波尽可能多地被抑制。在另外的变体中，二阶谐波的抑制被给予最高权重，因为相对于其他更高阶谐波，二阶谐波被谐振电路衰减地最少。信号中高阶谐波的分量越大，正弦信号将被畸变地越多，并且畸变一般将不利于负载调制信号的解调。

根据本发明的其他实施例，以三个步骤过程选择比特序列。在第一步骤中，选择具有预定基频（即一阶谐波）的比特序列。在第二步骤中，选择多个比特序列组，其中每个组包括具有预定强度的一阶谐波的比特序列，并且在最后的第三步骤中，从每个组中选择比特序列，以使得所选择的比特序列有近似相同的零阶谐波强度。

现在参考图3，其示出根据本发明实施例的16个不同的比特序列。

然后参考图4，其示出图3中给出的每个比特序列的一阶谐波的强度表示。该一阶谐波的强度表示从读出器到数据载体传输的功率。由此直接推断出，可以通过选择合适的比特序列来控制传输到读出器的功率的强度。

可以通过将比特序列转换到频域来确定比特序列中的谐波强度。例如，这可以使用快速傅里叶变换（FFT）来实现。

在图1的实施例中，数字信号发生器是简单的移位寄存器。这提供了数字信号发生器的非常简单的实现方式。

在图1的实施例中，输出驱动器104是D类放大器。在该实施例的多个变体中，输出驱动器可以是任何类型的数字开关放大器。这提供了非常功率有效的输出驱动器。

现在参考图2，其高度示意性地示出根据本发明实施例的解调器装置108。解调器装置108包括全波整流器111、低通滤波器112、高通滤波器113和比较器114。来自连接点110的信号在全波整流器111中被整流并且被馈送到低通滤波器112，从低通滤波器112到高通滤波器113并且进而到比较器114，比较器114输出能够在信号处理装置109中被进一步处理的数字信号。全波整流器111使得来自连接点110的信号没有负电压值，并且低通滤波器112适于通过去除载波频率而提供信号的包络。高通滤波器113提供包络信号，其中直流（DC）分量被去除，并且该信号被输入到比较器114，比较器114提供二进制的数字信号，该二进制的数字信号包括从数据载体传送的数据，用于在数字信号处理装置109中进一步处理。

在图2的实施例的变体中，来自连接点110的模拟信号被衰减以防止解调器装置108饱和。

根据一个实施例，无线数据传输的速度被选择在1kHz到50kHz的范围内，优选为大约10kHz，并且读出器的内部时钟频率被选择在10MHz到75MHz的范围内，优选为大约32MHz。相对于高的内部时钟频率选择相对低的数据传输速度有利于数据流与读出器的内部时钟的同步。

根据一个实施例，为提供简单的数据时钟恢复，从数据载体传输的数据被编码为曼彻斯特码。

根据一个实施例，数据载体测量由来自读出器的功率传输感应出的电压，其中所述电压被用于为数据载体上的信号处理电路提供功率。该电压被转换到数字域并且被传回到读出器，以便允许读出器通过选择合适的比特序列来控制传输到数据载体的磁场的强度。该电压每秒被测量250次。

根据一个实施例，磁场强度可以被变化一定倍数，该倍数在5到15的范围内。这对应于皮下植入到使用者头部的数据载体和佩戴于使用者耳部或耳后的数据载体之间的感应传输的耦合系数的典型变化。

关于适用于无线功率供应的数据载体以及使用数据载体的负载调制的无线数据传输的现有技术的更多细节可以参考Klaus Finkenzeller的书：“RFIDhandbook:fundamentals and applications in contactless smart cards andidentification”，John Wiley&Sons，（2003）。

现在参考图5，其示意性示出根据本发明的实施例用于连续监视使用者体内的特定医学状况的监控设备。监控设备201包括两个分离的机械部件，即数据载体202和读出器204，其中数据载体202被配置为皮下植入在携带监控设备201的使用人203的耳后，读出器204适于安置在使用者的耳后。数据载体202可被进一步划分为第一植入子部件205和第二植入子部件206。第一植入子部件205包括具有两个有源区的探针，其中每个有源区组成一个电极，用于接触皮下组织以便探测电信号例如EEG信号的存在。第二植入子部件206包含信号处理电路和接收器线圈。读出器204也包含信号处理电路和发射器线圈。

由两个感应耦合的线圈在数据载体202与读出器204之间提供的无线连接被用于两个普通目的。第一目的是将来自数据载体202的数字电极信号传输到读出器204以便进一步分析和处理。第二目的是将来自读出器204的功率传输到数据载体202。因此，数据载体没有自己的能量源，而是依靠于来自读出器204的无线感应功率传输，但是读出器204是由电池供电的。

对于本领域技术人员来说，结构及过程的其他修改和变化是显而易见的。

Claims (16)

1.一种监控设备，其包括读出器和数据载体，其中所述读出器包括控制单元、存储器、数字信号发生器、输出驱动器、谐振电容器和发射器线圈，其中所述数字信号发生器适于提供从存储在所述存储器中的至少两个比特序列中选择的数字比特序列，由此所述发射器线圈生成的磁场的强度能够根据所述控制单元选择的所述比特序列而变化。

2.根据权利要求1所述的监控设备，其中所述读出器包括解调装置和信号处理装置，从而能够由所述信号处理装置分析来自所述数据载体的数据信号，并且能够响应于此分析选择比特序列，其中所述数据信号包括与由所述数据载体接收的磁场的强度相关的信息。

3.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中所述数字信号发生器是移位寄存器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中所述输出驱动器是D类放大器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中存储在所述存储器中的所述比特序列已经被优化从而与零阶谐波具有近似相同的强度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中存储在所述存储器中的所述比特序列已经被优化以便最小化二阶谐波的强度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中存储在所述存储器中的所述比特序列提供具有在900kHz至1100kHz范围内的基频的数字信号。

8.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中所述读出器适于佩戴在使用者耳后。

9.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中所述数据载体适于皮下植入在使用人体内。

10.根据前述权利要求中任一项所述的监控设备，其中所述数据载体包括用于监视所述使用者体内的特定医学状况的监控装置。

11.根据权利要求10所述的监控设备，其中所述监控装置包括适于测量使用人体内的EEG信号的电极。

12.一种通过控制由监控设备的读出器产生的磁场的强度来控制监控系统中所述读出器与数据载体之间的感应功率传输的强度的方法，所述方法包括以下步骤：确定所述磁场的期望强度，从存储器中选择数字比特序列，基于所述比特序列产生数字信号，通过传送所述数字信号经过输出驱动器以及至少包括电容器和线圈的谐振器电路来产生磁场。

13.根据权利要求12所述的方法，其包括以下步骤：选择具有预定基频的第一组比特序列，从所述组中选择至少两个比特序列子组，其中每个所述子组包含具有近似相同强度的一阶谐波的比特序列，并且从每个子组中选择比特序列，使得来自每个子组的所选择的比特序列具有近似相同强度的零阶谐波并且跨越所述一阶谐波的强度范围。

14.根据权利要求12所述的方法，其包括以下步骤：选择具有预定基频的第一组比特序列，从所述组中选择至少两个比特序列子组，其中每个所述子组包含具有近似相同强度的一阶谐波的比特序列，并且从每个子组中选择比特序列，使得来自每个子组的所选择的比特序列已经抑制了二阶谐波的强度并且跨越所述一阶谐波的强度范围。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述一阶谐波的所述强度范围跨越至少五倍的范围。

16.根据权利要求13-15中任一项所述的方法，其中所述一阶谐波的所述强度范围跨越少于十五倍的范围。

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