应用RFID技术实现医用植入装置的通信

2.1 MLX90121的硬件连接和初始化设置
MLX90121是完全支持ISO 14443和ISO 15693协议的RFID收发集成电路芯片，它还允许用户以“直接模式”进行发送和接收，支持若干非RFID标准的工作模式，因而为扩展应用提供了可能。成功的应用取决于针对MLX90121正确的硬件和软件设计。
在本系统中，MLX90121关键外围电路如图3所示。MLX90121外接13.56 MHz晶振产生射频载波。射频信号经过功率放大后由TX引脚输出，再经过阻抗匹配网络传输到天线线圈；接收信号则经过适当的衰减后由RX引脚输入；芯片内的模拟电路部分实现通信中的调制和解调；其中MOD引脚的电阻将影响ASK调制深度，为了最大限度保持为植入体提供稳定的能量，在保证可靠数据通信的前提下，尽量减小调制度。经过实际测试，系统在10%的调制度下即可正常工作。

MLX90121具备可以直接与DSP接口的数字端口，在DSP的控制下运行。在系统中它与DSP的数字接口线共有5 个。其中MODE和RTB决定MLX90121的当前模式：
MODE/RTB=0/0 配置模式
MODE/RTB=0/1 保留
MODE/RTB=1/0 发射模式
MODE/RTB=1/1 接收模式
CK提供向MLX90121写入数据的时钟，DIN和DOUT则分别为数据的输入和输出。
使用MLX90121的第一步是初始化，这一过程在配置模式下通过写入MLX90121的内部寄存器完成。关键寄存器有3个：
模拟配置寄存器 AnalogConfig 地址0 H
电源状态寄存器 PowerState 地址1 H
数字配置寄存器 DigitalConfig 地址3 H
具体步骤是：首先通过设置MODE/RTB=0/0进入配置模式，而后通过DIN在CK的配合下写入数据，每个数据帧为12 bit，包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置数据[5]。
在本系统的设计中将要使用MLX90121的直接发射和接收模式，而且已经确定了下行通信采用非100%的ASK调制，上行通信采用无副载波的LSK调制，于是对MLX90121的初始化配置如下[5]：
模拟配置寄存器 AnalogConfig=83 H
电源状态寄存器 PowerState=01 H
数字配置寄存器 DigitalConfig=00 H
正确初始化以后，MLX90121即会有13.56 MHz的等幅载波输出。此后如果进入发射模式，通过DIN写入数据即可实现下行通信；若进入接收模式，则接收并经过解调的信号由DOUT输出。
2.2 下行通信
下行通信时，首先通过设置MODE/RTB=1/0使得MLX90121进入发射模式，这时只要保持CK=0，MLX90121便处于直接发送模式，输出的射频信号直接由DIN引脚输入的数据实施ASK调制。调制度由模拟配置寄存器和引脚MOD所连接的电阻共同决定。通信的数据率则完全取决于DSP向DIN写入数据的速度，其上限仅受MLX90121时序和接收端解调电路性能的限制，与RFID的技术标准无关。通过这种方式，大大提高了下行通信的数据率。本系统设计通信速率为678 kb/s，测试结果表明该速率仍有进一步提高的空间。
系统下行通信采用曼彻斯特码，这是因为曼彻斯特码具有0和1码元数量相等的特性，调制后的载波具有稳定的能量；另一方面曼彻斯特码的解码电路非常简单，容易实现。图4是完整的下行通信过程中各阶段的波形示意图。系统对单稳态电路的要求是可以双向触发但不可重复触发，其暂态时间τ满足：T/2≤τ≤T，其中T为一个数据位的宽度。

植入体在接收下行通信数据时，首先需要提取射频信号的包络并整形，整形之后的信号再经过单稳态解码电路恢复原始数据。连续不断的下行数据传送至单片机，单片机根据数据协议解释后执行，控制相关电路完成对耳蜗听觉神经的电流刺激。
2.3 上行通信
上行通信时，首先通过设置MODE/RTB=1/1使得MLX90121进入接收模式，并保持CK=0和DIN=1不变，则在给定的初始化设置下MLX90121处于一种特殊的直接接收模式[6]。此时，MLX90121的TX引脚输出等幅载波，植入体以LSK方式对该载波进行调制，已调载波由MLX90121的RX引脚接收，其内部的模拟前端电路实现对载波信号幅度变化的边缘检测，并在每次载波幅度跳变时在DOUT引脚输出一个窄脉冲，如图5所示。

经过分析发现，MLX90121引脚DOUT的输出脉冲指示了经LSK调制后载波幅度变化边沿的位置，但没有直接解调出调制信号的包络。为了能从解调输出的脉冲流序列中恢复出数据，需要采用某种编码机制。对该编码机制的要求是：无论数据为0还是1，在编码后必须在码内有“跳变”存在，且根据跳变出现的位置间的关系可以确定是0还是1。显然曼彻斯特码可以满足上述要求。它在每个码内都存在一个跳变，只要确定了前一个码元的内容，即可依次根据跳变边缘的时间信息对后续码元做出判决。因此在系统的上行通信中也采用了曼彻斯特编码。
MLX90121是面向RFID标准协议设计的芯片，在扩展应用中会有带宽或码率的限制，从而决定了上行通信的速率。按照给定的初始配置参数，经实际试验发现可以实现稳定“解调”的平均数据率为100 kb/s，能保持稳定的范围约为70～120 kb/s。当数据率变化时，DOUT引脚输出脉冲的宽度也会随之改变，但若超出上述范围，输出脉冲将会重叠或分裂，从而使得输出脉冲的信息发生模糊，无法从中恢复原始数据。为此，本系统设计上行通信的调制速率为100 kb/s。由于采用曼彻斯特编码的缘故，实际有效信息的数据率为50 kb/s。按照上述设计，DOUT引脚输出脉冲之间的间隔只可能出现10 μs和20 μs两种情况。DSP根据这一特征，并结合适当的同步头和数据协议设计，即可通过软件算法解码出原始数据。
植入体的单片机通过ADC获得数据（人工耳蜗所需的监测、测量数据），根据数据协议增加同步头等数据位，再进行曼彻斯特编码形成发送数据帧，最后进行LSK调制。单片机只需通过一个I/O引脚控制的MOS管开关的通断以改变接收线圈回路的负载即可实现LSK调制。
本文以RFID芯片MLX90121为核心设计，实现了人工耳蜗体外语音处理器与植入体之间的半双工高速通信。系统的无线能量传输稳定可靠，下行通信速率为678 kb/s，上行通信速率为100 kb/s。本系统的实现证明了基于商用RFID技术及其器件实现医用植入装置的双向通信是可行的。相对使用ASIC技术的产品，极大地节约了研发成本、缩短了研发周期并且具有很强的可移植性。