1、可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY学士学位论文THESIS OF BACHELOR论文题目：可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进学生姓名: 学生学号: 专 业: 微电子学 指导教师: 学院(系): 微电子 可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进毕业设计（论文）基本内容和要求： 随着医疗技术的不断发展，医用植入装置已经得到广泛的临床应用。医用植入装置主要由植入体和体外部分组成。体外部分通过电磁波向植入体提供工作能量，并与植入体之间进行双向数据通信。探索生物医疗植入体中
2、无线双向数据传输的方式，实现数据高效能量传输将有助于医用植入装置获得更广泛的应用。本毕业设计是在上一届本科毕业设计和当前科创项目基础上的扩展。至之前的研究活动中，已经实现了较低效率的无线能量传输和较低速率的无线数据传输系统的理论研究，并实现了一个包括两对线圈、ClassE 功率放大器、数据调制解调、能量时钟恢复的传输系统，能够在 4mm 的范围内传输最大约 100mW 的能量，上行数据速率为 828kbps，下行数据速率为20kbps。本毕业设计将继承了该项目相关研究的理论基础和技术成果。本毕业设计的主要目标为完成一个可植入式的实现无线能量与双向数据传输的硬件系统。主要内容如下： 完成 CPL
3、D 的控制电路，完成下行数据解调和上行数据的闭环连接； 优化次级电路的板级设计，提高可靠性，使之成为一个封闭的可植入式电路的一部分； 优化初级电路，使其能与电脑通讯，用电脑控制输入信号和观察实验结果； 对可植入式传输系统进行简单实验，验证可靠性。可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进本毕业设计拟达到的技术指标和要求如下： 无线传输距离 0.72.5cm； 植入部分体积小于 6mm * 30mm * 30mm； 申请设计专利 1 项。可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进毕业设计（论文）进度安排：序号 毕业设计（论文）各阶段内容 时间安排 备 注1 学
4、习现有系统 2012.11-122 熟悉并调试现有系统 2013.1-23 设计 CPLD 程序并进行调试 2012.34 硬件系统模块整合，包括线圈 2012.45 系统联合调试 2012.56 撰写论文，申请专利 2012.6课题信息：课题性质 ：设计 论文课题来源 *：国家级 省部级 校级 横向 预研 项目编号 其他 指导教师签名： 年 月 日学院（系）意见：院长（系主任）签名： 年 月 日学生签名： 年 月 日可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进摘要随着科技的发展与科学研究的不断深入，如今有很多可植入医
5、疗设备在临床医学中已经被使用，比如心脏起搏器、人工耳蜗、视网膜假体等。这些设备帮助人们维持生命、恢复丧失的生理功能等。可植入医疗设备的研究发展至今，比较普遍的使用无线传输来实现能量的供给以及数据的交互。本文介绍了完成一个完整的可植入体内的闭环系统的过程，并设计与改进了各个模块：ASK 调制模块、E 类功率放大模块、能量恢复模块、时钟恢复与 ASK 数据解调模块、 OOK 调制模块、OOK 解调模块、线圈组传输模块以及数字电路模块。实现了体外部分与体内植入部分的无线能量与双向数据的传输，并在体内部分使用可编程逻辑器件构成的数字模块将接收到的数据与发射出去的数据相连接，形成一个闭环的无线能量与数据
6、传输系统。本毕业设计的主要作用是完成一个系统雏形，为后续研究中进一步实现高效的可植入医疗设备打下基础。关键词：无线能量传输，无线数据传输，线圈的优化设计，可编程逻辑器件可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进MODULE INTEGRATION AND RELIABILITY IMPROVEMENT OF AN IMPLANTABLE WIRELESS POWER AND BI-DIRECTIONAL DATA TELEMETRY SYSTEMABSTRACTWith the development of science and technology, increasing
7、 implantable microelectronic devices are applied clinically, such as heart pacemakers, artificial cochlea, retinal prosthesis, etc. These devices help people maintain life, and restore physiological function, etc. It is the use of the wireless transmission that is more generally to achieve power sup
8、ply and data interaction. This paper introduces a complete process of building an implantable closed-loop system. To achieve the system, I design and improve all modules in transmission system, including ASK modulation module, Class-E power amplifier module, energy recovery module, clock recovery an
9、d ASK demodulation module, OOK modulation module, OOK demodulation module, coil group transmission module and digital circuit module. An implanted wireless power and two-way data transmission part is achieved. And in the implanted part, a digital module implemented of CPLD connects the received data
10、 to the transmitting data, aiming to form a closed-loop wireless power and data transmission system.The main function of this graduation design is to lay the foundation for achieving a high performance implantable microelectronic device.Key words: wireless power telemetry, wireless data telemetry, o
11、ptimization of the coil, complex programmable logic device可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进目录第一章 绪论 -11.1 可植入医疗设备的研究现状与研究意义 -11.2 主要工作与本文结构安排 -1第二章 双频带无线能量与双向数据传输系统的架构 -32.1 无线能量与数据传输的系统架构 -32.2 系统的设计方法 -4第三章 初级电路的优化设计 -53.1 ASK 调制模块 -53.1.1 ASK 调制模块的原理 4-53.1.2 ASK 调制模块的实现 -63.2 Class-E 功率放大模块 -73.2.1
12、 Class-E 功率放大器原理 56 -73.2.2 Class-E 功率放大器的电路实现 -83.3 OOK 解调模块 -103.3.1 OOK 解调模块原理 -103.3.2 OOK 解调模块的实现 -10第四章 次级电路的优化设计 -124.1 能量恢复 -124.1.1 能量恢复模块的原理 -124.1.2 能量恢复模块的实现 -134.2 时钟恢复与数据恢复 -134.2.1 时钟恢复与数据恢复模块的原理 12 -134.2.2 时钟恢复与数据恢复模块的实现 -154.3 OOK 调制模块 -16第五章 CPLD 模块的实现 -185.1 CPLD 简介 -185.2 数字模块的电
13、路功能 -195.3 CPLD 芯片的选取 -195.3.1 PLD 芯片 -195.3.2 CPLD 芯片 -195.4 CPLD 模块的实现 -205.4.1 硬件语言的编写与仿真 -205.4.2 引脚的定义与目标代码的转换 -205.4.3 目标代码的载入 -215.4.4 数字模块的测试 -21第六章 线圈的设计 -236.1 仿真软件 15-236.2 耦合线圈的设计 -246.2.1 线圈 L1 与 L2 的设计 -24可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进6.2.2 线圈 L3 与线圈 L4 的设计 -256.3 线圈的制作 -25第七章 整体 PCB 电
14、路 -27第八章 总结与改进 -298.1 研究总结 -298.2 不足与改进 -30参考文献 -31附录 -33致谢 -34可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进第 1 页 共 34 页第一章 绪论1.1 可植入医疗设备的研究现状与研究意义随着科技的发展与科学研究的不断深入，如今有很多可植入医疗设备（Implantable Microelectronic Devices）在临床医学中已经被使用 1，比如心脏起搏器、人工耳蜗、视网膜假体等。这些植入设备帮助人体维持生命活动，帮助各种功能丧失性患者不同程度的恢复功能，也有一些用来帮助测量人体内部的各项指标。可植入医疗设备工作
15、需要供电，最初的供电方式是在植入体内部分同时加上电池。但是使用电池有两个弊端：首先，电池是有使用寿命的，需要及时更换，这就需要增加额外的手术次数，增加患者的痛苦；其次，电池会有泄露的危险，造成人体内的污染，增加患者的危险系数。所以就有了使用线圈的无线能量传输，但是传输的能量不能太高，在临床医学中 1-20MHz 的频率 2推荐被使用。由于可植入部分功能越来越复杂化，为了更好的控制与使用可植入医疗设备，设备与外界进行数据交互显得十分有必要。所以，在目前有很多可植入医疗设备由两个主要部分构成，体外部分与体内部分：体外部分的功能是发射能量与数据的发射/接收；体内部分的功能是能量的接收与相应数据接收
16、/发射。这样做不仅降低了患者因为电池原因而发生危险事故的几率，也提高了可植入医疗设备的效率。近年来，国外在生物植入设备领域中对能量与数据传输系统的研究火热，大部分系统通过耦合线圈的方式来实现能量与数据的传输。由于传输客观条件的限制（如植入体内部分的面积、传输距离、能量线圈与数据线圈之间的串扰等）使得线圈的设计也成为影响可植入医疗设备性能的关键点之一。如在文献3中，采用了一种垂直的线圈结构，将能量线圈与数据线圈相互垂直摆放，来减小能量线圈对数据线圈之间的串扰。本毕业设计承接了过去两年中的两个科技创新项目，2011 年“上海大学生创新活动计划”项目高效多频带无线能量和双向数据传输系统与 2012
17、年第五期上海交通大学大学生科技创新项目双频带无线能量与数据传输系统的线圈自动优化设计 。这两个项目相结合，设计出一个比较完整的可植入体内的闭环系统，实现体外部分与体内植入部分的无线能量传输与双向数据的传输。1.2 主要工作与本文结构安排本毕业设计的目的是完成一个完整的可植入体内的系统，实现体外部分与体内植入部分的无线能量与双向数据的传输，同时，在体内部分将接收到的数据与发射出去的数据使用数字模块相连接，形成一个闭环的系统。本论文的组织结构如下：第一章：绪论。概述了可植入医疗设备的研究现状与研究意义，简要介绍主要工作与本文结构安排。第二章：双频带无线能量与双向数据传输系统的架构。详细介绍了整个系
18、统架构以及该系统如何工作。第三章：初级电路的优化设计。详细介绍了初级端 ASK 的调制，OOK 的解调以及优化 Class-E 功率放大器的设计与实现。第四章：次级电路的优化设计。详细介绍了优化能量的接受、ASK 的数据解调、时钟恢复的具体设计与实现。第五章：CPLD 模块的实现。详细介绍了如何选取 CPLD，以及代码的编写仿真与烧可植入的无线能量和双向数据传输硬件系统的模块整合和可靠性改进第 2 页 共 34 页入的实现。第六章：耦合线圈的设计。描述了如何通过已有的优化软件协助设计并制作两对用于能量与数据传输的线圈。第七章：印刷电路板的成果展示。展示了本次毕业设计所完成的最终成品。第八章：结论。总结了本次毕业设计的成果。
