（生物医学工程专业论文）射频供能植入式神经电刺激器关键技术的研究.pdf

第三军医大学硕士学位论文 s t u d y o f k e y t e c h n o i oe so fi m p i a n t a b l ee l e c t r i c a le s0 tl m p i a n t a b i ee i e c t r l c a i n e r v es t i m u l a t o rp o w e r e db yr f a b s t r a c t e l e c t r i c a in e r v es t i m u i a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 ei nt h et r e a t m e n to fn e u r 0 1 0 9 i c a l d i s o r d e r sa n dn e r v e i n j u 巧r e h a b i l i t a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c t e c l u l 0 1 0 9 y c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n db i o m a t e r i a l st e c l l i l 0 1 0 9 y e l e c t r i c a ln e r v e s t i m u l a t i o nh a sc h a i l g e df r o mt h et r a d i t i o n a lp e r c u t a n e o u ss t i m u l a t i o nt om em o d e m i m p l a n t a b l e s t i m u l a t i o n t h el a t t e rh a so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s f o rt h es t i m u l a t i o n p o s i t i o n i n ga c c u r a c y t h e r a p e u t i ce f f e c t a n ds m a l ls t i m u l a t i o nc u r r e n t l i g h td i s c o m f o r tp a i n o nt a r g e t sd i s t i n c t i o n i m p l a n t a b l ee l e c t r i c a ln e r v es t i m u l a t i o ni n c l u d e s d e e p b r a i n s t i m u l a t i o n s p i n a lc o r ds t i m u l a t i o n v a g u sn e r v es t i m u l a t i o n s a c r a ln e r v es t i m u l a t i o n p h r e n i cn e r v es t i m u l a t i o n a n do t h e rt r e a t m e n tm o d a l i t i e s d i s t i n c t i o nb yt r e a t m e n to f d i s e a s e i th a se n o m o u sc l i n i c a ls i g n i f i c a n c eo np a f k i n s o n sd i s e a s e c h r o n i cp a i n e p i l e p s y b l a d d e rd y s m n c t i o n r e s p i r a t o r yd y s 如n c t i o n h y p e r t e n s i o n o b e s i t 弘a n do t h e rd i s e a s e s t h eb a s i cs t m c t u r ea n df u n c t i o no fd i f f e r e n t t y p e so fi m p l a n t a b l ee l e c t r i c a ln e r v e s t i m u l a t i o ni ss i m i l a r m a i n l y i ti n c l u d e st h em a i ns t i m u l a t o ri m p l a n t e d a sw e ua st h e e x t e m a lc o n t r o l l e ri nv i t r oa p p l i c a t i o n s a n di ti n v o l v e san u m b e ro f k e yt e c l l i l o l o g i e s s u c h a sl o w p o w e rc o n s u m p t i o n h i g hr e l i a b i l i t y b i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y s e a la n de l e c t r o d e s i n t h i sp a p e r t h es u b j e c ti s 凡n d e db yc h o n g q i n gm u n i c i p a l i t yr e s e a r c hp r o j e c t p r o j e c tn o 7 7 6 8 a n dc a r r i e so u tt w o w a ys h o n r a n g er a d i oc o m m u n i c a t i o nb a s e do nz i 曲e ep r o t o c o l b e t w e e nt h ei m p l a n t e ds t i m u l a t o ra n dt h ee x t e m a lc o n t r o l l e r r ft r a n s c u t a n e o u se n e r g y t r a n s f e r a sw e ua s g e n e r a t i o no fb i p h a s e c o n s t a n t c u r r e n ts t i m u l a t i o np u l s eo ft h e s t i m u l a t o ri m p l a n t e d a n do t h e rk e yt e c l u l o l o g yr e s e a r c h f i r s t l y u s i n gt i m et ow a k eu pa n d s y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e 百e so fz i g b e ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt oa c h i e v ear e g u l a rt w o w a y w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n a 1 1 dh e l p st or e a l i z ec l o s e d l o o pc o n t r o lo fs t a t ei n f o m a t i o n f e e d b a c ka n ds t i m u l a t i o n p a r a m e t e r sr e p r o g r a m m e d s e c o n d l y u s i n g m s p 4 3 0 m i c r o p r o c e s s o rt oc o n t r o lo u t p u to fb i p h a s ec o n s t a n t c u r r e n ts t i m u l a t i o np u l s e a n dh e l p s 2 第三军医大学硕士学位论文 t or e a l i z eh i g hp r e c i s i o n s m a up o w e r a n dt h eo u t p u to fs t i m u l a t i o nw a v e f o mw i l ln o tv a r y w i t ht h en u c t u a t i o no fl o a di m p e d a n c e l a s t l y ja d o p t i n gp c ba n t e n n aa n dp c bm a g n e t i c c o u p l i n gi n d u c t o rc o i ld e s i g nt or e a l i z et h es y s t e m sp c bi n t e g r a t i o n n o w a d a y s t h er e l e v a n tt e c l l l l o l o g ya n dp r o d u c t so fi m p l a n t a b l e e l e c t r i c a ln e r v e s t i m u l a t i o nr e m a i n si nt h eh a n d so faf e wl a 唱ec o i n p a n i e sa b r o a d s u c ha sm e d t r o n i c c y b e r o n i c s s t j u d ea n db o s t o ns c i e n t i f i c a n di ti sv e r ye x p e n s i v e w h i c hi sas e r i o u s i m p e d i m e n to ft h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nm ed e v e l o p i n gc o u m r i e s o nt h eb a s i s o ft h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tt e c h n o l o g ya n dm a r k e td e m a n db o t ha th o m ea n da b r o a d t h i s s t u d yw i l lp r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rt h ed o m e s t i ci n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fi m p l a n t a b l ee l e c t r i c a ln e es t i m u l a t o r k e y w o r d s i m p l a n t a b l ee l e c t r i c a ln e r v es t i m u l a t o r t w o w a ys h o r t r a n g er a d i o c o m m u n i c a t i o n z i 加e e r ft r a n s c u t a n e o u se n e r g yt r a n s f e r b i p h a s ec o n s t a n t c u r r e n ts t i m u l a t i o np u l s e 第三军医大学硕士学位论文 英文缩写 s c s i p g d b s v n s o f s b a n p a n p h y m a c i f a f d a c c a l q i r s s i f t s p f e s v c c s r f t e t 英文缩写 英文全称中文名称 s p i n a lc o r ds t i m u l a t i o n脊髓刺激 i m p l a n t a b l ep u l s eg e n e r a t o r植入式脉冲发生器 d e e pb r a i ns t i m u l a t i o n深部脑刺激 v a g u sn e r v es t i m u l a t i o n迷走神经刺激 o s c i l l a t i n gf i e l ds t i m u l a t o r振荡场刺激器 b o d y a r e an e t w o r k 人体区域网 p e r s o n a la r e an e t w o r k个人区域网 p h y s i c a ll a y e r物理层 m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1媒体访问控制层 i n v e n e df a n t e l l i l a倒f 天线 f 0 1 d e dd i p o l ea n t e i l l l a折叠偶极天线 c l e a rc h a l l i l e la s s e s s m e n t空闲信道评估 l i l l l q u a l i t yi n d i c a t i o n链路质量指示 r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r接收信号强度指示器 f l o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l 泛洪时间同步协议 f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n功能性电束0 激 v 0 1 t a g e c o n t r o l l e dc u r r e n ts o u r c e压控电流源 r f t r a n s c u t a n e o u se n e 略yt r a n s f e r射频经皮能量传输 第三军医大学研究生学位论文独创性声明 秉承学校严谨的校风和科研作风 本人申明所呈交的论文是我本人在 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 也不包含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我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 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 论文作者签名 耋生日期 型昼 竺 堡 第三军医大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解第三军医大学有关保护知识产权的规定 即 研究生在 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属第三军医大学 本人保证毕业离 校后 发表论文或使用论文工作成果时署名单位为第三军医大学 学校有 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 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密内容除外 可 以采用影印 缩印或其他手段保存论文 论文作者签名 耋笙 指导教师签名 益皇盟1 日期 c 2 燮 三 兰 第三军医大学硕士学位论文 射频供能植入式神经电刺激器关键技术的研究 1 绪论 1 1 引 言 目前医学电子系统能较以往更密切地与病人身体接合 有些与人体的接合方式是 侵入性的 如植入式设备 它们的整个运行寿命都将位于病人体内 典型例子是心脏 起搏器 另外如用于消化道疾病诊断的电子内窥镜 可以精确供给胰岛素或药物剂量 的胰岛素泵与给药泵也是植入式电子系统 一类新兴的植入式设备是神经电刺激器 主要用于治疗慢性疼痛 癫痫 帕金森病 脑卒中后遗症 步态不稳 以及尿失禁甚至 耳聋等病症 以美国为例 目前已有1 9 万病人装有脑部或脊髓刺激器 前者用于控制 帕金森氏病引起的震颤 后者用于减轻疼痛或预防尿失禁 大约有3 万病人体内植入 交感神经电刺激器用于治疗癫痫 还有6 万病人装有植入式电子耳用以恢复听力 此 外 植入式神经电刺激在治疗痉挛 痉挛性斜颈 舞蹈病 强迫症 老年痴呆症及戒 毒等方面也有着诱人的前景 1 2 国内外研究现状与趋势 慢性疼痛病是目前神经医疗最大的市场 2 0 0 5 年底被s t j u d e 公司 收购的a n s 公司吐领先研制开发s c s s p i n a lc o r ds t i m u l a t i o n 脊髓刺激 疗法 其植入式脊髓刺 激器 也被称为 疼痛起搏器 通过向脊椎附近的神经纤维发射一定强度的电子脉冲 干扰了疼痛信号传递到大脑的路径 s c s 治疗方法可减少5 0 的疼痛感 a n s 公司 的s c s 产品有r e n e w g e n e s i s g e n e s i s i x p t m 和e o n t m 其中r e n e w 由植入式射 频接收器 脉冲发生器 导线和外接电源等部件组成 可用于治疗药物无法有效镇痛的 剧烈头痛 尤其是偏头痛 簇状头痛等多种头痛症状 其镇痛效果非常明显 缺点是 需要很强的电流 故必须经常充电 可通过外接导线进行充电 g e n e s i s 与r e n e w 最大 的不同之处在于后者主要用于治疗头痛 而它主要用来治疗躯干疼痛和肢体疼痛 对 关节炎 风湿性关节炎引起的疼痛缓解尤为有益 其改进型产品g e n e s i s i x p 使用了长 寿电池 根据使用情况 患者一般可连续使用5 年左右面无需充电 这对年老体弱者 尤为合适 e o n 的i p g i m p l a n t a b l ep u l s eg e n e r a t o r 植入式脉冲发生器 植入深度可达 2 5 c m 安装了可充电锂电池 在高能量消耗条件下至少可正常运行七年 e o n 可给 1 6 个独立电极供电 这给临床医生更多的选择来缓解患者的疼痛 e o n 区别于以往 第三军医大学硕士学位论文 系统的关键是它具备更高速 高能和高效的i p g 个性化芯片和加强软件 通过射频通 信把i p g 连接到系统控制单元的快速程序平台 可以对设备进行实时调整以缓解患者 不同部位的疼痛 比如背痛和腿痛 除了慢性疼痛之外 植入式神经电刺激器还可用于治疗多种与脑电流异常有关的 神经性疾病 如癫痫 帕金森病甚至抑郁症等 m e d t r o n i c 公司1 3 j 在它研制的d b s d e e p b r a i ns t i m u l a t i o n 深部脑刺激 上采用a c t i v a 疗法领先于同行 该疗法可控制由帕金 森症和原发性颤抖症引起的运动紊乱 在这项设备当中 电极被植入丘脑 对那些困 扰患者的导致颤抖和突发性运动的肆意脑电波进行干扰 a c t i v a 系统最新的一项成果 是美国食品药品监督局于2 0 0 4 年批准的k i n e t r a 双通道神经刺激器 它包括两个d b s 电极 可对左右半脑同时发射电脉冲 而之前的s o l e t r a 神经刺激器只有一个d b s 电 极 治疗帕金森症要分别给左右半脑各植入一个s o l e t r a 神经刺激器 其他公司推出了 可代替d b s 疗法治疗神经紊乱的产品 例如 c y b e r o n i c s 公司 4 j 拥有众多专利产品 帮助公司在癫痫病神经电刺激器产品上几乎占据垄断地位 其产品被称作v n s v a g u s n e r v es t i m u l a t i o n 迷走神经刺激 5 它包含有i p g 发生器 和怀表大小差不多 该 设备被植入到患者左胸腔 通过隐藏在颈部左迷走神经附近的螺旋状铂铱电极 对该 神经发射电脉冲进行刺激来控制治疗癫痫症 m e d t r o n i c 公司还开发了专门用于治疗尿失禁的新型植入式神经电刺激器系统 i n t e r t s t i m 尿失禁系由控制膀胱的骶骨神经受损所引起 只要向骶骨神经发送电脉冲 信号就可能恢复患者自主控制小便的能力 i n t e n s t i m 是迄今上市的治疗尿失禁的最好 的医疗器械 其体积十分微小 可以直接植入骶骨第三孔里面 并采用长寿电池供电 可使用5 1 0 年之久 另外 c v b e r k i n e t i c s 公司 6 针对它的可帮助脊椎受伤病人的神经纤维再生的植入 设备 a n d a r a t m0 f s t m 正在申请美国食品药品监督局f d a 的人道主义设备豁免 h d e a n d a r a 是一种电池供电的o f s o s c i l i a t i n gf i e l ds t i m u l a t o r 振荡场刺激器 大小相当于唇膏管 包含六个电极 其中三个电极被埋藏在伤口以上两节脊椎骨位置 其余三个电极组安置在伤口以下相似距离处 设备刺激脊椎附近的神经纤维 使患者 恢复感觉和运动功能 目前 植入式神经电刺激器还没有达到最新的起搏去纤颤器的复杂程度 后者的 闭路系统可感知病人心脏电波活动 然后发送恰当的电刺激帮助恢复患者身体机能 而相反的 技术人员或医学人员配置神经电刺激器是根据观察以往病人在临床和研究 上的数据 调节了一些必要的频率振幅参数 即使是这样 植入式神经电刺激器同多 6 第三军医大学硕士学位论文 数其他的电子设备一样 它微型包装下的微处理器具备了更多功能 同时 一些设备 制造商自己设计个性化集成电路来控制刺激脉冲发生器 在i p g 中采用的专用集成电 路 a s i c s 一般在单芯片上包含同步和数位信号 并设计成尽可能节能 以延长为每个 i p g 供电的充电锂电池寿命 最新的i p g 包含射频通信 具备符合美国联邦通信委员 会 f c c 植入式医疗设备通信服务 m i c s 标准的4 0 2 4 0 5 m h z 频带内超低能耗无线芯 片 无线通信允许技术人员使用外部控制器来为i p g 设置程序 同时给植入体电池充 电 被植入医疗设备收集的数据也可以无线传送到体外给医生查看 更进一步 可以 期望未来植入设备芯片将会安装闭路操作的a d 转换器 同时数位信号可让人们更精 确更自由的控制植入设备 另外 有理由相信下一代设备将会集合可实时更新刺激治 疗方法的传感器渠道 让患者受益 国内已经开始关于植入式神经电刺激器这方面的研究 如清华大学科学技术开发 部在长期研究的基础上 提出了脑 神经功能失调的电刺激治疗方案 通过外部编程器 可以切换植入刺激器的自动 手动工作模式 并调整刺激参数 极大方便了病人的治疗 其植入式神经电刺激器主要技术指标如下 1 重量4 0 9 左右 体积约5 5 1 厘米 2 寿命8 年左右 3 与外部程控器双向无线通讯 并可通过磁铁进行开关控制 4 电刺 激参数可无线调节 单路输出或双路输出 电压o 一1 0 5 v 率2 2 5 0 h z 脉宽6 0 1 0 0 0 u s 5 为技术可靠和尽快推向市场 首批产品使用锂原电池 在具有一定的市场 占有率后 再尝试推出使用锂离子充电电池的新型号产品 北京联合大学生物化学工程学院微型低功耗迷走神经电刺激器的研究 主要用于 植入大鼠体内进行癫痫治疗 7 1 天津大学的可充电脑起搏器 基于微处理器设计 由 体内刺激器和体外遥控器组成 其系统的非接触式经皮充电是采用高频电能线圈耦合 然后内部刺激器用法拉电容储能 这种方式需要n i f e 铁氧体等材料作芯来饶制线圈 8 1 东南大学的射频与光电集成电路研究所也在开展中枢神经信号微电子技术检测 处理与重建研究 其主要集中于i c 技术的设计与应用 9 重庆市在这方面的研究也开始启动 第三军医大学野战外科研究所已经由重庆市 科技攻关项目资助开始植入式微型神经肌肉电流刺激器的研究 1 3 论文研究内容及章节安排 本论文由重庆市科技攻关项目 7 7 6 8 资助 针对植入式神经电刺激器系统微型化 和低功耗要求 对其数据 能量的无线传输以及刺激脉冲产生等通用关键技术开展研 究 以期研制出适用于治疗慢性疼痛的 能实现生物体内长期植入的神经电刺激器 论文第一章简要介绍了植入式神经电刺激器的国内外研究现状与趋势 第二章主要讨 第三军医大学硕士学位论文 论了植入式神经电刺激器系统的总体方案设计 第三章主要讨论了外部控制器与植入 刺激器之间基于z i 曲e e 协议的短距离双向射频通信实现 第四章主要讨论了植入刺激 器的双相恒流刺激脉冲产生技术 第五章主要讨论了对植入刺激器的射频经皮能量传 输 第六章主要讨论了植入式神经电刺激器系统原型的集成与测试 第七章对论文工 作作了总结与展望 第三军医大学硕士学位论文 2 系统总体设计 通常 植入式神经电刺激器系统无论是按刺激作用靶点区分 还是按治疗疾病区 分 其基本结构和功能是类似的 主要包括外部控制器和植入刺激器两部分 这二者 之间的信息交换可以通过有线或无线的方式进行 植入刺激器因完全植入人体内 使 其可靠稳定工作的供能可以通过植入电池或者外部有线或无线方式传输能量 植入电 池的缺点就是寿命有限 比如心脏起搏器的电池能维持工作5 至7 年 对于预期生存 期低于电池寿命的患者 这已经足够了 但对于预期生存期远远高于电池寿命的年轻 患者 这就意味着必须反复手术更换电池 此外 许多大功率设备 如机械泵或电子 泵 通常由穿过皮肤的导线将植入设备与电源连接进行供电 但是 皮肤破损可能会 引发感染 甚至危及生命 这些都限制了植入设备的应用 所以植入式神经电刺激器 系统理想的工作方式是植入刺激器与外部控制器完全电气隔离 实现信息及能量的无 线传输 基于上述考虑 可以得到植入式神经电刺激器系统的基本原理框图如下图1 所示 其中 外部控制器给植入刺激器发送刺激控制信号 同时接收植入刺激器返回的工作 状态信息 植入刺激器接收外部控制器发出的刺激控制信号 由微处理器产生频率 极性 脉宽 强度可调的脉冲电刺激信号 同时向外部控制器发回当前工作状态信息 另外 外部控制器通过射频经皮能量传输为植入刺激器供能 图1植入式神经电刺激器系统原理框图 下面将详细讨论系统框图中射频通信 刺激脉冲产生以及射频供能等关键模块的 具体设计与实现 9 第二军医大学硕士学位论文 3 z i 曲e e 短距离双向射频通信研究 当前 植入人体的医疗设备及系统的范围在迅速扩大 从1 9 5 0 年代末的第一个心 脏起搏器起步 人体植入设备不断发展 现在几乎患者健康的每个方面都能够通过植 入设备来进行监控或调节 这就形成了一个b a n b o d y a r e a n e t w o r k 人体区域网 简称体域m 如下图2 所示 幽2 体域网 b a n 是以人体周围的设备 随身携带的手表 传感器以及手机等 吼及人体内部 即 植入设各 等为对象的无线通信专用规格 在短距离无线通信领域 存在p a n p e r s o n a l a r e an e t w o r k 个人区域网1 的概念 简称个域网 但b a n 将短距离无线通信的传输 距离规定得更短 从而限定在人体周围 植入式神经电刺激器系统的植入刺激器与外 部摔制器之问的无线通信属于b a n 范畴 但b a n 目前尚无确定的标准出台 所以只 能外延在p a n 范畴寻找解决方案 考虑到植入式设各的无线通信协议选择必须满足两条件 一是无线通信协议使用 的载波在生物组织传播时能量衰减要尽可能小 二是无线通信协议规定的正常工作功 耗尽可能低 电磁波在生物体内外传输过程中的能量衰减主要由电磁波在空气一皮肤界 岫 一 量 耄 第三军医大学硕士学位论文 面处的反射效应和在机体组织内的热耗散效应引起 频率较低的电磁波在空气 皮肤界 面处的反射效应引起的能量衰减比较显著 而频率较高的电磁波的热耗散能量衰减较 为显著 相关研究表明 选用工业 科学 医疗 i s m 频段生物体对电磁波的衰减较为 合理 现今在i s m 频段已存在多种短距离无线通信协议 如z i g b e e b l u e t o o t h 和w i f i 等 其丰要技术及性能参数对比如下表1 所示 表1短距离无线通信协议的主要技术及性能参数对比 z i 曲e e b 1 u e t o o t h w i f i i e e e 标准8 0 2 1 5 48 0 2 1 5 18 0 2 1 1 最大速率 2 5 0 k b p s7 5 0 k b p s5 4 m b p s 发射功率 3 0 m a4 0 m a4 0 0 m a 待机电流 3 u a 2 0 0 u a2 0 m a 网络类型s t a r c l u s t e r m e s h s t a r f 8n o d e sm a x l s t a r 入网 建网时间 1 5 3 0 m s3 s3 s 最大包长 13 2 b v t e s3 5 9 b v t e s4 0 9 5 b v t e s 可见 z i g b e e 具有低功耗控制 灵活的网络拓扑结构 实施成本相对也较低廉 特别是低功耗控制相比蓝牙 w i f i 超宽带技术有着明显的优势 将z i 曲e e 协议移 植到植入式神经电刺激器系统的通信服务中 可以提高系统的安全性 拓展性和长期 t 作能力 基于上述考虑 本论文选择基于z i 曲e e 协议实现植入刺激器与外部控制器 之问的无线数据传输 3 1z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4 z i 曲e e 删是近几年才兴起的一种短距离低速率无线个域网 l r w p a n 通信技术 它的显著特点是低速率 低功耗 低成本等 f 1 低速率 z i 曲e e 根据不同的工作频段 其数据传输速率会有所不同 在2 4 g m z 频段 有 1 6 个速率为2 5 0 k b p s 的信道 在9 1 5 m h z 频段 有1 0 个4 0 k b p s 的信道 在8 6 8 m h z 频段 有1 个2 0 k b p s 的信道 从能量消耗和成本 效率来看 不同的数据速率能为不 同的应用提供较好的选择 2 低功耗 在工作模式下 由于z i 曲e e 技术的传输速率低 传输数据量很小 因此信号的收 发时间短 而在非工作模式时 z i 曲e e 节点又处于休眠模式 加之设备的搜索 休眠 第二军医大学硕十学位论文 激活和信道接入时延都很短 使得z i 曲e e 节点非常省电 一般z i g b e e 节点的电池工 作时间可以长达 2 4 个月 f 3 1 低成本 由于z i g b e e 协议栈相对于b l u e t 0 0 i h w l f 1 要简单得多 降低了对通信控制器的 要求 因此可以采用8 位单片机和规模很小的存储器 大人降低了器件成本 而且 z i g b e e 协议免专利费川 可进一步降低软件的应用费用 r 4 1 短时延 z i 曲e e 典型的搜索设备叫延为3 0 m s 休眠激活的时延为1 5 m s 活动设备信道接 入的时延为1 5 m s 冈此适用十对时延要求苛刻豹无线控制应用 5 1 多种组网方式 z 记b e e 网络可通过刚络办调器组成星状 树状和网状等多种组网方式 并可通过 节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点 r 6 1 可靠数据传输 z l 曲e e 的m a c 层采用c s m a c a 接八算法 同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙 防止了发送数据的竞争和冲突 m a c 层支持确认的数据传输模式 要求每个发送的数拊包都必须等待接收方的确认信息 如果传输过程中出现了问题可 以进行重发 从而建立起可靠的数据通信模式 z i 叠b e e 的协议架构是建立在i e e e 8 0 21 54 标准 1 基础上的 i e e e 8 0 21 54 标准定 义了z l g b e e 的p h y p h y s l c a ll a y c r 物理层 和m a c m e d l u ma c c e s sc o n t r 0 1 媒体访 问控制层 z i g b e e 联盟则定义了其网络层 n w k 和应用框架 a f 如下罔3 所示a 一 n 时帕 r d 和日椭u 忡 00b t 9 2 淼 l 竺 j 一 p h y o 州 i 塑 坐竺塑 生j t 图3z i g b c e 协议架构 1 2 第三军医大学硕士学位论文 3 2i e e e 8 0 2 1 5 4 c c 2 4 2 0 随着i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的发布 世界各大无线芯片生产厂商都推出了支持 i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线收发芯片 其中f r e e s c a l e 公司的m c l 3 1 9 2 m c l 3 1 9 3 t ic h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 c c 2 4 3 0 e m b e r 公司的e m 2 4 2 0 e m 2 5 0 是比较典型的产品 下表2 给 出了部分z i g b e e 芯片的性能参数比较 表2 z i 曲e e 芯片的性能参数比较 a n u f a c t u r ea t m e lf r e e s c a l e c h i p c o n e m b e rz m d c o m p x s 0 k i u b e c c h i p a t 8 6 r f 2 1 0m c l 3 1 9 2c c 2 4 2 0e m 2 4 2 0z m d 4 4 1 0 1c x l 5 4 0m l 7 0 6 5u z 2 4 0 0 8 0 0 9 0 0 m h z y e s n on on o y e s n o n on o 2 4 0 0 m h zn 0 y e sy e sy e s n o y e sy e sy e s v d d v 1 8 3 62 0 3 4 2 1 3 6 2 1 3 6 2 43 0 3 0 1 8 s t a n d b y u a 1310 54115 t r a n s m i t m a 6 0 3 3 v 3 41 7 42 0 72 05 65 61 8 r e c e i v e m a 1 4 53 71 8 81 9 71 95 75 72 2 i n t e r f s p is p is p is p is p is p is p is p l 0 t h e r i f a c en o n on o n o p a r a l l e ln 0 n on o e n c r y p t n on 0 y e sy e s n on on on o r e m a r k sp h yp h yp h yp h yp h y p h y p h y p h y t m a cm a cm a cm a c p a c k a g e4 8 q f n3 2 q f n4 8 q l p4 8 q l p 4 8 m l f4 84 8 4 8 q f n 其中 c c 2 4 2 0 1 2 是t ic h i p c o n 公司推出的首款符合2 4 g h zi e e e 8 0 2 1 5 4 标准的 射频收发芯片 它主要具有以下特点 1 集成度高 基于t i c h i p c o n 公司的s m a n i 江 0 3 技术 使用o 1 8 u m c m o s 工艺生产 具有很高的集成度 2 支持双向无线通信 c c 2 4 2 0 是基带调制和m a c 支持的真正的单片2 4 g h zi e e e 8 0 2 1 5 4 兼容r f 收发器芯片 数 据收发速率可达2 5 0 k b p s 3 数据接口简单 采用s p i 接口 可直接与微处理器接口 4 外围器件少 体积小 只需要非常少的外部元器件 q l p 一4 8 封装 芯片大小7 7 m m 5 功耗低 低电流 r x 1 8 8 m a t x 1 7 4 m a 低电压 2 1 3 6 v 片上集成稳压器 1 6 2 0 v 使用外部稳压器 可编程输出功率 c c 2 4 2 0 的选择性和灵敏度指标超过 第三军医大学硕士学位论文 了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的要求 可确保短距离通信的有效性和可靠性 3 2 1c c 2 4 2 0 射频通信电路设计 通常 c c 2 4 2 0 与微处理器和少量外围元器件一起 就可以组成实际应用 针对 植入式神经电刺激器的低功耗要求 在c c 2 4 2 0 射频电路设计中 与之接口的微处理 器选用的是t i 公司的超低功耗m s p 系列微处理器m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 l 引 m s p 4 3 0 系列微 处理器的主要特点为 1 低电源电压 1 8 3 6 v 2 超低功耗 拥有5 种低功耗模式 可以适应不同的需要 3 快速反应 低功耗模式唤醒过程最多只需要6 u s 4 高速运 算能力 5 灵活的时钟 6 丰富的功能模块 7 强大的集成开发调试环境 i a r e m b e d d e dw o r k b e n c h c 语言编程 c c 2 4 2 0 典型射频应用电路如下图4 所示 其外 围电路包括时钟 射频接口 输入 输出匹配 天线 和微处理器接口三个部分 图4c c 2 4 2 0 典型射频应用电路 第三军医大学硕士学位论文 其中 c c 2 4 2 0 需要有1 60 0 0 m h z 的参考时钏 用于2 5 0 k b p s 数据的收发 这个参 考时钟可匕上来自外部时钟源 也可以使用内部晶体振荡器产牛 精度要求 4 0 p p m 如果使用外部晶振 直接从x o s c l 6q 1 管脚接入 x o s c l 60 2 管脚悬空 如果使j f j 内部晶体振荡器 则时钟晶体接在x o s c l 6 一q l 和x o s c l 6 一q 2 管脚之间 并外加2 7 p f 的起振电容 c c 2 4 2 0 射频输入 输出是差分方式的 r fn r fp 1 其晟佳差分负载为 1 1 5 i 1 8 0 欧姆 阻抗匹配电路应该根据这个数值进行设计 24 g i 乜射频p c b 天线可 以采用堆极单端i f a i n v e n e d f a n t e n n a 倒f 天线一 m i f a 或者差动f d a f o l d e d d i p o i e a n t e n n a 折叠偶极天线 其形状尺寸分别如下图5 a 5 b 5 c 所示 如果使 用单极单端天线则其射频接n 还需要平衡月 平衡阻抗转换巴伦电路 b a l u n 以达到 最佳收发效果 鼻f 羔三誓一0 f c l f d a 图524 g h z 射频p c b 天线 鸳一 豢攀 第三军医大学硕士学位论文 c c 2 4 2 0 与微处理器m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 的接口非常简便 它使用s f d f i f o f i f o p c c a 表示射频收发状态 而m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 通过c c 2 4 2 0 的4 线s p i 总线接口 s i s o s c l k c s n 与它交换数据 发送命令 读取状态等 其接口原理图如下图6 所示 c c 2 4 2 0 在传送寄存器存取字节 选通命令 第一个r a m 地址字节和数据传送到 t x f i f o 时 其状态字节会返回到s p i 接口的s o 引脚 该状态字节包含6 个状态位 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 可以发选通命令s n o p 空操作 来读该取状态字节 以判断c c 2 4 2 0 射 频收发状态 心 霸艘嘲隳 嗣器蹬缮鲢蹬 剿 舻 貔噙霸荆灞l 囊 w 确臻 躺 韵嘞群嚣黼黝糯f 巷翻 章 一一 臻婚霪 裂 w m m 一 獭必毫 黎0 蠹 氛黼器 瓣i 凝 w m m m m m w 一 辩t 馘 图6 c c 2 4 2 0 微处理器接口原理图 c c 2 4 2 0 功耗很低 其内部使用1 8 v 工作电压 适合于电池供电的设备 外部数 字i 0 接口使用3 3 v 电压 这样可以保持和3 3 v 逻辑器件的兼容性 它在片上集成 了一个直流稳压器 通过把v r e ge n 置为高电平 就能够把3 3 v 电压转换为1 8 v 电压 这样对于只有3 3 v 电源的设备 不需要额外的电压转换电路就能正常工作 下 表3 表4 分别给出了c c 2 4 2 0 在不同工作模式下的电流消耗 以及在2 4 5 g h z 不同 发射功率下的寄存器设置与电流消耗 第三军医大学硕士学位论文 表3c c 2 4 2 0 在不同工作模式下的电流消耗 c u r r e n tc o n s u m p t i o ni nd i f f e r e n tm o d e s c u 盯e n td r a w nf r o mv r e g i n 缸o u 曲v o l t a g er e g u a l t o r p a r a m e t e rm i n 聊 m a x u n i t c o n d i t i o l l n o t e 0 f f0 0 2 1 u a v b l t a g er e g u l a t o ro f f p d2 0u a v b l t a g er e g u l a t o ro n i d l e 4 2 6u a i n c l u d i n gc r y s t a lo s c i l l a t o ra n dv o l t a g e r e g u l a t o r r x1 8 8 m a t x 8 5m at h eo u t p u tp o w e ri sd e l i v c r e dd i 圩 e r e n t i a l l y p 2 5 d b m9 9 m at oa5 0qs i n g l e de n d e d1 0 a dt h r o u g ha p 1 5 d b m l lm a b a l u n p 1 0 d b m1 4l n a p 5 d b m 1 7 4 m a p o d b m 表4c c 2 4