1、 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR 论文题目： 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 学生姓名 : 学生学号 : 专 业 : 微电子学 指导教师 : 学院 (系 ): 微电子 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 摘要 随着生物医学工程领域的发展，生物植入电子设备近几年来得到了广泛的研究并且部分设备已经被应用于临床，比如心脏起搏器，视网膜假体与人工耳蜗等。通常这些植入设备是通过电磁线圈耦合的方式对体内部分进行供能以及数据传输的。因此本毕设设计了一个应用于生
2、物植入设备的无线能量与数据传输系统。 本论文先从传输耦合线圈对的优化入手，设计了一个优化流程。在 FreeBSD 操作系统下，借助 FastHenry3.1 所提供的软件库与 C 语言的编写，通过仿真的方式优化了线圈对的几何与空间参数以提高了无线传输的能量传输效率 与数据传输的信噪比。本毕设通过印刷电路板（ PCB）的实际电路验证了线圈设计的正确性。基于良好的耦合线圈对的设计，本论文还详细阐述了采用 Class E 功率放大器与二极管整流电路所构成的无线能量传输电路，以及基于 13.56M 载频的振幅键控 (ASK)调制与解调电路的具体实现。该系统的设计最终在 PCB 上得以实现，最终实现了
3、100mW-300mW 的能量传输，传输效率在 1cm 的传输距离下可以达到 31.1%，数据传输速率可达 200kbps。该系统的性能已经与国外先进水平相当。为了构成一个完整的可演 示系统，本设计模仿了视网膜假体的应用，用现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)代替数字芯片的功能对传输的数据进行处理，最终实现了一个可以传输图片并通过 VGA 线和电脑显示屏在系统接收端显示出传输图片的演示平台。 关键词： 无线能量数据传输，线圈优化， E 类功率放大器，振幅键控调制 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 THE VERIFICATION AND IMPLEMENTATION OF AN IM
4、PLANTABLE DUAL-BAND WIRELESS POWER AND DATA TRANSMISSION SYSTEM Abstract With the developments of biomedical engineering, bio-implantable electronic devices have been extensively researched for a long time, and some of these devices have been applied clinically, such as cardiac pacemakers, retinal p
5、rostheses and artificial cochleae. In tradition, these implantable devices normally use magnetically coupled coils to achieve power and data transmission wirelessly. Therefore, in this thesis, a wireless power and data transmission systems for bio-implantable devices has been designed. This thesis s
6、tarts from the optimization of coupling coils in wireless transmission systems. Based on FastHenry 3.1 and C language, the coil geometry and spatial parameters are optimized on FreeBSD operating system through simulation, which enhanced the performance of both power transmission efficiency and signa
7、l-to-noise ratio of the data transmission. After that, I verified the correctness of my coil design on printed circuit board (PCB). Based on this design, the thesis also elaborated the design and implementation of a power transmission circuit that consists of a Class-E power amplifier and a diode re
8、ctifier circuit. I also realized a data transmission circuit based on an amplitude shift keying (ASK) modulation and demodulation technique. The final design of the whole transmission system was implemented on PCB, and a 100mW-300mW power transmission was achieved. The power transmission efficiency
9、is about 31.1% at 1cm coil distance, and the data transmission rate can reach 200kbps. In order to construct a complete demo telemetry system mimicking that retinal prosthesis, a Field-Programmable Gate Array (FPGA) is used for data processing, and finally the efficacy of the wireless power and data
10、 telemetry is demonstrated by displaying transmitted pictures on computer monitors. Key word: wireless power and data transmission, coil optimization, Class-E power amplifier, Amplitude Shifting Keying, wireless image transmission 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 第一章 绪论 随着生物电子领域的发展与医疗水平的提高，生物植入电子设备近几年来得到了广泛的研
11、究并且部分设备已经被应用于临床试验 1, 2, 3，比如帮助盲人恢复视力的视网膜假体，帮助失聪患者恢复听觉的人工耳蜗与用于生理监测的无线血糖传感器等。 大部分的生物植入电子设备需要从外部传入所需的能量和数据。一种技术是使用植入电池为体内设备供能，并且采用穿过患者皮肤的导线来实现对体内的 数据传输。但是，在这种技术中，植入体内的电池需要频繁的手术来进行更换，这无疑给患者带来了许多不便，并且植入体内的电池还存在着一定的安全隐患，电池的漏电与破裂甚至会威胁到患者的生命。另一方面，穿过皮肤的数据线也会带来许多不便并且还会造成患者的疼痛。因为这些技术的不足，依靠电磁耦合线圈对的无线能量与数据传输的技术更
12、为可取 4，因其更加方便与安全，并且可以有效地降低患者的不适感。 1.1 无线能量与数据传输研究现状与意义 无线传输系统与传统传输系统相比有易用与安全的优势，但是无线传输系统的传输性能却相对 逊色。无线的能量传输会有部分能量无法被体内的装置接收到而耗散在传输过程中，而无线的数据传输速率通常受到传输带宽的限制，并且十分容易受到能量传输与外界的电磁干扰。这些因素对无线传输系统的设计提出了巨大的挑战。 近年来，对于无线传输系统的研究也越来越火热，这些研究也大多都基于耦合线圈对的结构。比如在文献 5中所实现的线圈对，能量传输效率可以在 1cm 的传输距离下达到 70%；文献6用幅移键控 (ASK)的调
13、制解调方式实现了一个数据传输速率可达 300kbps 的系统。但是现在国内外对于同时传输能量与数据 的系统的研究确相对比较少，而在少数的几个研究成果中，系统性能也不甚理想，如在文献 7中的系统在 1cm 的传输距离下能量传输效率仅有 50%左右。这种同时传输能量与数据的系统的主要设计难点主要在于： 1）如何通过合理的设计线圈对的几何形状来提高系统的传输性能， 2）由于数据与能量是同时传输的，所以如何减小能量传输时对数据造成的串扰是第二个困难点， 3 ）由于传输的能量十分有限（ 100mW-300mW）所以如何利用有限的能量在植入体内的部分完成诸如能量恢复，数据解调等功能也是一大难点。考虑到目前
14、国内外对同时传输 能量与数据系统的研究缺稀与设计实现这种系统的难度，研究与实现一个无线能量与数据传输系统还是十分有必要的。 1.2 无线传输系统的设计目标 本毕业设计的目标是设计一个完整的无线能量与数据传输系统。该系统的目标性能与功能如下： 1）系统可以在 5mm-20mm 内稳定工作 2）能量传输效率达到 50%以上， 3）体内部分接收到的功率达到 100mW 以上， 4）数据传速率达到 1Mbps， 5）在植入体内部分加入 第 1 页 共 50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 可编程逻辑器件 (PLD/CPLD)，并利用传入的数据与能量进行一些简单的数据处理，并测试 PL
15、D/CPLD 输出信号的来验证系统是否正常工作。 1.3 本论文的组织结构 第一章：绪论。概述了该课题的国内外研究现状与本毕设的研究背景和研究意义。并介绍了本毕设的设计目标。 第二章：无线传输耦合线圈组的设计。详细介绍了如何设计本毕设中系统所需的传输线圈组，同时给出了传输线圈的实际测试性能。 第三章：能量传输电路的设计。详细介绍了体外能量发射部分与体内能量接收与恢复部分电路的设计，包括了 Class E 功率放大器的实现 与利用二极管的整流电路。 第四章：数据传输电路的设计。详细介绍了体外数据发射部分与体内数据与时钟恢复部分的电路设计，包括了数据的 ASK 调制与解调，以及用于数字模块的时钟恢
16、复。 第五章：传输系统的性能分析与比较。总结了本毕设所实现的传输系统的具体性能，并将该系统的性能与其他文献中的结果进行了比较。 第六章：图片传输功能的实现。详细介绍了利用现场可编程逻辑门阵列（ FPGA）实现的传输图片的功能。 第七章：电路实物成果展示。展示了最终整个系统的 PCB 电路板，与最终实现的图片传输功能。 第八章：结 论。总结了本次毕业设计的工作。 第 2 页 共 50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 第二章 无线传输耦合线圈的设计 2.1 单频带系统与双频带系统 对于无线传输系统来说，传输性能的好坏很大程度上是由传输耦合线圈来决定的，因此良好的线圈设计对整个无线
17、传输系统来说是至关重要的。通常来说，在无线能量与数据传输系统中有两种不同的线圈实现结构。第一种叫做 “单频带 ”系统，单频带系统通常只使用一对线圈同 时传输能量与数据，之所以称其为 “单频带 ”是因为在这种系统中能量传输载波和数据传输载波的频率相同 8,9，即在这种系统中数据和能量共用一对线圈与载波进行传输，如图 2-1（ a）所示，其中 L1 是能量与数据的发射线圈（体外线圈）， L2 是能量与数据的接收线圈（体内线圈）。第二种结构称作 “双频带 ”系统，双频带系统通常使用两对不同的线圈分别传输能量和数据，而 “双频带 ”的含义是，在这种系统中能量和数据的载波频率不同（通常数据载波的频率高于
18、能量载波频率），即双频带系统通常使用两对不同线圈与不同的载波频率分别传输能 量与数据，如图 2-1（ b）所示， L1， L3 分别是能量与数据的发射线圈（体外线圈）， L2 和 L4 分别是能量与数据的接收线圈（体内线圈），而 fpower 和 fdata 分别是能量与数据传输的载频。 (a) (b) 图 2-1 单频带与双频带线圈结构图 (a)单频带系统 (b)双频带系统 传统的无线能量与数据传输系统是使用单频带线圈结构的，比如论文 10中就用单频带结构实现了一个由体外向体内的传输能量与数据的系统。单频带结构的优势在于线圈占用的面积相对较小，这对 植入体内的设备来说是十分有利的。但是单频带
19、系统的性能有一定的缺陷。在无线传输系统中，对于能量传输我们关注的是它的传输效率，线圈能量传输效率的公式由文献 11中给出，如公式（ 2-1）所示， k 2 Q Q Q 12 1 2 2 （ 2-1） 1 k 2 Q 1 2 Q Q Q 12 1 22 L 其中 k12 表示一对耦合线圈的耦合系数， Q 表示一个线圈的品质因数，其定义如公式（ 2-2）中所示， 第 3 页 共 50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 Q L R 式（ 2-1）中 QL 与 Q2的定义分别如式（ 2-3）与（ 2-4）中所示 11。 Q L p 2 L R L Q Q2 QL 2 Q2 QL （ 2
20、-2） （ 2-3 ） （ 2-4） 式（ 2-3）中 p 是能量传输的载波角频率， L2 是能量接收线圈的电感值， RL 是负载电阻的阻值。 QL 是考虑负载电 阻对能量接收端网络品质因数影响的一个因子， Q2是能量接收端网络的等效品质因数。需要注意的是，在这里式（ 2-3）与文献 11中略有不同，这是因为本论文在验证系统的能量传输效率时，能量接收端采用的是串联谐振模型（详见图 2-5），而非文献 11中的并联谐振模型（详见图 2-2）。 从公式（ 2-1）可以看出，越大的品质因数（ Q）对线圈的能量传输效率越有利。但是数据传输却恰恰相反，通常需要品质因数（ Q）较小的线圈以保证较宽的传输带
21、宽，即传输速率。因此，能量传输和数据传输对线圈设计的要求是截然不同的，考虑到这 一点，只用一对线圈实现的无线传输系统显然无法同时满足能量和数据传输的要求，因此在我们的系统中选用了两对线圈分别传输能量和数据，并且针对能量和数据对传输线圈不同的要求分别做了设计。而之所以采用能量和数据载频不同的 “双频带 ”结构是因为我们考虑到能量传输通常有着较大的幅度因而会对数据传输造成较强的串扰，为了降低这种能量对数据的串扰，我们就需要将能量传输的载波频率远离数据传输链的谐振频率（载波频率）。 2.2 线圈组的结构优化和性能 考虑到双频带结构相对单频带结构的性能优势，本设计采用了两对线圈分别传输能量与数据的双频
22、带线圈结构。该双频带线圈传输系统的示意图如图 2-2 所示。 图 2-2 双频带线圈无线传输系统示意图 第 4 页 共 50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 图 2-2 中， L1 和 L2 分别是能量发射与能量接收线圈，他们构成了能量传输链； L3 和 L4 分别是数据发射与数据接收线圈，他们构成了数据传输链。其中 L1 和 L3 是在体外的部分， 而 L2 与 L4 是植入体内的部分。图中的 R1 ， R2 ， R3 ， R4 分别表示四个线圈的阻性，而 C1 ， C2 ， C3 ， C4 则分别表示四个线圈的谐振电容。我们可以看到，图中的四个线圈每两个之间都有耦合（ M
23、12， M13， M14， M23， M24， M34），而这六对耦合中只有能量传输耦合（ M12）和数据传输耦合（ M34）是我们所需要，剩下的四对耦合则会带来能量与数据之间的串扰，这些串扰会对我们整个线圈组的设计带来很大的困难。 所以在这样的一个线圈组结构中，我们主要需要考虑两个目标： 1） 提高能量传输的效率 2） 尽可能减少能量传输对数据传输的串扰，以提高数据传输的信噪比 本论文中就是基于这两个目的对线圈进行了优化，关于详细的系统优化流程在我之前发 表过的一篇文章 12中有详细的阐述。在本设计中就是采用了文献 12中的双频带传输结构，这种结构的结构图如图 2-3 所示 图 2-3 本设
24、计所采用的双频带传输系统结构图 图 2-3 所示的这种结构的特点是植入部分的能量与数据接收线圈（ L2 和 L4）之间的互感为零，具体的实现方法是在文献 12中所阐述的通过合理调整 L2 和 L4 之间的距离位置来找到两者之间的零耦合点。这种结构的特点就是可 以有效地减小能量传输对数据传输的串扰。利用文献12中的线圈结构，优化流程与仿真工具（ FastHenry 3.1），并且针对本应用的 具体需求，得到了如表 2-1，表 2-2，表 2-3，表 2-4，表 2-5，所示的线圈参数。其中表 2-1 列出了所设计线圈的几何参数，各个参数的具体意义如图 2-4 所示， ro 表示线圈的外半径， r
25、i 表示线圈的内半径， w 表示线圈的导线线宽， s 表示导线间的间距， h 表示线圈导线的厚度， N 表示线圈的匝数。 图 2-4 一个线圈的 几何结构示意图 表示线圈的填充因数，其具体定义见公式（ 2-5） 第 5 页 共 50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 ro ri ro ri表 2-1 线圈的几何参数 （ 2-5） ro (mil) ri (mil) w (mil) s (mil) h (mil) N L1 905 105 10 6 1.4 50 0.78 L2 524 62 8 6 1.4 33 0.77 L3 250 54 8 6 1.4 14 0.613 L
26、4 311 73 8 6 1.4 16 0.59 表 2-2 线圈组空间结构 传输距离 (cm) L2 与 L4 中心距离 (cm) 植入板面积 (cmcm) 1 1.24 3 3 表 2-3 线圈电气参数 工作频率 电感值 交流电阻 串联电阻 品质因数 (MHz) L(H) R () Rs() Q L1 1 50.59 7.945 0 40.01 L2 1 12.86 3.757 0 21.55 L3 13.56 1.347 1.188 10 10.25 L4 13.56 2.487 1.797 10 17.95 表 2-4 线圈耦合系数 k12 k34 k14 k24 0.2198 0.0
27、337 0.055 7.84e-05 表 2-5 系统性能 能量传输效率 SITR 73.44% 145.3 在表 2-3 中有一项参数叫 “串联电阻 ”，这个串联电阻和电感本身具有的 “交流电阻 ”不同，它是人为串联上去的，串联这个电阻的目是为了降低线圈的品质因数（ Q）。在 2.1 节中提到过，在双频带传输系统中，数据线圈通常需要较小的品质因数（ Q）以保证较宽的数据带宽（即数据传输速率），因此本设计在线圈组的设计中人为地分别在两个数据线圈上串联了两 个 10 欧姆的电阻以降低他们的品质因数（ Q）。串联前 L3 与 L4 的品质因数分别为 96.5 与 117.8，对应数据传输的带宽大致
28、为 200kHz;串联后 L3 与 L4 的品质因数如表 2-3 所示，分别为 10.25 与 17.95，对应数据传输的带宽大致为 400kHz。 表 2-5 中显示了设计过程中最重要的两个目标，其中能量传输效率可以直接由式（ 2-1） 与表 2-3 与表 2-4 直接算得。而 SITR（ Signal to the Interference Transfer function Ratio）反映 的是系统的数据传输性能，它的具体定义如公式（ 2-6）所示 13，其中 V1 为能量传输的发射电压， V3 是数据传输的发射电压， V4 是数据传输的接收电压，如图 2-2 所示。 第 6 页 共
29、50 页 双频带无线能量与数据传输的线圈验证与系统实现 V SITR= 4 V 3 j d j d V4 / V1 j j p p （ 2-6） SITR 是一个和信噪比（ SNR）很类似的概念，具体反应的是数据传输的电压增益与能量串扰的增益在数据接收线圈 上的比例，这个值越大表示数据的传输性能越好， “信噪比 ”越高。表 2-5 中 SITR=145.3 就表示数据线圈上接收到的数据信号的增益是能量串扰增益的 145.3 倍，说明这个系统的抗干扰能力还是十分好的。 2.3 线圈性能的实际测试 在 2.2 节给出了通过仿真与理论计算得到的传输线圈组的几何，电气参数以及传输性能。但是仅仅通过仿真
30、还是不够的，在真正将该线圈组使用到整个应用系统之前，还需要进行实际的电路测试。本毕设是将线圈和测试电路印制在印刷电路板（ PCB）上进行的测试，具体的测试方法，过程与讨论将 在本节详细介绍。 2.3.1 能量传输效率的测试 2.3.1.1 能量传输效率的实际测试方法 能量传输效率测量的原理如图 2-5 所示 发射端 接收端 n1 n2 Rs C1 R2 C2 R1 V V3 L1L2 RL V2 1 图 2-5 能量传输效率测量的原理图 具体的测量方法如下： 1. 在初级端人为的串联一个用于测量的电阻 Rs； 2. 将接收端电路移开，单独留下发射端电路； 3. 在发射端电路的 n1 与 n2 两个结点分别接入对地的表笔，并调节电容 C1 的容值，使 得 n1 与 n2 两结点的信号有相同的相位。此时从 n2 结点向右看进去为一个纯阻性网络，即发射端的 C1 与 L1 完全谐振； 4. 将次级端电路取回，使得 L1 与 L2 耦合； 5. 调节 C2 的容值，使得 n1 与 n2 两结点处的信号再次同相位。这时从 n2 结点向右看进去又为一个纯阻性网络，由于此前 L1 与 C1 已经完全谐振，所以此时 L2 与 C2 是完全谐振的； 6. 分别测量 n1 与 n2 点的电压，并分别记两点的对地电压为 V1 和 V3，再测量出负载电阻上的电压 V2； 第 7 页 共 50 页
