超低功耗无线传输在便携医疗仪器的应用

1、超低功耗无线传输在便携医疗仪器的应用许迅文佛山市顺德区长兴超声设备有限公司摘要:传统医疗仪器中，超声探头和主机通过电缆连接，当信号线较多时，会对使用方便性和舒适性产生影响，而且使用距离受到限制。当把有线连接改为无线时，不但解决了以上问题，更增加了产品的时尚性和使用愉悦感。本文介绍了以nRF24L01+无线收发器为核心的胎心仪音频传输方案，很好地解决了传统无线传输与功耗、体积之间的矛盾，实现了科技与人性化的完美结合。关键词:ISM;2.4G;低功耗;数字音频1. 引言ISM频段即工业，科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和医疗方面的应用。应用这些频段无需许

2、可证，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928 MHz、2400-2484.5 MHz及5725-5850 MHz，在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信，2.4GHz则是各国共同的ISM频段，因此便携超声诊疗仪器可使用2.4G频段实现无线音频传输。随着国内医疗器械行业的发展，便携产品的时尚性和方便性要求越来越高，在传统仪器实现基本功能的同时，新产品要重点改进产品的外观和操作方便性。一直以来便携超声仪器的探头和主机都连着一条长长的“尾巴”，影响了实际临床的使用方便性和灵活性。无线连接的想法

3、由来已久，但要真正实施在医疗环境还要跨过多重障碍。首先，传统模拟无线传输方式，例如AM和FM方式，虽然实现方案成熟、穿透力强、成本低，但它们容易受干扰或者干扰别的仪器，而且很少能工作在ISM频段。而一般的数字无线传输方式，例如wifi、蓝牙，虽然工作在ISM频段，抗干扰性能极好，但动辄4050mA的电流消耗，对便携仪器是个沉重负担，它们本来就不是为低功耗应用设计的。NORDIC公司的nRF24L01+芯片很好地解决了上述问题。首先，它工作于全球通用的2.4G ISM频段，采用GFSK调制方式，符合ITU规定的DSSS和FHSS规范，防止跟 WiFi和蓝牙等设备互相干扰。它具有可选的250k2M

4、bps传输速率，在发射功率为0dBm时，电流只有11.3mA,2Mbps接收状态下为13.5mA。它拥有专利的ShockBurst模式，简化了协议软件设计，使功耗最小化，也易于跟通用MCU接口。实验用PCB天线测试无障碍物通信距离，在1Mbps速率下，达到了20米，如果把速率降到250kbps,距离接近100米。综合了各种指标，nRF24L01+是应用于便携医疗产品的理想方案。2. 硬件实现探头部分主要由超声收发系统è前置放大器è单片机AD采样èSPI接口输出è2.4G射频收发，整个采集系统以单片机控制nRF24L01+为核心。接收主机则以2.4G收发&

5、#232;SPI数字音频输入è单片机DA输出è模拟放大è功放输出几部分组成。超声系统通过多普勒效应，检测到微弱的模拟胎心信号，通过放大，使信号匹配单片机的输入和处理范围，单片机以十倍于模拟信号的采样率作AD转换，然后通过SPI接口输入到nRF24L01+里，该收发器把接收到的数据放入发送FIFO中，然后逐位进行GFSK调制，再通过RF频率合成和RF功率放大，最后从天线馈送到空间。接收主机则是相似的逆过程。整个硬件实施当中，关键部分是RF收发，nRF24L01+已经以很高的集成度，智能完成了输入输出数据和空间协议的转换和收发工作，剩下的难点就是天线的设计和测试。天线

6、是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。其基本功能是发射和接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比就是天线的增益。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。一般效果较好的是全向鞭状天线，低成本应用会使用PCB天线，当然前者的效果更好，但体积和成本都不如后者。本案例中使用1/4波长PCB天线。根据传输线的理论，1/4波长的开路线相当于一个串联谐振电路，所以其整个负载是呈纯电阻性的。实际天线长

7、度是按以下公式计算的:天线长度=300÷f(MHz)×0.25×0.96(波长缩短率)(单位是米)。所以2.4G频段的1/4波长天线长度在3cm左右。值得注意的是，音频电路非常容易受干扰，一般最主要的是电源干扰，其次是瞬间大电流引起的磁场干扰。此案例中的RF频率是2.4G频段，与音频距离很大，所以不会直接影响音频。下面主要说明电源干扰（电源完整性问题）和磁场干扰的成因和对策。电源完整性问题的成因有多种，主要是因为高速芯片内部的数字逻辑电路众多，而芯片的引脚有限，不可能为每部分逻辑电路单独设立电源引脚，因此，IC内部电路在同一时间发生状态翻转时，必然相互耦合，增加了

8、门电路状态的不确定性，进而可能不断漫延开来，产生输出端的干扰。有一部分干扰是通过接口信号线直接传送给相连终端，相当大一部分却是通过公共电源线，大面积地耦合到其它元器件中。如果干扰源没有足够的去耦，或者各功能区的电源没有足够的隔离，数字电路的干扰就直接进入音频电路，进行逐级放大。人的听觉对声压呈对数响应，在微弱声压区的灵敏度很高，很容易察觉噪声，而这些噪声往往在高灵敏度的示波器也未必能显示出来。实践中发现，单纯按照芯片规格书中的去耦电容量，是不足以抵消nRF24L01+在状态切换时，所产生的电源抖动的。具体电容量的大小只能凭实验确定，一般要几个到十个nF级陶瓷电容并联才能达到去耦效果。至于磁场干

9、扰大多是布线间距和走线方向引起的，对于关键信号线必须跟强干扰线保持起码三倍线宽的距离，而且尽量垂直走线。必要时可以对敏感信号线进行包地保护，这样一般就能达到效果。再有甚者就要想办法用金属屏蔽等辅助措施，但一般不会使用，因为对电路体积和散热均有影响。nRF24L01+虽然能达到0dBm的最大功率输出，但由于实际PCB材质和制造工艺偏差的影响，即使严格按照理论计算数值制造，也会产生阻抗失配问题，也就是实际发射功率会小于0dBm。实际上要精确调整射频匹配，必须用矢量网络分析仪，这样才能调节S11参量，并用史密斯圆图获取RF阻抗匹配特性。精确的测量发射效果需要在电波暗室中，用RF频谱仪进行，但实际环境

10、中不可能尽然，所以基本上是通过外围元件参数的首次调节，如果较低的误码率下达到收发距离，就固定参数。本例中的超声医疗仪器，是应用在妇产科门诊中，一般不会隔墙，室内空间在10m2左右，实际临床效果相当满意。3. 软件实现nRF24L01+内嵌了先进的ShockBurst通信协议，能通过突发式握手方式，在极短的时间内传输数据，并且保证数据完整性，然后又回到低功耗模式。该芯片在使用前必须初始化，内容包括允许发送地址寄存器、允许自动应答寄存器、设置自动重传间隔与次数、设置地址位宽、设置数据速率、设置发送端地址和频道、设置硬件CRC校验参数等。为了保证音频传输的实时性，最好使用定时器控制DMA，等时地发送数据包，而且必须设置两个发送和接收缓冲区，让它们轮流接收AD数值或发送数据，以最大限度降