CN114070359B - 一种植入式能量与数据同时无线传输系统及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植入式能量与数据同时无线传输系统及其设计方法。本发明上位机将下位机需要执行的指令以及下位机需要的能量通过LCC拓补电路以正弦电压的形式传输给下位机。低频正弦信号用于传输能量，高频正弦信号用于传输信息。上位机使用FPGA进行信息的运算，并通过DAC恢复出运算得到的波形。本发明不需要集成额外的通信模块以及设计专用的天线，大大降低植入式通信系统的复杂度、降低系统功耗和体积。能量与数据同时传输，适合于无电池等储能元件的植入式应用场景。将数据传输与能量传输设置在不同的频率点，可降低系统调制的代价。
Description
技术领域
本发明属于生物医学电子技术领域，涉及一种基于双侧LCC拓扑的植入式能量与数据同时无线传输系统及其设计方法。
背景技术
对人体生命体征的监测和控制对于一些疾病的治疗至关重要。例如对于诊断有心脏病的患者来说，紧急的心脏电刺激对于挽救心脏骤停的病人来说十分重要。再比如，通过可穿戴设备对胎儿的生命体征进行实时检测，对早产和刨宫产提供更有效的干预指针，能够更好地保证孕妇和胎儿的健康、降低医疗成本。全植入式系统被认为是这些疾病的最终解决方案。他们使用能量收集的方式来满足自身的功耗，通过无线通信的方式接收上位机的数据。由于对系统体积要求极高，并且要求元器件安全无毒，所以这些电子系统不能集成电池等储能元件。所以必须要保证对这些植入式系统进行同时的无线数据传输与无线电能传输。以往的能量与数据同时无线传输(SWPDT)系统，大多采用互感线圈注入的方式进行信息的转载，而这需要在植入式系统中额外添加功放，并且互感耦合的方式效率较低且负载阻抗相位角度不为零，导致调制的代价过大，不适合植入式应用。
本文利用双侧LCC拓扑多个谐振点的优势，提出了一种新的无线能量与数据同时传输系统设计方法。将传输信息与传输能量的载波设定在不同的谐振点，将传输信息的载体与传输数据的载体相加以后同时发送出去，实现能量与数据同时传输的目的。能量与数据同时传输的方式，可以满足一些无法携带电池等储能元器件的植入式应用场合。
发明内容
本发明的目的就是提供一种植入式能量与数据同时无线传输系统及其设计方法。将传输能量的载波与传输信息的载波相加以后同时发送出去，实现能量与数据的同时发送，主要涉及到基于LCC拓扑的能量与数据同时传输的理论基础、电路实现与通信协议。
一种植入式能量与数据同时无线传输系统包括上位机、双侧LCC拓扑电路和下位机；下位机包括滤波电路、整流电路与OOK解调电路。上位机将下位机需要执行的指令以及下位机需要的能量通过LCC拓扑电路以正弦电压的形式传输给下位机。在本发明中，上位机的能量与数据同时传输给下位机。由于双侧LCC拓扑存在多个谐振点，通过LCC拓扑电路的电压信号能为多个频率相互叠加的形式，在时域上表现为多个正弦信号的叠加。在本发明中低频正弦信号用于传输能量，高频正弦信号用于传输信息。上位机使用FPGA进行信息的运算，并通过DAC恢复出运算得到的波形。下位机的滤波电路用于分离高低频信号，将其中分离出来的低频信号输入到整流滤波电路中，将分离出来的高频信号输入到OOK解调电路中。
在双侧LCC无线电能传输系统的基础上，添加信息的功能，实现能量与信息的同时传输。步骤一至步骤四为传统的双侧LCC设计过程，具体包括线圈尺寸的确定、谐振点的计算和确定。步骤五至步骤七为在双侧LCC拓扑的基础上添加信息传输功能的设计步骤，具体包括叠加信号的生成、滤波电路的设计以及通信协议的规定。其中叠加信号的生成用于生成高低频相叠加后的信号，滤波电路用于分离高低频信号、通信协议是用来规定上位机与下位机之间通信的规则。
上述无线传输系统的设计方法，具体包括如下步骤：
步骤一、根据植入式应用场景，确定双侧LCC拓扑中初级主线圈L1和副级线圈L2的尺寸、形状、匝数，并测量其电感值。主线圈在植入式场景中负责用来能量与数据的传输。
步骤二、根据植入式系统的数据传输与能量传输要求选择谐振频率。基于双侧LCC拓扑的无线电能传输系统具有两个谐振点，在本系统中高频点用于数据传输，低频点用于能量传输。
对于固定信噪比与调制深度的通信系统而言，载波频率越高，码元传输速率越高。在本系统的应用场景中，载波频率取决于双侧LCC拓扑各个元件(补偿电容、补偿电感)的值，以及初级、副级主线圈L1和L2的值。
步骤三、确定双侧LCC拓扑电路各个元件的值。在步骤二确定的能量传输频率与数据传输频率的基础上，选取LCC拓扑L1p,L1s,C1p,C1s,C2p,C2s的值，其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓扑的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓扑的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓扑的并联电容。两个谐振频率点的表达式为：
式中L1为主线圈电感值。在确定LCC拓扑各个元器件参数值时，由参数所确定的频率值由上式计算得来。
步骤四、确定电路的谐振频率：使用标准正弦波信号源激励搭建的系统，在输出端观察输出波形。记录输出电压极大值点，此时的频率点为谐振频率点。其中频率值较大的点为数据传输载波对应的频率点、频率值较小的频率点为能量传输频率点。
实际电路与理想情况会有偏差，步骤三计算得到的结果需要验证以确定实际电路的频率大小。
步骤五、根据双侧LCC拓扑谐振频率点分布生成高低频叠加后的信号。将传输信息用的高频载波装载到传输能量用的载波上去；双侧LCC拓扑的频率响应，存在两个谐振频率点，允许两个频率通过，系统对这两个频率点的增益一样。从系统的层面来看，双侧LCC拓扑可等效为通过频率为ω1和ω2的两个带通滤波器并联。同时的无线能量与数据传输，必须将数据与能量传输载体设置在不同的频率点处。在保证信号的频谱与系统的频率响应相吻合的情况下，实现数据与能量的载体同时传输。
设需要传输的信号
的表达式为：
A1为能量传输信号的幅度，A2为数据传输信号的幅度；g(t)为需要传输的数字信号，根据调制方式的不同，g(t)能取不同的表达式。在OOK调制方式下，g(t)表达式如下：
A1与A2的比值为调制深度，在8位正弦波数据宽度的情况下，A1与A2的关系表达式如下：
为了将
的信号转换为电压信号，采用DDS(Direct Digital Synthesis)的方式合成信号，将频率归一的正弦信号Y[i]按照下式进行N1、N2点采样：
将采样得到的信号存储到上位机的ROM1与ROM2里面，通过改变N1、N2以及读取ROM的时钟频率C，改变输出正弦信号的频率。读取ROM的时钟与采样点数N共同决定着OOK的载波频率，载波频率
在进行信息的调制时，将从ROM1里读取到的数据与从ROM2里读取到的数据相加，进行信息的转载。将从ROM里面读出的数据输入到DAC模块中，转换为电压信号。本系统使用R-2R梯形电阻网络来搭建DAC模块。
步骤六、设计下位机滤波电路用来分离能量与数据载波：在接收端接收到所需的波形以后需要对波形进行两次滤波，分别用于提取用于能量传输与数据传输的信号载体。选用LC串联谐振电路构成的带通滤波器，带通滤波器通带频率中心点为：
在谐振点附近，LC电路阻抗接近于0，此时所有电压都将降在负载两端。当远离谐振点时，LC回路吸收大部分电压。
滤波器中心通带频率分别为数据传输载波频率与能量传输载波频率。将滤出来的数据传输信号进行半桥整流、滤波后就可得到解调后的数据。将滤出来的能量传输信号进行整流、滤波、稳压后给整个系统供电。
步骤七、设计通信协议：传输一个bit的数据所占的载波周期个数为3*n，其中n取决于调制方式与通信系统。当需要传输逻辑1时，高电平所占的载波个数为2n个，低电平所占的载波个数为n个。当需要传输逻辑0时，高电平所占的载波个数为n个，低电平为2n个。解调时可通过判断高电平所占的时间比重来确定所传输的逻辑值。此时传输数据的比特率为：
fcarrier为前文得到的载波频率；由上式可知，传输一个bit所占的载波周期个数越少，数据传输的速率越高。同时，提高系统工作的载波频率也可提高系统的数据传输速率。但是由于各种寄生电容的存在，载波频率的提高势必增加系统的功耗。
本发明不需要集成额外的通信模块以及设计专用的天线，可以大大降低植入式通信系统的复杂度、降低系统功耗和体积。能量与数据同时传输，适合于无电池等储能元件的植入式应用场景。将数据传输与能量传输设置在不同的频率点，相比于其他无线能量与数据系统，可降低系统调制的代价。
附图说明
图1为双侧LCC拓扑无线电能传输系统简化电路图；
图2为SWPDT波形生成具体实现结构框图；
图3为R-2R电阻网络电路图；
图4为发射端SWPDT波形及其频谱图；
图5为接收端SWPDT波形及其频谱图；
图6为系统总体结构框图；
图7为两次滤波后得到的能量传输载波与信息传输载波。
具体实施方式
以下结合附图对本系统作进一步说明。
一种植入式能量与数据同时无线传输系统的设计方法，具体包括如下步骤：
步骤一、根据植入式应用场景，如图1所示，确定初级主线圈L1和副级线圈L2的尺寸、形状、匝数，并测量其电感值。主线圈在植入式场景中负责用来能量与数据的传输。本实施例中等比例扩大元器件尺寸，方便对提出的系统做原型验证。本实施例中选择的初级主线圈L1和副级线圈L2均为平面螺形线圈，线圈直径均为10CM，电感值均为24uH。
步骤二、根据植入式系统的数据传输与能量传输要求选择谐振频率。基于双侧LCC拓扑的无线电能传输系统具有两个谐振点，在本系统中高频点用于数据传输，低频点用于能量传输。对于固定信噪比与调制深度的通信系统而言，载波频率越高，码元传输速率越高。由于对系统的原型验证采用的元器件尺寸要大于实际应用，元器件的值比实际应用时大，所以原型验证阶段各个频率点的值大于实际应用的值。本系统设计的能量传输频率点值为520KHz，信号传输频率点值为6.1MHz。
步骤三、确定双侧LCC拓扑电路各个元件的值。在步骤二确定的能量传输频率与数据传输频率的基础上，选取LCC拓扑L1p,L1s,C1p,C1s,C2p,C2s的值。其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓扑的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓扑的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓扑的并联电容。电路的两个谐振点表达式为：
本系统设定的各个元器件参数如下表所示：
本系统初级主线圈L1和副级线圈L2之间气隙为5CM，两侧补偿电感均为空心螺旋电感，两侧补偿电感的线圈直径均为7CM，线圈匝数均为8匝，电感量均为5.6uH。补偿电容为0603封装的聚合物电容。
步骤四、电路谐振频率的确定：在以上计算的基础上需要用实验的方式再次确定谐振点频率的大小。使用标准正弦波信号源激励搭建的系统，在输出端观察输出波形。记录输出电压极大值点，此时的频率点为谐振频率点。其中频率值较大的点为数据传输载波对应的频率点、频率值较小的频率点为能量传输频率点，测试得到的频率点为520kHz和6.1MHz。
骤五、根据双侧LCC拓扑谐振频率点生成SWPDT信号。本步骤用来将传输信息用的高频载波装载到传输能量用的载波上去。双侧LCC拓扑的频率响应，存在两个谐振频率点，允许两个频率通过，系统对这两个频率点的增益大致一样。从系统的层面来看，双侧LCC拓扑可等效为通过频率为ω1和ω2的两个带通滤波器并联。在保证信号的频谱与系统的频率响应相吻合的情况下，实现数据与能量的载体同时传输。传输的信号
的表达式为：
A1为能量传输信号的幅度，A2为数据传输信号的幅度；g(t)为需要传输的数字信号，根据调制方式的不同，g(t)能取不同的表达式。在OOK调制方式下，g(t)表达式如下：
A1与A2的比值为调制深度，在8位正弦波数据宽度的情况下，A1与A2的关系表达式如下：
为了将
的信号转换为电压信号，本文采用DDS(Direct Digital Synthesis)的方式合成信号。将频率归一的正弦信号按照下式进行N1、N2点采样：
本实施例使用FPGA搭建如图2所示的电路系统。假设FPGA的时钟频率为C1，使用锁相环倍频到C2后输入到两个分频器中。两个分频器的分频系数分别为D1和D2，分频后的时钟用于读取N1位和N2位ROM。将采样得到的信号存储到ROM1与ROM2里面。通过改变N1、N2、D1、D2的值，改变输出正弦信号的频率。载波频率
其中i＝1或者2。
在进行信息的调制时，将从ROM1里读取到的数据与从ROM2里读取到的数据相加，进行信息的装载。通过FPGA外接DAC模块，将FPGA生成的8bit数字信号转换为电压信号，商用的DAC模块由于其时钟频率的限制，不能输出频率足够高的信号。本实施例使用如图3所示的R-2R梯形电阻网络来搭建DAC模块。将DAC生成的波形经功率放大器放大后输入到LCC拓扑电路中。
本系统选择的A1＝30，A2＝98，调制深度为0.31。生成的波形如图4所示。时域波形中，6.1MHz正弦波以540KHz正弦波为包络变化。在信号的频谱图中，存在两个频率极值点：540KHz和6.1MHz，这两个点频点与双侧LCC拓扑的谐振点一致。并且540KHz处的幅度约为6.1MHz频点处幅度的3.8倍。
步骤六、设计下位机滤波电路用来分离能量与数据载波：如图5所示，双侧LCC拓扑接收端观测到的时域波形与发射端时域波形形状基本一致。在频谱方面，接收到的信号同样包含着540KHz与6.1MHz频率点，这与发射端输出的信号一致，并且两频率幅值的比例与发送端大致相同，说明本文提出的利用两个频率点分别作为能量与数据传输的载体，将它们求和以后一起传输的思路是可行的。但需要指出的是，接收端540KHz信号与6.1MHz信号相对于发送端波形都存在着衰减，两频率点衰减的幅度大致相同。如图6，在接收端接收到所需的波形以后需要对波形进行两次滤波。分别用于提取用于能量传输与数据传输的信号载体。本实施例使用的滤波器为LC串联谐振电路构成的带通滤波器。带通滤波器通带频率中心点
在谐振点附近，LC电路阻抗接近于0，此时所有电压都将降在负载两端。当远离谐振点时，LC回路吸收大部分电压。
对接收到的信号分别进行两次带通滤波，滤出来的两路信号如图7所示。将滤出来的数据传输信号进行半桥整流、滤波后得到解调后的数据。将滤出来的能量传输信号进行整流、滤波、稳压后给整个系统供电。
步骤7、设计通信协议：传输一个bit的数据所占的载波周期个数为3*n，其中n取决于调制方式与通信系统。当需要传输逻辑1时，高电平所占的载波个数为2n个，低电平所占的载波个数为n个。当需要传输逻辑0时，高电平所占的载波个数为n个，低电平为2n个。解调时可通过判断高电平所占的时间比重来确定所传输的逻辑值。此时传输数据的比特率为：
由上式可知，传输一个bit所占的载波周期个数越少，数据传输的速率越高。同时，提高系统工作的载波频率也可提高系统的数据传输速率。但是由于各种寄生电容的存在，载波频率的提高势必增加系统的功耗。当用于获得数据传输信号的滤波器输出端检测到信号时，表明通信过程的开始。上位机先传输3n个周期的信号，提示从机接收信号。随后，上位机将总线拉低n个周期作为起始标志，标志结束后再进行第一个bit位的传输。类似于其他通信系统，必须对接收到的信息进行校验，丢弃校验不合格的数据。下位机可将接收到的数据与查找表进行比对，比对成功则执行相应的动作。
Claims (3)
1.一种植入式能量与数据同时无线传输系统的设计方法，其特征在于：
具体包括如下步骤：
步骤一、根据植入式应用场景，确定双侧LCC拓扑中初级主线圈L1和副级线圈L2的尺寸、形状、匝数，并测量其电感值；主线圈在植入式场景中负责用来能量与数据的传输；
步骤二、根据植入式系统的数据传输与能量传输要求选择谐振频率：基于双侧LCC拓扑的无线电能传输系统具有两个谐振点，在本系统中高频点用于数据传输，低频点用于能量传输；载波频率取决于双侧LCC拓扑各个元件的值，以及初级、副级主线圈L1和L2的值；
步骤三、确定双侧LCC拓扑电路各个元件的值：在步骤二确定的能量传输频率与数据传输频率的基础上，选取LCC拓扑L1p,L1s,C1p,C1s,C2p,C2s的值，其中L1p、L1s分别为原副边LCC拓扑的串联电感，C1p、C1s分别为原副边LCC拓扑的串联电容，C2p、C2s分别为原副边LCC拓扑的并联电容；两个谐振频率点的表达式为：
式中L1为主线圈电感值；在确定LCC拓扑各个元器件参数值时，由参数所确定的频率值由上式计算得来；
步骤四、确定电路的谐振频率：使用标准正弦波信号源激励搭建的系统，在输出端观察输出波形；记录输出电压极大值点，此时的频率点为谐振频率点；其中频率值较大的点为数据传输载波对应的频率点、频率值较小的频率点为能量传输频率点；
步骤五、根据双侧LCC拓扑谐振频率点分布生成高低频叠加后的信号；将传输信息用的高频载波装载到传输能量用的载波上去；双侧LCC拓扑的频率响应，存在两个谐振频率点，允许两个频率通过，系统对这两个频率点的增益一样；从系统的层面来看，双侧LCC拓扑可等效为通过频率为ω1和ω2的两个带通滤波器并联；同时的无线能量与数据传输，必须将数据与能量传输载体设置在不同的频率点处；在保证信号的频谱与系统的频率响应相吻合的情况下，实现数据与能量的载体同时传输；
设需要传输的信号
的表达式为：
A1为能量传输信号的幅度，A2为数据传输信号的幅度；g(t)为需要传输的数字信号，根据调制方式的不同，g(t)能取不同的表达式；在OOK调制方式下，g(t)表达式如下：
A1与A2的比值为调制深度，在8位正弦波数据宽度的情况下，A1与A2的关系表达式如下：
为了将
的信号转换为电压信号，采用DDS(Direct Digital Synthesis)的方式合成信号，将频率归一的正弦信号Y[i]按照下式进行N1、N2点采样：
将采样得到的信号存储到上位机的ROM1与ROM2里面，通过改变N1、N2以及读取ROM的时钟频率C，改变输出正弦信号的频率；读取ROM的时钟与采样点数N共同决定着OOK的载波频率，载波频率
其中i＝1或者2；在进行信息的调制时，将从ROM1里读取到的数据与从ROM2里读取到的数据相加，进行信息的转载；将从ROM里面读出的数据输入到DAC模块中，转换为电压信号；
步骤六、设计下位机滤波电路用来分离能量与数据载波：在接收端接收到所需的波形以后需要对波形进行两次滤波，分别用于提取用于能量传输与数据传输的信号载体；选用LC串联谐振电路构成的带通滤波器，带通滤波器通带频率中心点为：
在谐振点附近，LC电路阻抗接近于0，此时所有电压都将降在负载两端；当远离谐振点时，LC回路吸收大部分电压；
滤波器中心通带频率分别为数据传输载波频率与能量传输载波频率；将滤出来的数据传输信号进行半桥整流、滤波后就可得到解调后的数据；将滤出来的能量传输信号进行整流、滤波、稳压后给整个系统供电；
步骤七、设计通信协议：传输一个bit的数据所占的载波周期个数为3*n，其中n取决于调制方式与通信系统；当需要传输逻辑1时，高电平所占的载波个数为2n个，低电平所占的载波个数为n个；当需要传输逻辑0时，高电平所占的载波个数为n个，低电平为2n个；解调时可通过判断高电平所占的时间比重来确定所传输的逻辑值；此时传输数据的比特率为：
fcarrier为前文得到的载波频率；由上式可知，传输一个bit所占的载波周期个数越少，数据传输的速率越高；同时，提高系统工作的载波频率也能提高系统的数据传输速率。
2.如权利要求1所述的一种植入式能量与数据同时无线传输系统的设计方法，其特征在于：步骤五所述的DAC模块使用R-2R梯形电阻网络搭建。
3.用权利要求1所述设计方法设计的植入式能量与数据同时无线传输系统，其特征在于：包括上位机、双侧LCC拓扑电路和下位机，下位机包括滤波电路、整流电路与OOK解调电路；上位机将下位机需要执行的指令以及下位机需要的能量通过LCC拓扑电路以正弦电压的形式传输给下位机；低频正弦信号用于传输能量，高频正弦信号用于传输信息，能量与数据同时传输给下位机；上位机使用FPGA进行信息的运算，并通过DAC恢复出运算得到的波形；下位机的滤波电路用于分离高低频信号，将其中分离出来的低频信号输入到整流滤波电路中，将分离出来的高频信号输入到OOK解调电路中。
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