朱亞光，張快，任朝暉，白謙睿，張旭

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

引言

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，植入式醫(yī)療電子設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于診斷、治療甚至輔助和代替人體某些器官的功能，如膠囊內(nèi)窺鏡、神經(jīng)刺激器、人工耳蝸等。它們工作時一般采用微小電池進行供電。但由于電池壽命的有限性，術(shù)后患者需要定期到醫(yī)院檢查電池電量，電量耗盡時還需要通過手術(shù)更換電池，給病人的生活帶來不便，并且承受額外的手術(shù)風(fēng)險、經(jīng)濟壓力和精神負擔(dān)[1]。而無線傳能技術(shù)能夠通過非接觸的方法傳遞能量，目前已經(jīng)被廣泛的研究和應(yīng)用于多個領(lǐng)域。如果采用無線供能的方式對植入式醫(yī)療電子設(shè)備進行供電，就能使這些設(shè)備長期正常工作，避免上述弊端。

目前應(yīng)用于植入設(shè)備無線能量傳輸?shù)姆椒ㄖ饕写鸥袘?yīng)耦合式和磁耦合諧振式無線能量傳輸。這兩種傳能方式均需要依靠兩個電感線圈來傳遞能量，而線圈間的距離和角度的變化都會導(dǎo)致供能大小變化，若接收到的能量小于負載需求，會使得植入式設(shè)備不能正常工作；若接收到的能量大于負載需求，植入設(shè)備接收到的過多的能量，這些多出來的能量會以熱能的形式散發(fā)，這可能會造成組織損傷[2]。因此，對無線供能技術(shù)進行有效的反饋調(diào)控是十分有必要的。國內(nèi)外已經(jīng)有不少的研究者提出了調(diào)控策略。

Budgett等[3]提出通過射頻通信獲得體內(nèi)信號來改變體外諧振器的輸入電壓和頻率，來控制能量傳遞大小。Yin等[5]建立了數(shù)學(xué)模型，該模型通過輸入電壓和輸入電流計算出負載情況，從負載變化對發(fā)射端的影響角度進行反饋控制。陽天亮等[2]研究了一種無線能量傳輸系統(tǒng)閉環(huán)控制方法，在對E類放大器參數(shù)進行頻域分析的基礎(chǔ)上，用輸入電壓、信號占空比、頻率和阻抗調(diào)節(jié)方法控制能量傳遞。陳曉武等[6]基于脈寬調(diào)制（Pulse-Width Modulation，PWM）誤差采樣與負載鍵控（Load Shift Keying，LSK）調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)了無線供電的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這些反饋控制方法存在著系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜或反饋速度慢的缺點。

本文研究了一種基于近場通訊技術(shù)（Near Field Communication，NFC）的無線傳能反饋控制方法。該方法采用較近場通訊技術(shù)傳遞反饋信號，能簡單、快捷的實現(xiàn)能量傳遞功率的反饋控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 反饋控制方法

無線能量傳輸?shù)幕就負浣Y(jié)構(gòu)，見圖1。在發(fā)射端，功率放大電路將交流小信號放大，驅(qū)動發(fā)射線圈輸出可以被獲取的電磁能量；接收線圈將接收到的交流電整流濾波為直流電，供給負載使用。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

該直流電的大小表征的是系統(tǒng)接收能量的大小。因此，除了負載使用外，可以將直流電流通過傳感器轉(zhuǎn)化為可以被模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取的數(shù)字電壓信號，再將該信號寫入微控制器，通過近場通信技術(shù)無線傳遞該反饋信號給發(fā)射端，控制發(fā)射端調(diào)節(jié)功率放大器的輸出范圍，改變發(fā)送電磁能量的大小以契合環(huán)境改變，進而實現(xiàn)接收能量的穩(wěn)定，實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。

整個系統(tǒng)分為3部分：能量發(fā)送部分、能量接收部分以及無線反饋部分。能量發(fā)送部分主要由交流信號源，功率放大器，發(fā)射線圈和控制模塊組成；能量接收部分主要由接收線圈和反饋參數(shù)獲取電路組成；無線反饋部分由一對近場通信模塊組成。

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)總體電路設(shè)計框圖，見圖2。系統(tǒng)輸入的頻率為4 MHz的交流電信號由信號發(fā)生器提供，該幅值較小的輸入經(jīng)過THS3091高頻放大器放大后驅(qū)動發(fā)射端諧振回路，傳輸能量。本研究使用的收發(fā)線圈為直徑2.3 cm，電感值3.7 μH的環(huán)形空心線圈。依據(jù)公式可得諧振匹配電容為470 pF。

能量接收部分由整流濾波電路、電流傳感器以及RF430近場通信標簽卡系統(tǒng)組成。該部分將接收到的無線能量整流濾波，轉(zhuǎn)換為能夠使用的直流電后，通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，提供給MSP430FR5739微控制器集成的10位ADC。單片機控制ADC每1 s工作一次，并將該數(shù)字結(jié)果寫入標簽，等待讀寫器獲取，以完成反饋信息的傳遞。

圖2 系統(tǒng)電路設(shè)計框圖

這里表征電流大小的方法是通過電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓值。電流傳感器的核心結(jié)構(gòu)是一個毫歐電阻，將加載在該小電阻上的電壓經(jīng)過放大器放大后，獲得易于測量和處理的電壓信號。這就要求電流傳感器需同負載串聯(lián)，以減小對負載電流的影響，且應(yīng)用在電流較大的情況，電流過小會導(dǎo)致無法獲得測量值；在本研究中系統(tǒng)傳輸功率較小，故采用一個并聯(lián)的大電阻作為電流傳感器使用。它既能轉(zhuǎn)化較小的電流為可測量電壓值，也不會對負載電流造成大的影響。

控制部分由NFC讀寫器、MSP430F5529開發(fā)板和數(shù)字電位器組成，NFC讀寫器獲取反饋信號后傳遞給5529開發(fā)板，該微控制器通過軟件判斷能量供給是否過大或者過小并輸出控制信號，數(shù)字電位器根據(jù)控制信號調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，實現(xiàn)該無線傳能系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果

在系統(tǒng)驗證過程中，保持系統(tǒng)輸入的信號發(fā)生器輸出不變，單純改變兩側(cè)線圈之間的距離，通過萬用表測量傳感器電阻上電壓，觀察電壓變化隨系統(tǒng)調(diào)節(jié)的變化趨勢，驗證系統(tǒng)的有效性。

2.1 反饋信號的傳遞

將MSP430F5529開發(fā)板與PC連接，通過上位機軟件查看讀取到的AD轉(zhuǎn)換后的電壓參數(shù)，以ASCII碼的形式展現(xiàn)（圖3）。

圖3 反饋信息顯示界面

同時，在反饋信號接收端控制器內(nèi)軟件設(shè)置小于1.5 V的判斷標準值，下端0.5 V、上端0.55 V。即若讀取到的反饋信號大于0.55 V，則判定為供給能量過大，需要向下調(diào)節(jié)；若讀取到的反饋信號小于0.5 V，則判定為能量過小，需向上調(diào)節(jié)，分別點亮不同的LED燈作指示。

將燈的亮滅情況與萬用表測量值進行比較，兩者變化趨勢相符，說明了反饋信號測量與傳遞的準確性與有效性。

2.2 輸出功率調(diào)節(jié)

整個輸出調(diào)控過程均由系統(tǒng)自動判斷調(diào)節(jié)。假設(shè)在線圈距離為0.8 cm時是最佳能量傳遞狀態(tài)，此時接收端接收到的電壓為0.5 V，則偏移0.8 cm會帶來不同于0.5 V的實際測量結(jié)果，見圖4。黃線顯示的是在經(jīng)過系統(tǒng)自動反饋調(diào)節(jié)后，接收到的能量被穩(wěn)定在0.5～0.55 V之間。即系統(tǒng)實現(xiàn)了兩線圈間距離在1 cm以內(nèi)變動時，可通過自動反饋控制保持供能穩(wěn)定。

圖4 輸出功率調(diào)節(jié)效果圖

同時，1.2 cm處的結(jié)果顯示，當線圈間距離偏移正常工作距離過大時，磁耦合強度過低，系統(tǒng)即使調(diào)整為最大輸出也無法達到工作要求，此時反饋控制失去意義。

3 討論與結(jié)論

本文采用了一種簡單快捷的反饋方式，通過近場通信傳遞反饋信號，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量輸出以達到供能穩(wěn)定的目的。由于整個反饋調(diào)控供能系統(tǒng)缺乏補償手段，傳輸能量較小，距離較近，但具有代表意義。

不同于遠距離通信方式，近場通信技術(shù)有望同無線傳能技術(shù)結(jié)合在一起，這樣可以避免反饋信號與傳能間的干擾[13]，便于發(fā)射端自我調(diào)節(jié)，還可以傳遞除能量參數(shù)之外的其他測量信號。在進一步的研究當中，將嘗試實現(xiàn)擁有自反饋調(diào)控功能的NFC供能系統(tǒng)。

總之，本文研究了一種基于NFC技術(shù)的無線傳能系統(tǒng)反饋控制方法，該方法針對供能時線圈間距離改變導(dǎo)致接收到的能量大小出現(xiàn)偏差的問題，通過接收端并聯(lián)電阻傳遞電壓信號，利用單片機實現(xiàn)近場無線通信與系統(tǒng)的有效連接，最終實現(xiàn)兩傳能線圈距離在1 cm以內(nèi)變動時能通過反饋控制保持供能的穩(wěn)定。

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