CN111464206B - 电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置及方法，包括：电极、阻抗匹配电路、模拟前端电路、幅值相位处理电路、MCU、以及信号发射机和信号接收机；所述电极经阻抗匹配电路通过第一选择开关分别连接信号发射机和信号接收机；所述阻抗匹配电路由电容和电感构成，其两端经第二选择开关依次连接模拟前端电路、幅值相位处理电路和MCU；所述阻抗匹配电路的电容为数字可变电容，所述MCU连接数字可变电容。其克服了现有技术仅能对信道进行固定补偿的局限性，使得注入到负载中的功率最大化，有利于获取真实的信道特性，优化电流耦合型人体通信收发系统的设计。
Description
技术领域
本发明属于通信电路领域，尤其涉及一种电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置及方法。
背景技术
人体通信(intra-body communication,IBC)是一种新兴的短距离无线通信方式。中国专利（申请号：201410683212.4）提出了一种用于人体通信的收发器结构、通信系统及方法。其特征在于:包括微处理器、基带处理器、隔离开关、滤波器、电极板、放大器、检波器、比较器。能够提高人体通信数据传输的速度，增强人体通信数据传输的稳定性。中国专利（申请号：201410683212.4）提出了一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计系统，包括上位机模块、数据采集卡、电源、隔离电路模块、人体信道和贴在人体表面的电极，能在不同场景下，测量人体信道特性，并在上位机模块中显示出来。中国专利（申请号：201310586022.6）提出本发明公开了一种基于电流耦合型人体通信的实时医疗通信系统及其通信方法。该实时医疗系统，包括电源模块，分别与电源模块连接的、同时安装于人体上的发射机和接收机，本发明可以在不影响人的正常生理状态下，安全、稳定的利用人体作为媒质实现信息传输。
现有电流耦合人体通信收发器的设计方案中，有些并未加入阻抗匹配电路，信号在传输过程中损耗增加，所以在测量人体信道的特性时，计算出来的衰减特性偏大，导致结果不准确。而当前的体通道阻抗匹配方案主要是用固定电感与传输信道中电容器谐振来补偿路径损耗，但人体的信道特性和电极的接触阻抗会随着人体状态变化发生改变，导致匹配效果不理想，并且个体差异明显，普适性不高。而电容耦合的方案受外界环境影响较大，使得整个适应性和稳定性都比较低。
发明内容
考虑到现有的人体通道阻抗匹配技术主要是用固定电感与传输信道中电容器谐振来补偿路径损耗。但人体的信道特性和电极的接触阻抗会随着人体状态变化发生改变，导致匹配效果不理想，并且个体差异明显，普适性不高。针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置及方法。设计了一种收发复用的阻抗匹配网络，并且以匹配网络的输出信号作为闭环反馈信号，控制器通过跟踪反馈信号获得当前匹配的情况，快速地搜索到最佳匹配点，并对匹配阻抗网络的参数进行调整，从而保证收发系统的阻抗匹配情况保持在一个良好的状态。
本发明具体采用以下技术方案：
一种电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置，其特征在于，包括：电极、阻抗匹配电路、模拟前端电路、幅值相位处理电路、MCU、以及信号发射机和信号接收机；所述电极经阻抗匹配电路通过第一选择开关分别连接信号发射机和信号接收机；所述阻抗匹配电路由电容和电感构成，其两端经第二选择开关依次连接模拟前端电路、幅值相位处理电路和MCU；所述阻抗匹配电路的电容为数字可变电容，所述MCU连接数字可变电容。
优选地，所述模拟前端电路带有差分放大电路。
优选地，所述模拟前端电路和幅值相位处理电路之间还设置有由带通滤波器和低功耗放大器组成的保持电路。
优选地，所述幅值相位处理电路包括基于AD8307的幅值检测电路和基于AD8302的相位检测电路。
优选地，所述幅值相位处理电路连接MCU的ADC模块。
以及根据以上装置方案的调节方法，其特征在于：所述MCU通过控制PWM的输出改变数字可变电容的值，使系统的并联谐振频率ωp匹配系统的载波频率ωc。
优选地，所述幅值相位处理电路将幅度和相位信息转换成模拟电压，所述MCU通过ADC模块进行模数转换后还原为幅度和相位信息，并采用最速下降法计算获得补偿可调谐电容的值。
优选地，所述MCU通过调用相应的库函数实现使能ADC时钟，并使能相应的GPIO模块时钟，将幅值相位处理电路输出的模拟输出电压输入ADC模块的模拟输入引脚，并选择采样序列0实现连续的8组采样，最后对8组采样数据求平均。
与现有技术相比，本发明及其优选方案装置结构精简，成本适当，控制准确效果好，通过检测传输信道中幅相特性来得到估计前向通道电容的大小，并且利用数字控制的可调谐电容对计算出的前向电容进行补偿。整个测量过程是实时进行的，并且可在静态环境和动态条件下对整个系统进行补偿，克服了现有技术仅能对信道进行固定补偿的局限性，使得注入到负载中的功率最大化，有利于获取真实的信道特性，优化电流耦合型人体通信收发系统的设计。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例对信道衰减的改善测试结果示意图；
图3为本发明实施例采用的最速下降法流程示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供的装置系统主要包括：电极、阻抗匹配电路、模拟前端电路（AFE）、幅值相位处理电路（RSSI）、MCU、以及信号发射机和信号接收机；其中，电极用于贴在人体表面，电极经阻抗匹配电路通过第一选择开关分别连接信号发射机和信号接收机并且配合第二选择开关，实现收发复用（当第一选择开关连接到发射机时，第二开关连接到左边即靠近人体的一边，此时为信号发射模式，当第一选择开关连接到信号接收机的一端时，第二选择开关打到右侧，此时为信号接受模式。）；阻抗匹配电路由电容和电感构成，其两端经第二选择开关依次连接模拟前端电路、幅值相位处理电路和MCU，可以确保在收发模式下，采集到的反馈信号都通过了阻抗匹配电路；阻抗匹配电路的电容为数字可变电容，MCU连接数字可变电容。
其可以分为闭环反馈信号采集部分和自动阻抗匹配部分。
其中，闭环反馈信号采集部分,在信号检测电路中，根据电流耦合型的原理，模拟前端电路（AFE）接收端采用差分放大的方式接收经由人体传输的信号。为了隔离前端高频和工频信号的干扰，接收端采用带通滤波器和AD8011（低功耗放大器）组成的保持电路，滤除噪声并使信号以较小信道衰减到达后端电路。后端电路通过一个由AD8307和AD8302（ADI公司的用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路）组成的RSSI电路（Received SignalStrengthIndicator）来获取反馈信号的强度，实现幅度检测和相位检测功能。同时实现了对接收端人体微弱信号的对数放大，能识别人体微小信号的变化量。利用MCU自带的12位双路的逐次比较型ADC来实现电压值的模数转换，以便能够计算出匹配网络需要的电容值。
在自动阻抗匹配系统的设计中，本实施例采用了STM8系列的低功耗单片机作为微控制器（MCU）。选择Keiluvision 5作为MCU的软件开发工具。为了能够让系统得阻抗匹配状态处于一个良好的状态，必须使用阻抗匹配策略来优化信道，使得注入到负载中的功率最大化，本实施例引入一种谐振匹配的方式，通过让整个系统的并联谐振频率ωp等于系统的载波频率ωc，使得接收到的信号功率最大。
对于如图1所示的由两个电感和一个电容构成的T型阻抗匹配电路。而通常载波频率由发射机确定，为固定值，因此通过调节并联的可调电容器使得谐振频率与载波频率相同。
在系统处理过程的设计中，幅值相位处理电路把人体的信道衰减和相位信息转换成模拟电压值。通过调用相应的库函数实现使能ADC时钟，使能相应的GPIO模块时钟，将幅相检测电路的模拟输出电压配置成ADC的模拟输入引脚，并选择采样序列0实现连续的8组采样，最后对8组采样数据求平均，提高检测准确度。MCU从ADC采集到的AD8302和AD8307的输出放大值的得到电路中的幅相信息中得到反射系数的矢量值，并使用最速下降法来得到最佳的匹配容值，最速下降算法工作流程图如图3所示，然后通过控制PWM的输出来改变数字可变电容（该种电容器的结构可以参照CN201320848552等文献的记载）的值使得电路处于最佳匹配阻抗点。加入自动阻抗匹配收发系统后，人体信道衰减的改善如图2所示，可以看到在1MHz的范围内，系统信道的衰减的改善均在10dB以上。
在本实施例装置的具体使用过程中：首先在接收端差分接收的方式在人体中贴上电极，之后信号经过阻抗匹配网络，信号经过采样电路中的滤波保持电路滤除噪声干扰。信号分别通过RSSI的AD8307和AD8302两个模块实现幅度检测和相位检测功能。把检测后模拟信号输入到MCU，通过ADC将模拟信号转换成数字信号，并将MCU通过获取到的幅相的值使用最速下降法计算出补偿可调谐电容的值，完成对人体信道的补偿。整个测量过程是实时进行的，并且可在静态环境和动态条件下测量。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置，其特征在于，包括：电极、阻抗匹配电路、模拟前端电路、幅值相位处理电路、MCU、以及信号发射机和信号接收机；
其中，电极用于贴在人体表面，电极经阻抗匹配电路通过第一选择开关分别连接信号发射机和信号接收机并且配合第二选择开关，实现收发复用：当第一选择开关连接到发射机时，第二开关连接到左边即靠近人体的一边，此时为信号发射模式，当第一选择开关连接到信号接收机的一端时，第二选择开关打到右侧，此时为信号接收模式；阻抗匹配电路由电容和电感构成，其两端经第二选择开关依次连接模拟前端电路、幅值相位处理电路和MCU，以确保在收发模式下，采集到的反馈信号都通过了阻抗匹配电路；阻抗匹配电路的电容为数字可变电容，MCU连接数字可变电容；
闭环反馈信号采集部分,在信号检测电路中，根据电流耦合型的原理，模拟前端电路接收端采用差分放大的方式接收经由人体传输的信号；为了隔离前端高频和工频信号的干扰，接收端采用带通滤波器和低功耗放大器组成的保持电路，滤除噪声并使信号经过信道衰减到达后端电路；后端电路通过一个RSSI电路来获取反馈信号的强度，实现幅度检测和相位检测功能；
在具体使用过程中：首先在接收端差分接收的方式在人体中贴上电极，之后信号经过阻抗匹配网络，信号经过采样电路中的滤波保持电路滤除噪声干扰；信号分别通过RSSI的两个模块实现幅度检测和相位检测功能；把检测后模拟信号输入到MCU，通过ADC将模拟信号转换成数字信号，并将MCU通过获取到的幅相的值使用最速下降法计算出补偿可调谐电容的值，完成对人体信道的补偿。
2.根据权利要求1所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置，其特征在于：所述模拟前端电路带有差分放大电路。
3.根据权利要求1所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置，其特征在于：所述幅值相位处理电路包括幅值检测电路和相位检测电路。
4.根据权利要求1所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置，其特征在于：所述幅值相位处理电路连接MCU的ADC模块。
5.根据权利要求1-4其中任一所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置的调节方法，其特征在于：所述MCU通过控制PWM的输出改变数字可变电容的值，使系统的并联谐振频率ω p 匹配系统的载波频率ω c 。
6.根据权利要求5所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置的调节方法，其特征在于：所述幅值相位处理电路将幅度和相位信息转换成模拟电压，所述MCU通过ADC模块进行模数转换后还原为幅度和相位信息，并采用最速下降法计算获得补偿可调谐电容的值。
7.根据权利要求6所述的电流耦合型人体通信的自动阻抗匹配调节装置的调节方法，其特征在于：所述MCU通过调用相应的库函数实现使能ADC时钟，并使能相应的GPIO模块时钟，将幅值相位处理电路输出的模拟输出电压输入ADC模块的模拟输入引脚，并选择采样序列0实现连续的8组采样，最后对8组采样数据求平均。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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