ПРОТОКОЛ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ПРИЕМНИКОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
WIRELESS DATA TRANSMISSION PROTOCOL FOR LOW-POWER RECEIVERS

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к офтальмологическим линзам с электропитанием и, более конкретно, к протоколам беспроводной передачи данных для применения в офтальмологических линзах с электропитанием и других устройствах, сверхмалых и ограниченных по мощности.
2. Описание смежной области
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или микроэлектронных устройств с возможностью встраивания для различных областей применения. Такие области применения могут включать в себя мониторинг биохимических процессов в организме, контроль приема доз лекарственных препаратов или лекарственных агентов через различные механизмы, включая автоматические, в ответ на измерения или в ответ на внешние сигналы управления и усиление обменных процессов в органах или тканях. Примеры таких устройств включают в себя инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новой, особенно полезной областью применения являются пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодные для ношения линзы могут включать в себя узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для увеличения или улучшения свойств глаза. В другом примере, с фокусом с возможностью регулирования или без него, пригодная для ношения контактная линза может включать в себя электронные датчики для определения концентраций отдельных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенных в линзы электронных компонентов предполагает потенциальную необходимость передачи данных между электронными устройствами, создания способа обеспечения электронных компонентов энергией и/или ее подзарядки, соединения электронных устройств между собой, восприятия информации от внешних и внутренних датчиков и/или мониторинга и управления электронными компонентами и общей работой линз.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко адаптироваться к меняющимся условиям освещения и передавать сигналы или информацию в мозг со скоростью, превышающей скорость высокоскоростного Интернет-соединения. В настоящее время линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, используют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия, гиперметропия и астигматизм. Однако правильно сконструированные линзы со встроенными дополнительными компонентами можно использовать как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Стандартные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы для коррекции различных проблем со зрением, которые кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в данные полимерные структуры встраивают различные схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства передачи данных, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью выполненных по индивидуальному заказу оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как описано в настоящем документе. Электронные и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способностей к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы позволить пользователю видеть в условиях слабого освещения. Правильная конфигурация электронных компонентов и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. В альтернативном варианте осуществления или в дополнение к любой из данных функций или аналогичных функций контактные линзы могут включать в себя компоненты неинвазивного мониторинга биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзы датчики могут позволять больному диабетом пациенту принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать в себя датчики для мониторинга содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, причем пациенту нет необходимости тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, можно использовать для определения света, падающего на поверхность глаза, для компенсации условий естественного освещения или для определения картины моргания.
Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. По существу по множеству причин затруднительным является производство данных компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности. Также существуют трудности в производстве компонентов в нужном масштабе. Компоненты, которые размещаются на линзе или в ней, необходимо уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером 1,5 квадратного сантиметра с обеспечением защиты компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительным является изготовление контактной линзы, которая будет комфортной и безопасной для пользователя с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Передача данных в офтальмологическом устройстве с электропитанием ставит ряд уникальных проблем. Протоколы беспроводной передачи образуют структуру для передачи данных или информации организованным способом для облегчения эффективной работы одного или обоих из передатчика приемника. Аспекты передачи данных, определяемые протоколом, содержат способ передачи, например, модуляцию несущего сигнала, формат модуляции, структуру сообщений данных и дополнительные данные, отправляемые в целях обеспечения синхронизации приемника и передатчика, а также коррекции ошибок в приемнике.
Протоколы радиочастотной (РЧ) или инфракрасной (ИК) передачи данных предшествующего уровня техники обычно применяются для передачи данных с применением различных форматов цифровой модуляции, таких как манипуляция сдвигом амплитуды (ASK), двухпозиционная манипуляция (OOK), манипуляция сдвигом фазы (PSK) или манипуляция сдвигом частоты (FSK), как хорошо известно специалистам в соответствующей области. Данные протоколы могут применяться для передачи данных между фиксированными передатчиками и приемниками, а также между мобильными или портативными передатчиками или приемниками.
В частности, портативные передатчики и приемники имеют конструкционные ограничения по потребляемой мощности из-за ограниченной емкости аккумуляторов, используемых для питания передающих и приемных схем. Для уменьшения потребляемой мощности в протоколах предшествующего уровня техники предусматривалась прерывистая передача и прием, данные посылались передатчиком только по мере необходимости и без непрерывной передачи несущего сигнала. Приемник может экономить энергию путем периодических включений (пробуждение или стробирование) и поиска передаваемых сигналов.
Протоколы предшествующего уровня техники делятся на две категории, а именно: асинхронные и синхронные. В асинхронных протоколах приемник выполняет поиск передаваемого сигнала и затем синхронизируется с потоком передаваемых данных и декодирует переданное сообщение. В синхронных протоколах приемник поддерживает эталонный сигнал отсчета времени, который синхронизируется с эталонным временем передатчика, часто после успешного асинхронного приема. Соответственно, в определенных протоколах предыдущего уровня техники предусматривается асинхронное управление с последующим переходом к синхронному управлению.
При асинхронном управлении для надлежащего приема данных приемник должен знать, где начинается передача данных. В протоколах предшествующего уровня техники передатчик сначала посылает длинную начальную часть, обычно содержащую простую последовательность нулей и единиц с последующим словом синхронизации, а затем данные. Длина начальной части по меньшей мере равна интервалу пробуждения или стробирования приемника, чтобы приемник всегда мог увидеть начальную часть. Пример асинхронного протокола данного типа представляет собой протокол Post Office Code Standardization Advisory Group (POCSAG). Он используется для передачи информации или данных на пейджеры.
Следовательно, с помощью данного прерывистого приема и передачи протоколы предшествующего уровня техники уменьшают потребление питания как приемником, так и передатчиком. Данные протоколы, в частности, эффективно снижают потребляемую мощность передатчика, что важно для портативных пультов дистанционного управления, питающихся от аккумуляторов, и маленьких приемопередатчиков для беспроводных датчиков.
Однако в случае сверхмалых и/или ограниченных по потребляемой мощности приемников протоколы предыдущего уровня техники имеют ряд недостатков. Например, при обнаружении начальной части приемник должен оставаться включенным в среднем в течение половины длительности начальной части или интервала стробирования, чтобы дождаться слова синхронизации и данных. Во многих системах длина передаваемых данных может быть значительно меньше интервала стробирования, что означает, что период ожидания создает значительную нагрузку. Также небольшие аккумуляторы, как правило, имеют высокое сопротивление потерь, и ток приемника может быть достаточно высок, чтобы вызывать заметный перепад напряжения в аккумуляторе. Для компенсации может потребоваться дополнительный развязывающий конденсатор, служащий накопителем заряда для уменьшения перепада напряжения, и результатом является повышение стоимости, увеличение сложности и рост площади и объема приемника. В результате, в системах сверхмалой мощности, как правило, применяются очень простые способы модуляции, такие как ASK или OOK, для уменьшения сложности и потребляемой мощности приемника. Для данных детекторов с амплитудной модуляцией существует вероятность ложного определения характерной для начальной части последовательности нулей и единиц при шуме в канале передачи, в результате чего приемник дольше остается во включенном состоянии при отсутствии реальной передачи.
Синхронные протоколы имеют некоторые преимущества по сравнению с асинхронными протоколами, поскольку приемник не требует декодировать длинную начальную часть асинхронного протокола. После синхронизации приемник может включаться или пробуждаться непосредственно перед словом синхронизации передачи, в результате, уменьшается время пребывания приемника во включенном состоянии. Однако для того, чтобы можно было использовать длительные периоды в выключенном состоянии, приемник и передатчик должны поддерживать точный отсчет времени без смещений или с малым смещением с течением времени или при изменении условий среды. Как правило, для этого требуется применять керамический резонатор или осциллятор на основе кристаллов кварца, что увеличивает размеры и стоимость приемника, а также потребляемый им ток.
Соответственно, существует потребность в протоколе беспроводной передачи данных, позволяющем применять приемники со сверхнизкой потребляемой мощностью, сверхмалого размера или объема посредством уменьшения необходимого времени пребывания приемника во включенном состоянии.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Протокол беспроводной передачи данных для маломощных приемников в соответствии с настоящим изобретением позволяет преодолеть ограничения, характерные для существующих протоколов передачи данных, коротко описанные выше.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к способу беспроводной передачи данных. Способ содержит этап формирования кадра сообщения, причем кадр сообщения включает в себя слово синхронизации, адресное слово и слово данных, этап периодической передачи кадра сообщения беспроводным передатчиком с минимальной длительностью передачи; этап периодического поиска в приемнике заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения, причем длительность каждого поиска синхронизации по меньшей мере равна длине кадра сообщения плюс длине одного слова синхронизации минус один символ, этап определения в приемнике того, включает ли переданный кадр сообщения слово синхронизации, соответствующее заданному слову синхронизации, и этап декодирования в приемнике переданного кадра сообщения только при обнаружении заданного слова синхронизации.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к способу беспроводной передачи данных. Способ содержит этап формирования кадра сообщения, причем кадр сообщения включает в себя слово синхронизации и слово данных, этап периодической передачи кадра сообщения беспроводным передатчиком с минимальной длительностью передачи; этап периодического поиска в приемнике заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения, причем длительность каждого синхронизационного поиска по меньшей мере равна длине кадра сообщения плюс длина одного слова синхронизации минус один символ; этап определения в приемнике того, включает ли переданный кадр сообщения слово синхронизации, соответствующее заданному слову синхронизации, и этап декодирования в приемнике переданного кадра сообщения только при обнаружении заданного слова синхронизации.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к системе беспроводной связи. Система содержит передатчик, включающий схему передатчика и схему кодирования, причем схема кодирования выполнена с возможностью формирования кадра сообщения, имеющего по меньшей мере слово синхронизации и слово данных, и причем передатчик выполнен с возможностью периодической передачи кадра сообщения с минимальной длительностью передачи, а также канал передачи и приемник, включающий схему приемника и схему декодирования, причем схема декодирования выполнена с возможностью периодического поиска заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения, причем длительность каждого синхронизационного поиска по меньшей мере равна длине кадра сообщения плюс длина одного слова синхронизации минус один символ, причем период поиска заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения меньше минимальной длительности передачи.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к беспроводному передатчику. Беспроводной передатчик содержит схему кодирования, причем схема кодирования выполнена с возможностью формирования кадра сообщения, имеющего по меньшей мере слово синхронизации и слово данных, а также схему передатчика, выполненную с возможностью периодической передачи кадра сообщения с минимальной длительностью передачи по каналу передачи.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к беспроводному приемнику. Беспроводной приемник содержит схему декодирования, причем схема декодирования выполнена с возможностью периодического поиска заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения, причем длительность каждого синхронизационного поиска по меньшей мере равна длине кадра сообщения плюс длина одного слова синхронизации минус один символ, причем период поиска заданного слова синхронизации в переданном кадре сообщения меньше минимальной длительности передачи, а также схему приема для приема сообщения, переданного по каналу передачи.
Цифровая система передачи содержит ряд элементов, которые в процессе осуществления могут принимать любую из ряда форм. Цифровая система передачи по существу содержит источник информации, устройство кодирования источника, устройство кодирования канала, цифровой модулятор, канал, цифровой демодулятор, устройство декодирования канала и устройство декодирования источника.
Источник информации может содержать любое устройство, генерирующее информацию и/или данные, требуемые для другого устройства или системы. Источник может быть аналоговым или цифровым. Если источник является аналоговым, его выходной сигнал преобразуется в цифровой сигнал, представляющий собой строку двоичных данных. В устройстве кодирования источника используется процесс эффективного преобразования сигнала источника в последовательность двоичных цифр. Затем от устройства кодирования источника информация передается в устройство кодирования канала, где в двоичную последовательность информации вводится избыточность. Данную избыточность можно использовать в приемнике для компенсации влияния шума, помех и т.п., обнаруживающихся в канале. Затем двоичная последовательность передается в цифровой модулятор, который, в свою очередь, преобразует последовательность в аналоговые электрические сигналы для передачи по каналу. По существу цифровой модулятор преобразует двоичные последовательности в колебательные сигналы или символы. Каждый символ может представлять значение одного или более бит. Цифровой модулятор может модулировать фазу, частоту или амплитуду высокочастотного несущего сигнала, подходящего для передачи по каналу. Канал представляет собой носитель, по которому проходят колебательные сигналы, и он может вносить помехи или другие искажения в колебательный сигнал. В беспроводной системе передачи канал представляет собой атмосферу. Цифровой демодулятор принимает искаженный в канале колебательный сигнал, обрабатывает его и сводит колебательный сигнал к последовательности цифр, которые максимально близко представляют переданные символы данных. Устройство декодирования канала реконструирует исходную последовательность информации на основе сведений о коде, который используется устройством кодирования канала, и избыточности принятых данных. Устройство декодирования источника декодирует последовательность на основе сведений об алгоритме кодирования, причем его выходной сигнал представляет информационный сигнал источника.
Необходимо отметить, что описанные выше элементы могут быть реализованы аппаратно, программно или в виде комбинации аппаратной и программной частей. Кроме того, канал передачи может содержать любой тип канала, включая каналы проводной и беспроводной связи. При использовании беспроводной связи канал может быть выполнен с возможностью работать с высокочастотными электромагнитными сигналами, низкочастотными электромагнитными сигналами, сигналами в видимом световом диапазоне и инфракрасном диапазоне.
Протокол для системы беспроводной связи в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для передачи данных между передатчиком и приемником по любому типу канала передачи данных. Протокол беспроводной передачи предназначен для уменьшения времени пребывания приемника в активном состоянии, что, в свою очередь, снижает потребление питания, уменьшает перепад напряжения на аккумуляторах и/или уменьшает размер и стоимость компонентов. Протокол беспроводной передачи также позволяет уменьшить сложность и размеры приемника. В методологии, использованной в протоколе, применяется уникальный кадр сообщения в сочетании с повторными передачами и периодическим поиском в приемнике.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описанные выше и другие элементы и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего, более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых чертежей.
На фигуре 1 представлен пример структуры кадра в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 2 представлены символы манчестерского кодирования для 0 и 1 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 3 представлен опрос при манчестерском кодировании, номинальная скорость опроса и точек в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 4 представлены точки опроса при манчестерском кодировании в наихудшем варианте для приемника, который работает на пятнадцать процентов быстрее передатчика.
На фигуре 5 представлены точки опроса при манчестерском кодировании в наихудшем варианте для приемника, который работает на пятнадцать процентов медленнее передатчика.
На фигуре 6 представлена блок-схема примера системы передачи данных в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к протоколу беспроводной передачи данных, для реализации которого требуется меньше энергии, что позволяет снизить требования, предъявляемые к соответствующим приемникам в плане потребления энергии или емкости и уменьшения площади и объема по сравнению с системами предшествующего уровня техники. Данный протокол передачи данных, в частности, благоприятен для сверхмалых портативных устройств, таких как устройства, которые могут использоваться в медицинских устройствах, включая офтальмологические линзы с электропитанием. Хотя описанный в настоящем документе продукт передачи данных может использоваться с любой системой приема и передачи, он может быть особенно благоприятен для сверхмалых систем с ограниченными ресурсами питания. Соответственно, описание протокола беспроводной передачи данных будет приводиться, где необходимо, применительно к офтальмологическим линзам с электропитанием, которые могут содержать систему беспроводной связи, как описано в настоящем документе.
Стандартные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретных форм для коррекции различных проблем со зрением, которые кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в данные полимерные структуры встраивают различные схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства передачи данных, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью выполненных по индивидуальному заказу оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительных функциональных возможностей, как описано в настоящем документе. Электронные и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способностей к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы позволить пользователю видеть в условиях слабого освещения. Правильная конфигурация электронных компонентов и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. В альтернативном варианте осуществления или в дополнение к любой из данных функций или аналогичных функций контактные линзы могут включать в себя компоненты неинвазивного мониторинга биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзы датчики могут позволять больному диабетом пациенту принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать в себя датчики для мониторинга содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, причем пациенту нет необходимости тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для определения света, падающего на поверхность глаза, для компенсации условий естественного освещения или определения картины моргания. Учитывая функциональность, описанную в настоящем документе, даже наименее сложная линза с электропитанием или офтальмологическое устройство будут нуждаться в системе передачи данных и содержать ее. Данная система передачи данных предпочтительно отличается малым размером и обладает минимальным энергопотреблением.
Соответственно, протокол передачи данных, составляющий предмет настоящего изобретения, может использоваться в комбинации с контактной линзой, содержащей электронную систему, приводящую в действие оптику с переменным фокусом. Электронная система включает в себя один или более аккумуляторов или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, управляющие алгоритмы и схему, схему привода линзы и схему передачи данных. Схема передачи данных может содержать схему как для передачи, так и для приема данных/информации, и поэтому существует потребность в протоколе беспроводной передачи данных.
Цифровая система передачи данных содержит ряд базовых элементов, которые в процессе физической реализации могут принимать любое количество форм. Источник информации может содержать любое устройство, генерирующее информацию и/или данные, требуемые для другого устройства или системы. Источник может быть аналоговым или цифровым. Если источник является аналоговым, его выходной сигнал преобразуется в цифровой сигнал, представляющий собой строку двоичных данных. В любой системе цифровой передачи данных необходимым является использование для представления оригинального сигнала как можно меньшего количества двоичных цифр. Кодирование источника представляет собой процесс эффективного преобразования сигнала в последовательность двоичных цифр. Соответственно, для выполнения данной функции используется устройство кодирования источника. Затем от устройства кодирования источника информация передается в устройство кодирования канала, где в двоичную информационную последовательность вводится избыточность. Данную избыточность можно использовать в приемнике для компенсации влияния шума, помех и т.п., обнаруживающихся в канале. Затем двоичную последовательность передают в цифровой модулятор, который, в свою очередь, преобразует последовательность в электрические сигналы для передачи по каналу. Иными словами, цифровой модулятор преобразует двоичные последовательности в колебательные сигналы или символы. Каждый символ может представлять значение одного или более бит. Цифровой модулятор может модулировать фазу, частоту или амплитуду высокочастотного несущего сигнала, подходящего для передачи по каналу. Канал представляет собой носитель, по которому проходят колебательные сигналы, и он может вносить помехи или другие искажения в колебательный сигнал. В беспроводной системе канал представляет собой атмосферу. Цифровой демодулятор принимает искаженный в канале колебательный сигнал, обрабатывает его и сводит колебательный сигнал к последовательности цифр, которые максимально близко представляют переданные символы данных. Устройство декодирования канала реконструирует исходную информационную последовательность на основе сведений о коде, который используется устройством кодирования канала, и избыточности принятых данных. Устройство декодирования источника декодирует последовательность на основании сведений об алгоритме кодирования, причем его выходной сигнал представляет информационный сигнал источника. Ниже последовательно представлена подробная информация о каждой функции. Необходимо отметить, что описанные выше элементы могут быть реализованы аппаратно, программно или в виде комбинации одной или обеих из аппаратной и программной частей. Кроме этого, канал передачи данных может представлять собой канал пропускания высокочастотных электромагнитных волн, низкочастотную электромагнитную связь, канал пропускания электромагнитных волн диапазона видимого света и канал пропускания электромагнитных волн диапазона инфракрасного света.
rx_strobe
tx
rx_strobe
Синхронизация кадров представляет собой процесс, в ходе которого идентифицируются и отделяются от данных входящие сигналы синхронизации кадра, например, отдельный символ или битовая последовательность, что позволяет извлечь данные из потока кадрированных данных и декодировать и/или снова передать их. На фигуре 1 представлена структура кадра в соответствии с настоящим изобретением. Структура кадра позволяет получить кадр сообщения, содержащий передаваемое слово синхронизации, sync, и слово данных. В некоторых примерах осуществления слово данных может содержать адрес предполагаемого устройства-приемника, addr, и слово команды, cmd, предоставляющее инструкцию или информацию для приемника. В некоторых примерах осуществления слово данных может содержать адрес требуемого регистра для модификации в приемнике и новое значение данных для регистра. Вместо длинной начальной части, в течение которой приемник должен ожидать передачи данных, слова sync, addr и cmd посылаются многократно в течение всего интервала кадра. Затем приемник может быть включен только в течение времени, необходимого для обнаружения слова sync и декодирования адреса и команды. Поскольку слова sync, addr и cmd, как правило, намного короче интервала стробирования приемника, T, время пребывания приемника во включенном состоянии и среднее потребление энергии значительно снижаются по сравнению с асинхронными протоколами передачи данных предшествующего уровня техники. Как показано на фигуре, время передачи T по установкам значительно больше интервала стробирования приемника T.
Поскольку приемник может начать декодировать переданные данные в любой указанный момент, слово синхронизации, sync, должно определяться однозначно. В протоколах передачи данных предшествующего уровня техники используются блочные коды, т.е. коды коррекции ошибок, которые кодируют данные блоками с кодовыми словами, например, допустимыми словами sync, addr и cmd или другими данными сообщения, которые не являются уникальными при смещении и/или повороте влево или вправо. При применении данного типа кодирования возможно ложное обнаружение слова синхронизации при его смещении в пределах кадра.
В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения в качестве слов синхронизации может быть выбран ортогональный циклический код, такой как код Голда или кодовая последовательность Голда, которая является уникальной независимо от смещения или начальной точки декодирования относительно других кодовых последовательностей Голда той же длины. В данном примере осуществления адресное слово и слово команды также выбираются или ограничиваются таким образом, чтобы кадр сообщения не совпадал со словом синхронизации ни при каких сдвигах. В альтернативном примере осуществления допустимый список или кодовая книга адресного слова и слова команды может выбираться таким образом, чтобы свести к минимуму корреляцию адресного слова и слова команды со словом синхронизации, что может характеризоваться кросс-корреляцией или расстоянием Хэмминга, как известно специалистам в соответствующей области. В другом альтернативном примере осуществления набор адресного слова и слова команды может выбираться только из набора кодов Голда или последовательностей Голда, чтобы минимизировать кросс-корреляцию со словом синхронизации.
m
(m+1)/2
(m+2)/2
Процесс генерации кодов или последовательностей Голда известен специалистам в соответствующей области. Коды или последовательности Голда генерируются двумя генераторами псевдослучайных последовательностей с предпочтительными многочленами. Предпочтительные многочлены представляют собой многочлены, приводящие к созданию последовательностей максимальной длины (m-последовательности, длина = 2-1), и многочлены, имеющие значения кросс-корреляции {1, t, -t}, где t=2+1 или 2+1 для нечетных и четных m. Коды Голда доступны только для определенных длин, что ограничивает их применение относительно короткими кодовыми словами. Необходимо отметить, что хотя коды Голда могут обладать наилучшими кросс-корреляционными характеристиками, могут использоваться и другие кодовые слова, имеющие достаточно большие расстояния до кодов Голда. Соответственно, в другом примере осуществления данные другие кодовые слова с хорошей (низкой) кросс-корреляцией могут применяться для адресов и команд устройства, тогда как коды Голда могут использоваться в качестве слов синхронизации.
24
3
m
В другом альтернативном примере осуществления слово синхронизации, адресное слово и слово команды могут выбираться, как указано в процессе, описанном ниже. На первом этапе примера процесса выбирается длина адреса, LA, для обеспечения количества уникальных адресов, превышающее необходимое количество для конкретной области применения. Например, для конкретной области применения могут быть необходимы пятнадцать (15) миллионов адресов. Соответственно, для пятнадцати (15) миллионов адресов необходимая длина адреса составляет двадцать четыре (24) бита, поскольку двадцать четыре бита дают более шестнадцати (16) миллионов уникальных адресов (2=16 777 216), и двадцать три (23) бита дают только восемь (8) миллионов адресов. На втором этапе примера процесса выбирается длина команды, LC, для обеспечения необходимого количества уникальных команд. Например, для конкретной области применения могут быть необходимы восемь (8) команд. Соответственно, для восьми (8) команд требуемая длина команды составляет три (3) бита, поскольку три бита дают восемь (8) команд (2=8). На третьем этапе примера процесса выбирается слово синхронизации из набора кодов Голда с длиной, близкой к суммарной длине адресного слова и слова команды. Длина слова для кода Голда составляет 2-1; соответственно, при m=1 длина слова составляет один (1) бит, при m=2 длина слова составляет три (3) бита, при m=3 длина слова составляет семь (7) бит, при m=4 длина слова составляет пятнадцать (15) бит, и при m=5 длина слова составляет тридцать один (31) бит. Чем длиннее слово синхронизации, тем меньше количество комбинаций синхронизация + адрес + команда, которые будут содержать совпадение со словом синхронизации при каком-либо смещении. Соответственно, из списка допустимых адресов удаляется любой адрес, приводящий к совпадениям при каких-либо значениях смещения; однако данный способ выбора является компромиссом между общей длиной сообщения (и соответствующего времени пребывания приемника во включенном состоянии) и общим количеством оставшихся адресов. В данном примере длина слова синхронизации в пятнадцать (15) бит достаточно хороша, чтобы сохранить большинство возможных адресов, как более подробно описано ниже. Также при использовании для слова синхронизации формата символов без возвращения к нулю (NRZ) по существу благоприятным является использование для символов среднего значения 0,5. Это может позволить определить пороговое значение на компараторе в той части приемника, которая связана с обработкой сигнала. В вариантах осуществления, в которых используется манчестерское кодирование, где для каждого символа обеспечивается среднее значение 0,5, это не столь важно. Соответственно, в данном примере выбрано слово в пятнадцать (15) бит синхронизации 100110010101101, содержащее восемь 1 и семь 0 для среднего значения 0,533. На четвертом и последнем этапе примера процесса определяется пригодный для использования набор адресов посредством формирования всех возможных последовательностей слова синхронизации, адресного слова и слова команды, определения возможных замеров последовательностей длиной LS, для чего берут части последовательности синхронизация + адрес + команда + синхронизационная последовательность минус один символ, начиная от каждого возможного смещения, и удаляют адреса, имеющие высокую корреляцию, например, полное совпадение или малое расстояние Хэмминга до слова синхронизации при некоторых смещениях. В данном примере, в котором используется длина адреса двадцать четыре (24) бита, длина команды три (3) бита и код Голда из пятнадцати (15) бит 100110010101101, реализация поиска четвертого этапа примера процесса дает 69 632 адреса из 16 777 216 возможных адресов, которые дают совпадения со словом синхронизации при некоторых смещениях. Таким образом, из набора возможных адресов необходимо убрать только относительно небольшую их часть.
Необходимо отметить, что специалистам в соответствующей области будет понятно, что слово синхронизации может быть выбрано любым подходящим способом, включая использование генератора случайных чисел и адресного слова и слова команды, выбранных таким образом, чтобы избежать высокой корреляции. Также необходимо отметить, что длина слова синхронизации, адресного слова и слова команды может выбираться с учетом потребностей конкретной системы. Например, в системе, где требуется лишь небольшое количество приемников, можно использовать очень малую длину слова, чтобы минимизировать время пребывания приемника во включенном состоянии. Аналогичным образом намного более длинное слово синхронизации, адресное слово и слово команды можно выбирать для работы с большим количеством пользователей или команд.
Модуляция представляет собой способ добавления сигнала-сообщения к некоторой форме несущего сигнала. Иными словами, при модуляции одно или более свойств высокочастотного периодического колебательного несущего сигнала меняется под воздействием модулирующего сигнала, содержащего данные или информацию, которую необходимо передать. Существуют аналоговые способы модуляции, включая амплитудную модуляцию, частотную модуляцию и фазовую модуляцию, и цифровые способы модуляции, включая манипуляцию с фазовым сдвигом, манипуляцию с частотным сдвигом, манипуляцию с амплитудным сдвигом и квадратурную амплитудную манипуляцию. Поскольку настоящее изобретение представляет собой цифровую систему, можно применять способы цифровой модуляции, указанные в настоящем документе. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения можно использовать двухпозиционную манипуляцию амплитудой несущего сигнала. Несущий сигнал может представлять собой радиочастотный электромагнитный сигнал или сигнал диапазона видимого или инфракрасного света, такой как испускаемый светодиодом. Модулированный сигнал передается, детектируется и демодулируется на другом конце канала передачи данных, а именно - в приемнике. По существу методики модуляции определяют включение информационного сигнала в несущий сигнал, но они не связаны с тем, как из данных или информации, которую необходимо передать, создается информационный сигнал. Кодирование представляет собой методику, при помощи которой из данных или информации, которую необходимо передать, генерируется сообщение или информационный сигнал. Методики кодирования включают в себя кодирование NRZ, двухфазное кодирование и манчестерское кодирование. Кодирование можно рассматривать как дополнительную функцию цифрового модулятора.
Манчестерское кодирование представляет собой распространенную методику кодирования данных. Манчестерское кодирование предусматривает добавление к данным или информации таймера скорости передачи данных, которые используются на приемном конце канала передачи данных. Манчестерское кодирование представляет собой процесс добавления к сигналу сообщения корректных переходов в зависимости от данных или информации, которую необходимо передать по каналу передачи данных.
В следующем описании используется ряд стандартных определений. «Символ» представляет собой одну единицу информации, пересылаемую по каналу передачи данных. Значение символа определяется в настоящем изобретении значениями напряжения на канале передачи данных в разные моменты времени. «Длительность символа» представляет собой просто продолжительность символа. «Скорость символа» представляет собой величину, обратную длительности символа, выраженную в символах в секунду. Каждый символ может представлять один бит потока двоичных данных или многобитовое значение. В символах манчестерского кодирования существуют два возможных уровня напряжения - высокий и низкий, и каждый символ содержит один уровень напряжения в первой половине длительности символа и другой уровень напряжения во второй половине длительности символа. В соответствии с настоящим изобретением подразумевается, что значение символа определяется уровнем напряжения в первой половине длительности символа. Более подробно это описано ниже. Данные манчестерского кодирования всегда содержат переход в середине символа, даже если значения символов постоянны в течение длительного времени или если они меняются. Кроме того, может отсутствовать переход уровней сигналов от конца одного символа к началу следующего, например, переход от символа 0 к символу 1 будет иметь высокий уровень напряжения в конце символа 0 и в начале символа 1, но обязательно присутствует переход в середине символа. «Замер» представляет собой записанное или зарегистрированное значение в определенный момент времени или в течение небольшого временного окна. В соответствии с настоящим изобретением входящий сигнал периодически замеряется (опрашивается), и по значению каждого замера определяется значение текущего символа. Скорость периодического опроса называется «скоростью опроса». В манчестерском кодировании входящий сигнал «опрашивается с запасом», т.е. используемая скорость опроса больше скорости символов по меньшей мере в 2 раза. В настоящем изобретении используется восьмикратная скорость опроса с запасом. Поскольку значение символа определяется уровнем напряжения в первой половине длительности символа, опросы требуется проводить только в первой половине длительности символа. Соответственно, опрос можно остановить для экономии питания на определенное конечное время.
В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения применяется манчестерское кодирование. В манчестерском кодировании передаваемые символы делятся на две части, одна из которых имеет значение 0, а другая имеет значение 1. Например, если первая половина символа имеет значение 0, а вторая половина имеет значение 1, то это соответствует символу 0, а если первая половина символа имеет значение 1, а вторая половина имеет значение 0, то это соответствует символу 1. Таким образом, в середине каждого передаваемого символа имеется переход или граница, и данные переходы могут быть зарегистрированы в каждом символе независимо от последовательности передаваемых битов данных или символов. На фигуре 2 показаны символы манчестерского кодирования, соответствующие 0 и 1, используемые в сочетании с настоящим изобретением.
Как известно специалистам в соответствующей области, приемник может опрашивать с запасом передаваемые символы данных с восьмикратной (8) или шестнадцатикратной (16) скоростью, определяя переход в середине символа. При помощи результатов подсчета количества интервалов опроса между последовательно идущими символами приемник может корректировать точки замеров для синхронизации с потоком передаваемых данных. Другое преимущество манчестерского кодирования заключается в том, что каждый символ имеет среднее значение 0,5, что позволяет использовать любое кодовое слово, сохраняя при этом среднее значение 0,5 для передаваемых данных. Это позволяет упростить корректировку или отслеживание порогового значения при детектировании данных на компараторе в приемнике. Для манчестерского кодирования необходимо проводить по меньшей мере четыре замера на символ, и скорость передачи данных при указанной пропускной способности вдвое меньше той, которая обеспечивается кодировкой NRZ, что может быть недостатком.
Декодирование данных манчестерского кодирования может быть реализовано в приемнике с использованием следующего процесса. Следующий пример процесса представляет собой способ опроса и поддержания синхронизации с потоком символов в манчестерском кодировании. В данном примере процесса предполагается, что приемник проводит опрос с запасом с восьмикратной скоростью, т.е. восемь (8) замеров на символ или четыре (4) замера на половину символа. На первом этапе примера процесса производится замер сигнала, пока в данных не будет найден переход или граница. На втором этапе примера процесса определяется, можно ли синхронизировать или совместить по фазе входящий сигнал с таймером, используемым для определения времени проведения замеров. Сначала последовательно опрашиваемые значения проверяются на обнаружение перехода от 1 к 0 или от 0 к 1. Если обнаруживается переход, предполагается, что это может быть переход в середине символа. Если это действительно переход в середине символа, дополнительные замеры в течение определенного периода времени затем не проводятся. По существу можно перескочить от перехода в середине символа к тому замеру, который должен находиться в середине следующей «первой половины длительности символа». Данная точка находится на ¾ символа позже или на шесть (6) замеров позже при восьмикратной скорости опроса с запасом. На третьем этапе примера процесса первые два этапа повторяются до тех пор, пока не пройдет достаточно времени, чтобы удостовериться, что приемник миновал наиболее длинный допустимый период последовательных символов 1. В данной точке переходы данных будут точно синхронизированы с 0-битами, причем
a. 00 -> _-_-_- … это «ложные» границы между символами;
b. 01 -> _--_ … это границы-переходы в середине символов;
c. 10 -> -__- … это границы-переходы в середине символов; и
d. 11 -> -_-_ … это «ложные» границы между символами.
На четвертом этапе примера процесса производится опрос сигнала, пока в данных не будет найден переход данных или граница. На пятом этапе примера процесса повторяется методология второго этапа, чтобы снова определить, можно ли синхронизировать или совместить по фазе входящий сигнал с таймером, используемым для определения времени проведения замеров. На шестом и последнем этапе примера процесса повторяется четвертый и пятый этапы, пока не будет собрано необходимое количество замеров.
Пример процесса, описанный ниже, представляет собой способ определения и декодирования всего сообщения, состоящего из множества символов, связанных друг с другом. Декодирование символов манчестерского кодирования для примера процесса, описанного выше, происходит на каждом этапе примера процесса, описанного ниже. Пример процесса реализуется в приемнике. На первом этапе примера процесса приемник начинает с состояния IDLE (бездействие) и ожидает включения. После включения приемник переходит в состояние INITIAL (начальное). На втором этапе примера процесса приемник входит в состояние INITIAL. В состоянии INITIAL приемник принимает или записывает достаточное количество замеров, чтобы опрос был синхронизирован с потоком данных манчестерского кодирования (первые три этапа описанного выше примера процесса). Здесь может потребоваться дополнительное время стабилизации для аналоговых схем или порогов сравнения. Затем приемник переходит в следующее состояние, а именно SYNCHRONIZATION SEARCH (поиск слова синхронизации). На следующем этапе приемник входит в состояние SYNCHRONIZATION SEARCH. Если слово синхронизации не обнаруживается после LS+LA+LC+1 символов, то приемник переходит в состояние END (конец). Однако, если слово синхронизации найдено, приемник переходит в состояние ADDRESS SEARCH (поиск адресного слова). На четвертом этапе примера процесса приемник входит в состояние ADDRESS SEARCH. Если допустимый адрес не обнаруживается, приемник переходит в состояние END. Однако, если допустимый адрес найден, приемник переходит в состояние COMMAND SEARCH (поиск слова команды). На пятом этапе примера процесса приемник входит в состояние COMMAND SEARCH. Если допустимая команда найдена, устанавливается флаг, предупреждающий систему о том, какая команда обнаружена, и приемник переходит в состояние END. На шестом и последнем этапе примера процесса приемник входит в состояние END. После отключения приемника машина состояний приемника входит в состояние IDLE, ожидая повторного включения и повторения процесса. На фигуре 3 показаны ожидаемые точки опроса данных и восходящая граница или граница в середине символа.
Поскольку при использовании манчестерского кодирования эталонное время опроса в приемнике эффективно обновляется при каждом переходе в середине символа, также существует возможность реализовать приемник без обнаружения частоты, если разница в частоте между передатчиком и приемником меньше приблизительно+/- пятнадцати (15) процентов. Это позволяет использовать в приемниках упрощенные счетчики времени, такие как RC-генераторы, что тем самым дает возможность уменьшить или существенно снизить сложность, объем и токовые утечки по сравнению с использованием керамических резонаторов или осцилляторов на кварцевых кристаллах. Полученные в данных случаях точки опроса для худшего варианта показаны на фигурах 4 и 5. В альтернативных примерах осуществления настоящего изобретения частота тактового генератора или счетчика времени приемника может корректироваться для обеспечения синхронизации с частотой передачи символов.
Синхронизация частот и декодирование манчестерского кодирования могут быть реализованы с использованием следующего примера процесса. На первом этапе примера процесса производится опрос сигнала, пока в данных не будет найден переход или граница. На втором этапе примера процесса определяется, можно ли синхронизировать или совместить по фазе входящий сигнал с таймером, используемым для определения времени проведения замеров. Сначала последовательно опрашиваемые значения проверяются на обнаружение перехода от 1 к 0 или от 0 к 1. Если обнаруживается переход, предполагается, что это может быть переход в середине символа. Если это действительно переход в середине символа, дополнительные замеры в течение определенного периода времени затем не проводятся. Иными словами, можно перескочить от перехода в середине символа к тому замеру, который должен находиться в середине следующей «первой половины длительности символа». Данная точка находится на ¾ символа позже или на шесть (6) замеров позже при восьмикратной скорости опроса с запасом. На третьем этапе примера процесса первые два этапа повторяются дважды, чтобы точно определить символы данных. На четвертом этапе примера процесса счетчик замеров сбрасывается в ноль, и опрос выполняется до обнаружения перехода или границы в данных. Если значение счетчика замеров меньше целевого количества замеров до перехода, частота таймера опросов приемника увеличивается. Если значение счетчика замеров больше целевого количества замеров до перехода, частота таймера опросов приемника уменьшается. На пятом этапе примера процесса повторяется методология второго этапа. На шестом этапе примера процесса повторяются четвертый и пятый этапы до тех пор, пока не пройдет достаточно времени, чтобы удостовериться, что приемник миновал наиболее длинный допустимый период последовательных символов 1. На седьмом этапе примера процесса счетчик замеров сбрасывается в ноль, и производятся замеры сигнала до обнаружения перехода или границы в данных. Если значение счетчика замеров меньше целевого количества замеров до перехода, частота таймера опросов приемника может необязательно увеличиваться, а если значение счетчика замеров больше целевого количества замеров до перехода, частота таймера опросов приемника может уменьшаться. На восьмом этапе примера процесса повторяется методология второго этапа. На девятом и последнем этапе примера процесса повторяются седьмой и восьмой этапы, пока не будет собрано необходимое количество замеров.
Необходимо отметить, что, как и для всех протоколов, при применении более длинного слова синхронизации и адресного слова увеличивается порог успешного обнаружения и, следовательно, уменьшается доля ошибок.
Как описано выше, протокол передачи данных в соответствии с настоящим изобретением можно использовать с любым типом системы передачи данных, но особенно он благоприятен в случаях, где важную роль играет размер и мощность. Одна такая система представляет собой контактную линзу с электропитанием, включающую систему передачи данных. На фигуре 6 показан пример передатчика и пример узла оптической линзы, содержащего приемник. Как показано на фигуре, вся система 600 содержит управляющий передатчик 602 и узел оптической линзы 604. Управляющий передатчик 602 может содержать антенну 606, схему передатчика 608, аккумулятор 610 и интерфейс пользователя 612. Интерфейс пользователя 612 может представлять собой любой подходящий интерфейс, и он может быть необязательным компонентом системы. Антенна 606 также может представлять собой любое подходящее устройство. Аккумулятор 610 также может содержать любое подходящее устройство, включая перезаряжаемые аккумуляторы, неперезаряжаемые аккумуляторы, один или более конденсаторов и источник питания, который работает с адаптером переменного тока. Интерфейс пользователя 612 соединен со схемой передатчика 608 и может обеспечиваться кнопками или аналогичными средствами, чтобы пользователь мог управлять состоянием схемы передатчика 608 и/или наблюдать за ним. Иными словами, интерфейс пользователя 612 может содержать любые подходящие средства, с помощью которых пользователь или оператор может передать команду и обмениваться данными со схемой передатчика 608, такие как кнопки, сенсорные дисплеи или любые другие известные средства. Схема передатчика 608 генерирует и подает электрический сигнал передачи на антенну 606 для распространения передаваемого электромагнитного сигнала 601. Передаваемый электромагнитный сигнал 601 может зависеть от управляющих данных, получаемых от пользователя/оператора, и/или может зависеть от внутреннего состояния передатчика 602. Узел оптической линзы 604 также может содержать антенну 614, электронную цепь 616 и структуру линзы 618 со встроенными антенной 614 и электронной схемой 616. Хотя это не показано на фигурах, как приемник, так и передатчик содержат подходящий источник питания.
Настоящее изобретение относится к беспроводному протоколу для системы передачи данных, который может применяться для передачи данных между передатчиком и приемником, причем приемник встроен в офтальмологическую линзу. Беспроводной протокол может применяться в сочетании с любым типом канала передачи данных, включая каналы с беспроводной технологией радиочастотной или инфракрасной связи. Тип приемника зависит от конкретного выбранного типа канала передачи данных, но он может быть встроен в офтальмологическую линзу любым подходящим способом, известным специалистам в соответствующей области. Тип передатчика также зависит от канала передачи данных и может быть встроен в любое подходящее устройство, такое как портативный брелок, смартфон, часы, кольцо или базовая станция, такая как футляр для дезинфекции офтальмологических линз.
Хотя показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, специалистам в данной области будет очевидно, что представляются возможности отступления от конкретных описанных и показанных конструкций и способов, и их можно использовать без выхода за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными конструкциями, описанными и показанными в настоящем документе, но все конструкции должны быть согласованы со всеми модификациями, которые могут входить в объем приложенной формулы изобретения.