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点对多式无线医疗刺激器系统的研制 摘要 电刺激是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织后，使其 产生各种生理性反应，从而达到人体功能恢复与重建的目的。由于适度控制电刺 激的强度，即使重复多次也不会造成组织损坏。因此，电刺激已广泛地应用于医 疗和生理学的研究中。 针对传统电刺激医疗器可移动性差、只能对病人点对点治疗、不利于医护人 员监控管理的缺陷，本文在对比研究了各种短距离无线通信技术后，提出了采用 低功率短距离无线通信技术，使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和 少量外围器件构成专用无线通信模块的技术方案，同时利用射频收发芯片具有多 个不同频率收发信道的特点，搭建了一个上位机集中监控管理多个节点的点对多 点式无线刺激器系统。 本文选用低功耗射频收发一体芯片n r f 2 4 0 1 、主控制器硬件芯片 s s t 8 9 v 5 5 4 r c 和刺激器硬件芯片c 8 0 5 1 f 3 3 0 ，完成了无线通信及主控端和刺激端 的硬件设计。系统主要由数据无线传输、主控模块、刺激模块和计算机监控几部 分组成本文分别论述了系统射频电路、主控模块控制电路、刺激模块电路，电 脉冲产生电路的具体设计，并对系统的抗干扰性进行了研究设计。在软件开发中， 设计了上位机监控程序，对多个治疗对象进行不同方案的治疗、监控和管理，并 纪录其治疗历史。最后对系统进行了初步调试。实践表明，系统具有成本低、体 积小、移动方便、可以同时进行多点治疗、监控方便等优点。 关键词：n r f 2 4 0 1 ，医疗刺激器，点对多，无线通信 d e s i g no fp o i n tt om u l t i p o i n tw i r e l e s s m e d i c a ls t i m u l a t o rs y s t e m a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nr e f e r st ov a r i o u sp h y s i o l o g i c a lr e a c t i o n sp r o d u c e db y e l e c t r i cc u r r e n to rv o l t a g eo f a g i v e nf r e q u e n c yw h e np u to nt h ee x c i t i n gt i s s u e so f t h e o r g a n i s m b e c a u s eo ft h em o d e r a t ec o n t r o lo v e rt h ei n t e n s i t yo ft h ee l e c t r i c s t i m u l a t i o n ，t h et i s s u e w o n tb e d a m a g e de v e ni fb e i n gr e p e a t e d l ys t i m u l a t e d t h e r e f o r e ，t h e e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nh a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt o m e d i c a la n d p b y s i o l o g i c a lr e s e a r c h i nv i e wo f t h ed i s a d v a n t a g e so f p o o rm o v a b i l i t ya n d p o i n t t o p o i n tt r e a t m e n to f t r a d i t i o n a lm e d i c a li n s t r u m e n to f e l e c t r i c i t ys t i m u l a t i o n ，t h ea u t h o rb r o u g h tf o r w a r da s c h e m eo f e m p l o y i n gl o wp o w e ra n ds h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt od e s i g nas y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fr ft r a n s c e i v e r ，m i c r o c o n t r o l l e ra n da f e wr e l a t e dc h i p s m e a n w h i l e ，m a k i n gu s eo f t h et r a i to f r ft r a n s c e i v e r h a v i n g1 2 5 r fc h a n n e l s ，t h ea u t h o rd e s i g n e dm a n ys t i m u l a t i n gm o d u l e sw h i c hc a nw o r ks i m u l - t a n e o u s l y t h eh a r d w a r eo f t h i ss y s t e mi sc o m p l e t e dw i t ht h er ft r a n s c e i v e rc h i pn r f 2 4 0 1 ， m i c r o - c o n t r o l l e rs s t 8 9 v 5 5 4 r ca n dc 8 0 5 1 f 3 3 0 t h es y s t e mi sc o m p o s e do fd a t a w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，h o s tm o d u l e ，s t i m u l a t em o d u l ea n dp cc o n t r o l l i n gm o d u l e t h e t h e s i se x p o u n d e di nd e t a i lt h ec i r c u i td e s i g no fr fm o d e l ，h o s tm o n i t o rm o d e l ， s t i m u l a t em o d e l ，e t c i nt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，t h et h e s i sd e s i g n e dap c m o n i t o r i n gp r o g r a mw h i c hc o u l dt r e a tm a n yp a t i e n t s w i t hd i f f e r e n te l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n ，m o n i t o rt h ep r o c e s sa n dr e c o r dt h et r e a t m e n th i s t o r y f i n a l l y ，t h ea u t h o r c a r r i e so nt h ep r e l i m i n a r yd e b u g g i n gt ot h es y s t e m i ti si n d i c a t e db yp r a c t i c et h a tt h e s y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yl o wc o s t ，s m a l ls h a p e ，e a s yt om o v e ，m u l t i p o i n tt r e a t m e n t a n dc o n v e n i e n tm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：n r f 2 4 0 1 ，m e d i c a ls t i m u l a t o rs y s t e m ，m u l t i p o i u t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 洼! 翅没直基地霞蔓挂型直盟鲍：查拦丑窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：同戋罕签字日期：伽叼年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：问击军 导师签字： 为咳恼弋 签字日期：瑚7 年i 月z 日 签字日期：口7 年厂月乞日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 1绪论 1 1前言 随着社会的进步，人类生活节奏的加快，致病的因素与日俱增，加上药物 的毒副作用难以避免，因而进入2 0 世纪末期，世界各国医疗专家主张药物治疗 与非药物治疗这两种方式必须受到同等的重视，非药物治疗在最大限度解除病人 痛苦的同时，能减少药物剂量和治疗的负作用，安全性高，因此非药物治疗越来 越受到医院和病人的青睐。而非药物治疗主要是靠医疗器械来完成。 巨大的市场需求使得医疗器械继续以比较快的速度增长，其中的神经刺激 器械市场近几年的增长速度超过了2 0 。神经刺激器械运用中医的针灸学和经 络学理论，人工产生电脉冲作用于肌体或穴位，使其产生生理性反应，从而达到 功能恢复与重建的目的。电刺激技术对于恢复和重建由于神经或肌肉疾病造成的 相关功能衰退或丧失、分析肢体运动的机理等有重要作用。 1 2电刺激技术的发展及应用 电刺激1 1 2 1 3 3 是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织， 使其产生各种生理反应。由于适度控制电刺激的强度，即使重复多次也不会造成 组织损坏。因此，已广泛地应用于医疗和生理学的研究中。 电刺激在医疗中最早、最成功、对人类贡献最大的应用，是心脏起搏和除颤。 用脉冲电流刺激心脏，使它按一定频率收缩，这种方法称为心脏电起搏。面对心 脏进行瞬时强电刺激，使处于杂乱相位兴奋的细胞相位一致，恢复心脏正常兴奋 节律，则称为对心脏的电除颤。由于心脏起搏和除颤的广泛使用，使得心律失常 的治疗有了很大的进展，显著地降低了心律失常病人的死亡率：同时，促进了电 刺激的电生理学研究和临床应用的开展。 我国是从上个世纪6 0 年代开始应用电刺激来进行防病治病，经过3 0 多年 的实践，已经取得了丰富的临床经验。例如，用电脉冲对周围神经进行刺激，可 以调节神经系统的兴奋度，消除病人头痛、乏力、精神不振等症状，使神经衰弱 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 得以纠正。对肌肉组织施行电刺激，因频率、强度及持续时间的不同，可出现不 同的i 临床效果。如刺激频率加快，可造成肌肉强直性收缩，对急性腰扭伤所致的 肌肉痉挛，有明显的解挛作用。若给予短时间的高强度电刺激，肌肉则出现强收 缩后的舒张反应，对改善慢性张力性腰肌劳损有一定的治疗作用。用强电流刺激 平滑肌，可以调节消化道和全身的功能，对溃疡病和慢性结肠炎有一定的治疗意 义。如果平滑肌处在痉挛状态，电刺激可对之有解除痉挛作用，临床上根据这一 现象治疗胃痉挛和幽门痉挛，已取得满意的疗效。尤其是在中医针灸和针刺麻醉 的基础上，将电脉冲通过针灸针透过体表直接刺激人体有关穴位或经络。开创了 具有中国特色的电针疗法，可对多种疾病进行治疗。例如，用密波进行止痛，用 疏波来改善运动神经功能。而疏密波可以避免固定频率的刺激对组织产生的适应 性，增强人体的代谢功能，防止肌肉萎缩，对某些神经性麻痹、软组织损伤等有 一定的疗效。断续波则具有较强的兴奋作用，对d , j l 麻痹后遗症、周围神经病变 等所引起的肌肉萎缩有较好的治疗效果。因脑血栓而麻痹的肢体，在骨嚣胍尚未 失去收缩功能时，通过对肌肉或支配肌肉的运动神经及其相关穴位进行电针刺 激，可以加快实现运动功能的恢复。用电针刺激迷走神经时，可引起胆囊收缩， 增加胆汁排泄功能，治疗胆结石和急性尿潞留等。 总之，电刺激在医疗中具有广泛的应用前景，随着现代科学的发展和对电刺 激临床机理的深入研究，电刺激治疗必将越来越受到重视。除上述所列举的各种 应用外，目前在治疗高血压、冠心病、神经性皮炎和肠梗阻上已取得可喜的进展。 通过刺激大脑皮层补偿视觉，刺激耳蜗补偿听觉的研究，即将进入实用化阶段。 更寄希望于运用中医的针灸学和经络学理论，刺激相关穴位来疏通相应的经络， 得到增加肾血流量和肝血流量的设想。为此，需要工程技术人员和临床医生相结 合，不断地研制和生产具有科学性、安全性、适应性和可靠性的各种新型电刺激 装置，来推动电刺激的l 临床应用的发展。 1 3课题的来源及研究意义 随着电刺激技术的发展，医生迫切的需要一种这样的刺激器：能同时刺激 多个对象，刺激对象能够在一定的范围内自由活动，同时医护人员能够对多个刺 激对象进行集中监控和管理。 点对多点无线医疗刺澈嚣系统的研制 然而传统的电刺激医疗器是以有线的方式进行连接，采用有线的方式传输 速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的点对点的治疗是比较理想的选 择，但是由于其体积较大和有线连接使其不能够被刺激对象携带移动，极大的限 制了刺激对象的活动范围。另外，传统电刺激器是点对点的固定治疗，一台刺激 器只能刺激一个刺激对象，治疗效率低，增加了医护人员的工作强度。 因此需要建立一个点对多点式的可以进行网络化集中管理的刺激器。有线 网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移 动，但随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能”的实现越来越容易， 数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。因此完 全可以采用无线通信方式建立一个点对多式的无线医疗刺激器。 本课题正是基于上述要求，与某医疗集团合作，设计实现了一种点对多点 的无线医疗刺激器，此刺激器由主控模块和多个剌激模块组成网络，由主控模块 进行集中式网络化管理，可以对多个刺激对象进行不同方案的电刺激治疗，并对 所有刺激对象的治疗过程进行跟踪管理和分析。 1 4本文的主要工作和论文的安排 本文首先根据课题研究的背景、目的和意义。比较分析了国内外近距离无线 通信技术现状，最后确定选用低功率短距离无线通信技术来实现医疗刺激器的无 线通信。以n r f 2 4 0 1 为核心设计完成了无线收发模块，设计开发了主控模块和刺 激模块。并用计算机为每个实验对象建立了数据库，对刺激疗程做记录分析。通 过调试，电路性能达到了设计要求。 所做工作如下： 1 在比较分析现有的一些短距离无线数据通信技术的特点和应用的基础上。 结合所要设计实现的无线刺激器的特点，确定了选用低功率短距离无线通信技术 作为本刺激器的无线通信方式。 2 为增强系统酶抗干扰性能，采用了跳频扩频技术，分析了其基本原理、特 点及抗干扰性能，并给出了跳频扩频技术在i s m 2 4 g h z 频段的应用。 3 完成了无线刺激器的硬件设计。无线刺激器的硬件设计主要包括刺激模块 设计、主控模块设计。刺激模块根据接收到的主控模块的命令，产生可以调制的 3 点对多点无线医疗刺澈器系统的研制 电脉冲信号，刺激生物体。主控模块接收来自计算机的命令，对各个刺激模块进 行控制管理，并将刺激模块的反馈信号传输给计算机。 4 对无线通信模块之间的通信进行设计、研究和测试。对基于n r f 2 4 0 1 的无 线通信模块编程进行研究、测试。 5 完成了无线刺激器的软件设计与实现。编写了刺激模块和主控模块的软 件；编写了监控计算机的监控程序，为每一个实验对象的治疗过程建立数据库并 进行跟踪分析。 6 结合调试时可能出现的问题进行了深入的分析。提出了合理的解决方案和 措施。 本论文的安排： 第1 章介绍了无线医疗刺激器的特点和应用，介绍了课题的主要内容和意 义。 第2 章分析介绍了近距离无线通信技术、跳频技术和s o c 技术等关键技术， 为以后进一步的研究工作提供了良好的知识储备。 第3 章给出了无线医疗刺激器系统的总体方案设计和关键器件的选择。根据 系统需求，经过详细分析，选择了无线收发一体芯片n r f 2 4 0 1 和s o c 单片机 c 8 0 5 l f 3 3 0 、s s t 8 9 c 5 5 4 r c 。 第4 章完成了刺激器系统的硬件电路设计。分析了在制板时容易碰到的问 题，讨论了解决方案。 第5 章首先给出了基于n r f 2 4 0 1 的无线收发模块的详细的软件设计，然后 分别设计了刺激模块和控制模块的软件，最后设计了计算机监控的主界面，实现 了系统要求的功能。 第6 章对全文进行总结，并提出了进一步的研究方向。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的研究背景，阐述了电刺激的原理和应用，分析了研制点对 多点无线医疗刺激器的必要性，最后根据系统要实现的目标提出了本文的主要研 究工作和论文的安排。 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 2 论文所用关键技术简介 本论文使用了一些关键技术，首先把这些技术及其相关背景做一个必要的介 绍。 2 1 各种短距离无线通信技术的应用分析与比较 由于生产和生活中的控制应用往往是限定到一定地域范围内，比如：家庭安 全系统、智能家居内的电器控制、轮胎压力监视系统、餐厅或饭店内的无线点菜 系统。等，其应用的空间距离一般在2 0 0 米以内的范围，因此随着无线通信设备 的迅速增长，各种近距离无线通信技术也得到了广泛的发展。目前，近距离无线 通信技术的实现技术主要有i r d a 、蓝牙技术、w i f i 技术、u w b 技术和低功率短距 离无线通信技术”。等。 2 1 1i r d a 技术 i r d a 技术是一种比较成熟的短距离无线传输技术例，是由红外数据协会 ( i r d a - - i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 提出并推行的一种无线协议，它利用红外 光的通断表示计算机中的0 - 1 逻辑，简单的讲，i r d a 技术就是一种利用红外线进 行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟，它在技术上的主 要优点有： 不需要专门申请特定频率的使用权，因此在当前频率使用资源匮乏，频 道使用费用增加的背景下i r d a 具有价格优势。 具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网中是最高的，由于采用点 对点的传输方式，数据传输所受到的干扰小，新制定的超高红外( v f i r ) 标准传输速率为的1 6 m p b s ，相比原有的f i r 的4 m b p s 快了4 倍。 红外线发射角度较小，传输上安全性高，保密性强。 i r d a 在技术已经相当成熟，应用也已相当普遍，但i r d a 也有其明显的 缺点： s 点对多点无线医疗刺散器系统的研制 i r d a 是一种视距传输技术，相互通信的设备之间必须对准，中间不能被 其他物体阻隔。 它只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，也即它只限于在 2 台设备之间进行链接。 通信设备的位置相对固定，无法用于移动设备。 i r d a 设备的核心部1 卜红外线l e d 是一种不耐用的器件，频繁使用会令 其使用寿命大大缩短。 2 1 2 蓝牙 ”蓝牙”是一种开放的技术规范”，它可在世界上的任何地方实现短距离的无 线语音和数据通信。1 9 9 4 年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附 件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。1 9 9 8 年5 月，爱立信联合诺基 亚( n o k i a ) 、英特尔( i n t e l ) 、i b w 、东芝( t o s h i b a ) 这4 家公司一起成立了 蓝牙特殊利益集团( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) ，于1 9 9 9 年7 月s i g 公布了 蓝牙规范1 0 版：1 9 9 9 年1 2 月公布了蓝牙规范1 o b 版：2 0 0 1 年4 月公布了目前 最新的1 1 版本蓝牙规范。自蓝牙规范1 0 版推出后，蓝牙技术的推广与应用得 到了迅猛发展。截至目前，s i g 的成员已经超过了2 5 0 0 家，几乎覆盖了全球各行 各业，包括通信厂商、网络厂商，外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至消费 类电器厂商和汽车制造商加入了s i g 。 蓝牙最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线 电缆连接“1 。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布， 工作频段为全球统一开放的2 4 g h z i 业、科学和医学( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c a n dw e d i c a l ，i s m ) 频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应 用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对 数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几 点： ( 1 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门 点对多点无线医疗刺激嚣系统的研制 申请许可证 ( 2 ) 同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异 步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音 信道数据速率为6 4 k b i t s ，语音信号编码采用脉冲编码调制( p c m ) 或连续可变 斜率增量调制( c v s d ) 方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为 7 2 1 k b i t s ，反向为5 7 6 k b i t s ；当采用对称信道传输数据时，速率最高为 3 4 2 6 k b i t s 。蓝牙有两种链路类型：异步无连接( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n - l e s s ，a c l ) 链路和同步面向连接( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n - o r i e n t e d ，s c o ) 链路。 ( 3 ) 可以建立临时性的对等连接( a d - h o cc o n n e c t i o n ) ：根据蓝牙设备在网 络中的角色，可分为主设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。主设备是组网连接主 动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网( p i c o n e t ) 时，其 中只有一个主设备，其余的均为从设备。皮网是蓝牙最基本的一种网络形式，最 简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。通过时分复用 技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的皮网保持同步，具体来说，就是该 设备按照一定的时间顺序参与不同的皮网，即某一时刻参与某一皮网，而下一时 刻参与另一个皮网。 ( 4 ) 具有很好的抗干扰能力：工作在i s m 频段的无线电设备有很多种，如家 用微波炉、无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 和h o m e r f 等产 品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点， 相邻频点间隔1 m h z 蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发 送，而频点的排列顺序则是伪随机的。每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续 6 2 5 “s 。 ( 5 ) 蓝牙模块体积很小、便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌入其 内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块r o k i o l 0 0 8 的外形尺 寸仅为3 2 8 m m 1 6 8 彻2 9 5 m m 。 ( 6 ) 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式 激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和体眠( p a r k ) 点对多点无线医疗刺激嚣系统的研制 模式。a c t i v e 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功 耗模式。 ( 7 ) 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全 部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终 通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 ( 8 ) 成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和 模块，蓝牙产品价格飞速下降。 蓝牙产品涉及p c ，笔记本电脑、移动电话等信息设备和a v 设备、汽车电 子、家用电器和工业设备领域。蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片交 得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一寅到衣服上的纽扣。 蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包括无绳电话，p d a 与计算机 的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 接口等。 采用蓝牙技术的没各使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线 系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。 i b m 、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙和8 0 2 1lb 的笔记本电脑。 微软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序， 它将在w i n d o w sx p 中增加对蓝牙的支持。韩国和台湾的许多公司也利用其在手 机，电脑开发制造上的优势，积极介入篮牙技术的研发，并不断有产品推出。可 以预料，蓝牙技术将和p c 、移动电话、数码相机一样迅速流行。 2 1 3 8 0 2 1 l ( w i v i ) 霄i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议”，正式 名称是i e e e s 0 2 1 l b ，与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线 技术。该技术使用的使2 4 g h z 附近的频段，该频段目前尚属不用许可的无线频 段。其目前可使用的标准有两个，分别是i e e e s 0 2 1 1 8 和i e e e 8 0 2 1 l b 。该技术由 于有着自身的优点，因此受到厂商的青睐。 w i f i 技术突出的优势在于： 其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径 大约只有5 0 英尺左右( 约合1 5 米) ，而w i - f i 的半径则可达3 0 0 英尺左右( 约 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 合1 0 0 米) 。办公室自不用说。就是在整栋大楼中也可使用。最近，v i v a t o 公司 推出一款新型交换机据悉，该款产品能够把目前毗_ f i 无线网络3 0 0 英尺( 接近1 0 0 米) 的通信距离扩大到4 英里( 约6 5 公里) 。 其二，虽然由w i f i 技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝 牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到l l m b p s ，符合 个人和社会信息化的需求。 其三，厂商进入该领域的门槛比较低，厂商只要在机场、车站、咖啡店、图 书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场 所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至1 0 0 米的地方，用户只要将支持无线l a n 的笔记本电脑或p d a 拿到该区域内，即可高 速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了 大量的成本。 最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 儿b ，主要目的是提 供w l a n 接入，也是目前阢a n 的主要技术标准，它的工作频率也是2 4 g h z ，但 是w i - f i 元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间推移，这些 问题逐步得到解决。且随着w i - f i 协议新版本，如8 0 2 1 l a 和8 0 2 ，l l g 的先后推 出，w i - f i 的应用将越来越广泛。摩托罗拉、诺基亚和韩国三星公司等厂商，计 划在他们的手机产品中加入w i f i 功能。 i e e e 8 0 2 1 l a 在使用频率的选择和数据传输速率上都优于i e e e 8 0 2 1 1b ， 不过目前还远没有成熟，存在着不少问题，如芯片与设备昂贵，空中接力特性不 好，点对点连接不经济，也不适合小型设备等。 2 1 4u w b 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 是一种高速、低成本和低功耗新兴无线 通信技术“。它主要应用在小范围、高分辨率，能够穿透墙壁、地面和身体的 雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高( 大子1 0 0 u b s ) 的l a n s 或p a n s 。 u w b 是指信号带宽大于5 0 0 m h z 或者是信号带宽与中心频率之比大于2 5 。 与常见的通信方式使用连续的载波不同，u w b 采用极短的脉冲信号来传送信息， 9 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。这些脉冲所占用的带宽 甚至高达几g h z ，因此最大数据传输速率可以达到几百m b p s 。在高速通信的同时， u w b 设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非u w b 接收机来说近似于嗓声，因此从理论上讲，u w b 可以与现有无线电设备共享带宽。 所以，u w b 是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到 广泛的应用。 由于u w b 不调制和解调复杂的载波信号，所以不需要混频器、过滤器、r f i f 转换器、本地振荡器等复杂的元件，因而能量消耗很小，一个相同作用范围l o 米的超宽带无线通信系统，其速率可达到无线局域网8 0 2 1l b 的1 0 倍，蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 的1 0 0 倍，而其平均功率仅为上述系统的l l o 1 1 0 0 ，而且还具 有更低的成本。另外，u w b 也更容易集成进c m o s 里。i n t e r 的技术官员就曾经公 开表示，即使足使用i o g h z 附近的高频带区域，u w b 也可以全部通过c m o s 技术 来实现。u w b 的第一个原型标准的速度将肯定超过下一代8 0 2 ，1 1 标准的速度， 预计未来3 - 5 年内，其传输速率将突破i g b p s ，连接距离也会更长。更重要的是， u w b 是基于物理层的技术，如果有必要，8 0 2 1 1 和蓝牙的m a c 层完全可以建立在 u w b 的物理层基础上，通过u w b 技术传输。 当然，u w b 通信也存在不足。主要问题是u w b 系统占用的带宽很大，u w b 系 统可能会干扰现其他无线通信系统，因此u w b 系统的频率许可问题一直在争论之 中；另外，还有学者认为，尽管u w b 系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉 冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系 统的正常工作。 2 1 5 低功率短距离无线通信技术 低功率短距离无线通信技术“一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上 微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用f s k 调翩方式，工作于i s m 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输挽议或使用 简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据 命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速 而应用广泛，但数据传输速度、流最都较小较适合搭建小犁网络。 0 点对多点无线医疗刺徽器系统的研制 在工业、民用领域使用较广较典型的就是n o r d i c 公司生产的n r f 2 4 0 1 芯片。 n r f 2 4 0 1 是n o r d i c 与其亚太地区最佳代理迅通科技在中国首次发布2 4 6 h z 单片 s o c 无线产品，n r f 2 4 0 1 为2 4 6 h z 全球开放频段产品，采用0 1 8 u m 工艺设计， 具有高集成度和极具竞争力的成本优势：真正的s o c 单片系统，只有两个外围元 件( 一个晶体和一个电阻) ，是业界外围元件最少的单片无线收发芯片：内置硬件 c r c 检错电路和多址通信控制，减少软件开销：n r f 2 4 0 1 的优异性能可应用在无线 标签、无线终端，无线耳机、无线鼠标、无线键盘、j o y s t i c k 等产品设计，在 大多数场合可以替代蓝牙的设计。 各种无线通信技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同的应用 背景，其技术数据比较如表2 1 所示。 表2 1 近距离无线通信技术数据比较 对比规格 红外8 0 2 1 l b u w b 蓝牙射频收发 ( i r d a ) ( b l u t h t o o芯片( 如 t h ) n r f 2 4 0 1 等) 无线传输红外光 2 4 g h z 无3 i - 1 0 6 g2 4 g h z 无2 4 g h z 无 媒介线电波h z 无线电线电波线电波 波 传输速率 2m b i t s 5 0 0 9 b i t i m b i t si m b i t s ( m b i t s ) s 传输距离2 0 c m - i 2 m 3 0 0 m l o mi 0 一l o o ml o - l o o m 移动能力 差好好极佳极佳 方向性窄角( ( 3 0全向全向全向全向 度角，中间( 3 6 0 0 ，中( 3 6 0 0 ，中( 3 6 0 0 ，中( 3 6 0 0 ，中 不能有障间可有障间可有障间可有障问可有障 碍)碍)碍)碍)碍) 成本很低很高很高高很低 ， 功率 t l o o m w 非常低 l o o m w i m w 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 传输方式点到点点到点，点点到点，点点到点，点 点到点，点 到多 到多到多 到多 透明可见企业无线家庭中的适用于任适用于任 范围内的局域网各种家电何以无线何以无线 主要用途数据传输，设备之间传输方式传输方式 近距离遥的连接替代有线替代有线 控连接的场连接的场 a 从以上的介绍中可以看出。i e e e 8 0 2 1 l b a 定位于企业无线网络，主要适 用于大型办公室或企业集团，是一种用来对大文件进行带宽占用以及突发性的信 息传输要求，或者用来保持因特网和专用网不间断连接的无线局域网技术，其实 现成本较高。而u w b 系统可能会干扰现其他无线通信系统，在近距离1 0 米内， 以无线方式替代线缆的应用场合，蓝牙与i r d a 有很大的优势，i r d a 技术成熟， 数据传输速率比蓝牙高，但i r d a 属视距技术，并且无法满足设备之间相互移动 的要求。蓝牙的通信协议和堆栈复杂，开发成本高，不适合应用于低成本近距离 无线传输场合。 2 2 跳频技术 2 2 1 跳频技术简介 跳频f h s s 是最常用的扩频方式之一“l 1 4 ，其工作原理是指收发双方传输信 号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说。通信中使用的 载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。也可以说，跳频是指载波频率在很 宽的频带范围内按某种图案( 序列) 进行跳变。 从通信技术的实现方式来说，“跳频”是种崩码序列进行多频频移键控的 通信方式，也是一种码摔载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个 多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以 不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、 自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含 点对多点无线医疗刺擞器系统的研制 对数据进行差错控制 与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳 交的规律，就很难截获我方的通信内容。同时。跳频通信也具有良好的抗干扰能 力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由 于夥频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说， 跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。 跳频技术在g s m 、无线局域网、室内无线通信、卫星通信、水下通信、雷达、 微波等领域得到了广泛的应用。 简单地说，跳频通信是抗干扰能力最强的一种通信方式。跳频通信的灵活性 大。能够更加合理地利用空间资源。在跳频通信过程中，如果发送端在发送了数 据包后在一定的时间内没有回复，那就说明空气中有相同频率的载波存在，这时 就更换频道，继续尝试有没有回复，如果有回复就说明通信成功。这样就可以容 易地实现接收和发送端的跳频节奏一致，从而把通信范围从一个频道扩展到一个 频谱上。 在安全方面，这种技术的抗干扰性也非常好。f h s s 系统通过不断改变传输 速率来避开干扰源。如果有用信号和干扰信号在当前使用的传输频率下发生冲 突，数据包会被破坏而不能再用。但是，由于数据包很小，并且能迅速被重复传 输，所以一次信号丢失不会引起太大的问题。 f h s s 不是抑制干扰，而是容忍干扰。每个传输数据包都会被校对，如果它 被破坏了，这个数据包将不能再用，随后使用下一个传输频率的通信会提供正确 的数据包。这就是为什么f h s s 传输速度较慢却更力求稳定可靠的原因。 跳频的高低直接反应跳频系统的性能，跳频越高抗干扰的性能越好一军用的 跳频系统可以达到上万跳s 。出于成本的考虑，商用跳频系统的跳速都比较馒， 一般在5 0 跳s 以下。 2 2 2 跳频技术的应用 基于2 4 g h z 频段的通信设备越来越多，该系统与同频且大功率的通信系统 处于同一环境时必受干扰，影响通信效果甚至不能正常通信1 刖。为解决此问题， 我们引入跳频机制，采用频点躲避方式降低同频干扰的影响，不同于普通跳频方 点对多点无线医疗刺激器系统的研制 式的是该系统频率跳变小，不是由伪随机码控制的，而是采用固定跳变规律方式。 通过芯片内频率合成器可产生1 2 8 个频率间隔为i m h z 的收发频道，频率范围为 2 4 0 0 - 2 5 2 7 m h z ，其可发射的频率点为：c h a n n e lr f = 2 4 0 0 b b z + r f _ c h * 1 o m h z 。在 此基础上设计的简单跳频模式，当发送机发射信号却收不到接收机返回的应答信 号时，发射机可断定某信道被占用或被其他设备干扰，此时发射机将改变其发射 频率，跳变至另一个频点。这些频点预先写入e e p r o m 中，排列顺序随机抽取，各 相邻频点的间隔不宜太小以防止其旁瓣谱的十扰。系统通信频率的改变必须是双 方同步进行的，接收机在某段时间内收不到发射机的信号而超时操作时，将采取 频率扫描的方式以确定系统的工作频率，直到双方建立了良好的同步并可以进行 双工通信为止。 2 3s o c 技术 as y s t e m - o n a c h i p ( s o c ) 。片上系统( s o c ) 技术指将所有必须的电子电 路以及“系统”( 如手机或数码相机) 部件封装到单个集成电路( i o ，即微芯 片中1 町“”。例如，用作声音探测设备的片上系统可能在单个微芯片上包括音频 接收器、模数转换器( a d o 、微处理器、必要的存储器以及用户的输入输入逻辑 控制。片上系统技术用于日益复杂的小型消费电子设备，这种设备中，有些具有 比使用了1 0 年的普通台式计算机还要多的处理功耗和存储空间。将来，s o c 装备 的纳米机器人可能用作可编程抗体来防治原来不可治愈的疾病。s o c 视频设备装 入盲人的大脑，让他们能看得见；s o c 音频设备能让聋人听得见。具有小天线的 掌上电脑某天可能能够从地球任意地方以每秒几兆字节的速度浏览互联网。s o c 正在随着绝缘体硅( s 0 1 ) 等其它技术而发展，s o i 能提供更快的时钟速度而降低 微芯片的功耗。 s o c ( s i g n a lo p e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 中文名为信号操作控制器，它不是创造概 念的发明，而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。它采用的技术是正 在工业现场大量使用的成熟技术，但又不是对现有技术的简单堆砌，是对众多实 用技术进行封装、接口、集成，形成全新的一体化的控制器。以前需要一个集成 商来做的工作，现在由一个控制器就可以完成，这就是s o c 。 由于大规模集成电路技术的发展，在单个芯片集成c p u 以及组成一个单独工 点对多点无线医疗刺激嚣系统的研制 作系统所必须的r o m 、r a m 、i o 端口、a o 、o a 等外围电路和已经实现，这就 是常说的单片机或微控制器。目前，世界上许多公司生产单片机，品种很多：包 括各种字长的c p u ，各种容量和品种的r o l l 、r a m ，以及功能各