Считыватель беспроводного датчика
WIRELESS SENSOR READER

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США №13/423,693, озаглавленной "WIRELESS SENSOR READER", поданной 19 мая 2012 года, и притязает на приоритет предварительной патентной заявки №61/478,647, озаглавленной "WIRELESS SENSOR READER TUNING BASED ON AMBIENT CONDITION", поданной 25 апреля 2011 года, причем полное содержимое каждой из упомянутых заявок включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к средству и устройству измерения беспроводного сигнала от датчика.
Уровень техники
Системы беспроводного датчика и считывателя могут быть выполнены с возможностью отслеживания по беспроводной связи статуса удаленного датчика. Некоторые такие беспроводные системы включают в себя датчик, который преобразует физический параметр в частоту сигнала. В этом случае считыватель выполнен с возможностью приема и измерения частоты сигнала датчика.
Фиг. 1 иллюстрирует пример ширины полосы рабочих частот системы беспроводного датчика/считывателя и соответствующего параметра. Как показано, соответствующим параметром является давление, однако, понятно, что описанная здесь идея может применяться к любому преобразуемому параметру. Примерный диапазон частот проиллюстрированного беспроводного датчика составляет от 13 до 14 МГц, что соответствует абсолютным давлениям 550-900 мм рт. ст. В примере, показанном на Фиг. 1, частота обратно пропорциональна давлению.
В системах беспроводного датчика/считывателя датчик может быть возбужден передаваемым импульсом от считывателя, заставляющим датчик издавать ответный вызов или сигнал «вызова» на его резонансной частоте, как только удаляют этот возбудитель. Считыватель может измерять частоту сигнала вызова и использовать калибровочную таблицу или формулу для определения воспринимаемого давления.
Сигнал вызова, принимаемый в считывателе, может быть маломощным и может очень быстро ослабевать, в особенности, если расстояние между датчиком и считывателем является большим. Это является проблемой во всех подобных системах беспроводного датчика, независимо от того, какой передаваемый сигнал используют системы, с фиксированной или с качающейся частотой. Другие типы систем беспроводного датчика, такие, как те, что основаны на технологиях измерения резонансной частоты, могут требовать относительно длительного времени и много циклов передачи для идентификации резонансной частоты датчика, в особенности, когда возможный диапазон резонансных частот является большим.
Некоторые конструкции систем беспроводного считывателя/датчика требуют показание манометрического давления, обозначающего давление относительно локального атмосферного давления. Однако в таких конструкциях датчик часто расположен в положении, где он не может иметь доступ к атмосферному давлению и, таким образом, не может непосредственно передавать показание манометрического давления. Например, датчик кровяного давления, имплантированный в легочную артерию, не способен непосредственно иметь доступ к атмосферному давлению. В некоторых медицинских условиях клиницисты обычно хотят знать манометрическое давление легочной артерии в пределах диапазона 100 мм рт. ст. Однако имплантированный датчик не имеет возможности знать, каким является локальное атмосферное давление. Другими словами, имплантированный датчик способен воспринимать только абсолютное давление.
Одно решение заключается в размещении датчика давления окружающей среды в считывателе. В этом случае считыватель измеряет абсолютное давление от имплантированного датчика, а также абсолютное атмосферное давление окружающей среды от его датчика давления окружающей среды, и вычитает давление окружающей среды из абсолютного давления для получения манометрического давления.
Пример на Фиг. 1 иллюстрирует диапазон давления между 550-900 мм рт. ст. по абсолютной величине. Давления окружающей среды в населенных областях земли обычно находятся в диапазоне 550-800 мм рт. ст. по абсолютной величине. Таким образом, чтобы измерять 0-100 мм рт. ст. манометрического давления, абсолютный диапазон датчика должен составлять от 550 мм рт. ст. (наименьшее давление окружающей среды 550 мм рт. ст. плюс наименьшее манометрическое давление 0 мм рт. ст.) до 900 мм рт. ст. (наибольшее давление окружающей среды 850 мм рт. ст. плюс наибольшее манометрическое давление 100 мм рт. ст.).
В связи с этим, имеется необходимость измерения частоты слабого сигнала, когда полный диапазон сигнала является широким, но только маленький поднабор этого полного диапазона используется для любого отдельного измерения.
Независимо от способа, используемого для определения частоты сигнала датчика, внутри считывателя различные схемы должны быть выполнены или настроены с возможностью захватывания максимального количества энергии в сигнале датчика без захватывания нежелательной энергии из источников, отличных от датчика, таких как естественный или искусственный шум. Например, приемная антенна считывателя и внутренние фильтры, такие как аналоговые или цифровые фильтры, могут быть настроены на полосу пропускания, которая пропускает любую возможную частоту, на которой датчик может резонировать, и отклоняет все частоты за пределами этой полосы пропускания. Однако расширение полос пропускания антенн и фильтров может вызывать проблемы, включая более высокое затухание, более низкие отношения сигнала к шуму и увеличенную восприимчивость нежелательных сигналов помех.
Системам с фиксированной частотой трудно преодолевать эти проблемы. Некоторые системы с качающейся частотой могут пытаться преодолевать эти проблемы путем постоянной перенастройки приемников и фильтров с возможностью соответствия передаваемой мгновенной частоте. Однако это обычно требует использовать значительную дополнительную схему и обработку.
В связи с этим, необходимы улучшенные способ и устройство.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении эффективности отслеживания статуса удаленного датчика за счет побуждения датчика испускать сигнал вызова для отдельного считывания, а также за счет идентификации набора возможных значений частоты для этого сигнала вызова.
Устройство считывателя обеспечено с возможностью взаимодействия с беспроводным датчиком. Считыватель излучает короткий импульс энергии или короткий всплеск радиочастотной энергии, чтобы заставлять беспроводной датчик совершать вызов. Непосредственно после передачи считыватель принимает и усиливает сигнал датчика, далее посылает сигнал к схеме фазовой автоматической подстройки частоты («PLL»), которая подстраивается под частоту вызова датчика. Как только PLL подстроилась под частоту вызова, управляемый напряжением генератор PLL («VCO») переводят в режим ожидания для поддержания частоты VCO на подстроенной частоте. Частоту VCO рассчитывают для определения резонансной частоты датчика.
Считыватель может включать в себя устройство, такое как второй датчик, для определения набора возможных значений частоты сигнала вызова. Компоненты устройства считывателя могут быть настроены на набор возможных значений частоты, которые идентифицированы.
Согласно одному аспекту изобретения, предложен способ получения измерения из удаленного положения, содержащий этапы, на которых:
идентифицируют набор возможных значений частоты
беспроводного датчика для отдельного считывания из отдельного измерения, относящегося к упомянутому измерению, получаемому из упомянутого удаленного положения, причем упомянутое отдельное измерение представляет собой давление окружающей среды;
настраивают схемы считывателя на функционирование в полосе пропускания, определенной упомянутым набором возможных значений частоты;
передают возбуждающий импульс упомянутому беспроводному датчику только на фиксированной частоте;
принимают сигнал от упомянутого беспроводного датчика в ответ на упомянутый возбуждающий импульс;
отбирают и удерживают упомянутый принятый сигнал; и
устанавливают частоту упомянутого принятого сигнала;
причем упомянутый беспроводной датчик выполнен с возможностью изменения его резонансной частоты пропорционально по меньшей мере одному воспринимаемому параметру.
Упомянутое измерение, получаемое из упомянутого удаленного положения, может представлять собой внутрисосудистое кровяное давление.
Упомянутую фиксированную частоту упомянутого возбуждающего импульса выбирают на основании упомянутого набора возможных значений частоты.
Упомянутый сигнал вызова принимают с помощью схемы антенны, способной настраиваться на прием частот в полосе пропускания, основанной на упомянутом наборе возможных значений частоты упомянутого беспроводного датчика.
В одном варианте осуществления способ дополнительно содержит этап, на котором фильтруют упомянутый сигнал от упомянутого беспроводного датчика на основании упомянутого набора возможных значений частоты упомянутого беспроводного датчика.
В одном варианте осуществления на этап установления упомянутой частоты упомянутого принятого сигнала влияет упомянутый набор возможных значений частоты упомянутого беспроводного датчика.
Согласно второму аспекту изобретения, предложена система получения измерения из удаленного положения, содержащая:
беспроводной датчик, выполненный с возможностью изменения его резонансной частоты пропорционально по меньшей мере одному воспринимаемому параметру;
считыватель, выполненный с возможностью определения полосы значений резонансной частоты, самооптимизации для функционирования на основании упомянутой полосы, передачи возбуждающего импульса упомянутому беспроводному датчику только на фиксированной частоте, приема сигнала от упомянутого беспроводного датчика в ответ на упомянутый возбуждающий импульс, и отбора и удержания упомянутого принятого сигнала.
Упомянутый считыватель включает в себя второй датчик, который измеряет параметр, относящийся к упомянутому по меньшей мере одному воспринимаемому параметру, для определения упомянутой полосы значений резонансной частоты.
Упомянутый второй датчик может представлять собой датчик давления окружающей среды, а упомянутый по меньшей мере один воспринимаемый параметр может представлять собой кровяное давление. Упомянутая фиксированная частота упомянутого возбуждающего импульса выбрана на основании упомянутой полосы значений резонансной частоты.
Упомянутая оптимизация содержит регулирование одной или более из следующих схем: передающая антенна, приемная антенна, аналоговый фильтр, цифровой фильтр, усилитель, управляемый напряжением генератор.
Согласно третьему аспекту изобретения, предложена система получения измерения из удаленного положения, содержащая:
беспроводной датчик, выполненный с возможностью изменения его резонансной частоты пропорционально по меньшей мере одному воспринимаемому параметру;
портативный, питаемый от батареи считыватель, выполненный с возможностью определения полосы значений резонансной частоты, самооптимизации для функционирования на основании упомянутой полосы, передачи возбуждающего импульса упомянутому беспроводному датчику только на фиксированной частоте и приема сигнала от упомянутого беспроводного датчика в ответ на упомянутый возбуждающий импульс.
Упомянутый считыватель включает в себя второй датчик, который измеряет параметр, относящийся к упомянутому по меньшей мере одному воспринимаемому параметру, для определения упомянутой полосы значений резонансной частоты.
Варианты осуществления системы согласно третьему аспекту изобретения аналогичны вариантам осуществления системы согласно второму аспекту изобретения.
Краткое описание чертежей Задачи и преимущества вместе с функционированием изобретения могут быть лучше поняты со ссылкой на подробное описание, принятое в связи со следующими иллюстрациями, на которых:
Фиг. 1 представляет собой график ширины полосы рабочих частот датчика и соответствующего параметра;
Фиг. 2 представляет собой вариант выполнения системы беспроводного датчика; и
Фиг. 3 представляет собой график ширины полосы рабочих частот датчика и соответствующего параметра и окна полосы пропускания.
Осуществление изобретения
Далее будет выполнена подробная ссылка на примерные варианты выполнения настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на сопровождающих чертежах. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты выполнения и могут быть выполнены конструктивные и функциональные изменения без отклонения от соответствующего объема охраны настоящего изобретения.
В общем обеспечена беспроводная система 10. Беспроводная система 10 может включать в себя беспроводной считыватель 12 и беспроводной датчик 14. Беспроводной датчик 14 может представлять собой пассивное устройство, такое как устройство, содержащее конденсатор 16 и индуктивность 18, или активное устройство. Беспроводной датчик 14 может являться имплантируемым, например, имплантируемым в живое существо. Например, беспроводной датчик 14 может быть имплантирован в тело человека для отслеживания состояния или параметра внутри тела человека.
Считыватель 12 может быть выполнен с возможностью передачи возбуждающего импульса 20 для возбуждения датчика 14. Возбуждающий импульс 20 может заставлять датчик 14 совершать вызов или издавать сигнал 22 вызова на его резонансной частоте. Резонансная частота датчика 14 может изменяться на основании параметра, воспринимаемого датчиком 14. Считыватель 12 может измерять частоту сигнала 22 вызова и определять воспринимаемый параметр. Например, считыватель 12 может использовать формулу, справочную таблицу или калибровочную таблицу для определения воспринимаемого параметра.
Считыватель 12 может включать в себя приемник для приема сигнала 22 вызова от датчика 14. Приемник может содержать антенну 24 или любое другое устройство приема сигнала. Приемник может дополнительно включать в себя один или более фильтров, таких как, например, аналоговые или цифровые фильтры, для фильтрования сигнала 22, принимаемого от датчика 14. Фильтры могут быть настроены на полосу пропускания с возможностью позволять считывателю 12 принимать ширину полосы требуемых частот. Полоса пропускания может быть сужена для пропускания только той полосы частот, которая соответствует конкретному нужному параметрическому диапазону 26, показанному на Фиг. 3.
Описанные здесь примерные варианты выполнения могут ссылаться на отслеживание и восприятие конкретного параметра, такого как давление. Однако, понятно, что изложенные здесь системы и способы могут быть применены к любому измеряемому или воспринимаемому параметру, такому как давление, температура или любому другому параметру.
В качестве неограничивающего примера, беспроводная система 10, выполненная с возможностью воспринимать давление, такое как кровяное давление, может включать в себя фильтры с возможностью сужения окна 26 полосы пропускания для приема только тех частот, которые соответствуют давлениям в пределах диапазона манометрического давления 100 мм рт. ст. Пример этого диапазона 26 полосы пропускания проиллюстрирован на Фиг. 3. Частоты, которые соответствуют давлениям в пределах диапазона манометрического давления 100 мм рт. ст., могут представлять собой «окно полосы пропускания» или «нужное окно» 26 частот, которые обеспечивают оптимальные или наиболее значимые данные. Однако понятно, что окно 26 полосы пропускания может соответствовать любому подходящему диапазону воспринимаемого параметра.
Спектральное положение окна 26 полосы пропускания в пределах всего диапазона абсолютного давления может изменяться с возможностью захватывания требуемых данных. Например, положение окна 26 может быть определено на основании давления окружающей среды во время приема считывателем 12 сигнала 22 вызова от датчика 14. С этой целью считыватель 12 может включать в себя датчик 25 окружающей среды, такой как датчик давления окружающей среды, для восприятия условия окружающей среды, например, давления. Датчик 25 окружающей среды может быть встроен в или расположен на считывателе 12. Такой датчик 25 окружающей среды также может быть расположен вдали от считывателя 12, как часть другого устройства или системы, которая сообщает ее показание окружающей среды считывателю 12 или стороннему процессору, для определения положения окна 26 полосы пропускания.
Как показано на графике, проиллюстрированном на Фиг. 3, окно 26 полосы пропускания может быть оптимально расположено на основании давления окружающей среды, измеряемого датчиком 25 давления окружающей среды считывателя. Например, в варианте выполнения, где датчик представляет собой беспроводной датчик давления, имплантированный в легочную артерию человека, нужный диапазон давления находится на 0-100 мм рт. ст. выше давления окружающей среды. В связи с этим, процессор считывателя будет запрограммирован с возможностью расположения окна 26 полосы пропускания так, что его края находятся на частотах, соответствующих показанию давления окружающей среды и давлению, которое на 100 мм рт. ст. больше, чем показание давления окружающей среды, показанное на Фиг. 3. Соответственно, считыватель 12 может настраивать его антенну 24, а также свои внутренние схемы и алгоритмы, для фокусирования окна 26 полосы пропускания вблизи давления окружающей среды.
В варианте выполнения беспроводной датчик 14 может быть имплантирован в тело человека, расположенного на относительно большой высоте, например, высоте, имеющей давление окружающей среды около 630 мм рт. ст. по абсолютной величине. В связи с этим, нужный диапазон давления может составлять 630-730 мм рт. ст. по абсолютной величине, соответствуя окну 26 полосы пропускания частот 13,831-13,546 МГц. Считыватель 12 может измерять давление окружающей среды, используя его датчик 25 давления окружающей среды. Далее считыватель 12 может по результату измерения давления окружающей среды определять поднабор полного диапазона частот, который будет содержать частоту удаленного датчика. Далее считыватель 12 может настраивать его приемник, такой как антенны 24, фильтры, усилители, другие схемы или алгоритмы, для пропускания требуемого поднабора и блокирования нежелательного участка диапазона. Например, считыватель 12 может увеличивать добротность Q его принимающей антенны путем сужения ее ширины полосы до соответствия окну 26 частот. Дополнительно считыватель 12 может увеличивать коэффициент усиления и отношение сигнала к шуму одного или более усилителей в канале приема путем настройки их на окно 26 полосы пропускания. Считыватель 12 также может настраивать фильтры в канале приема на соответствие окну 26 полосы пропускания, и, таким образом, отфильтровывать любой шум или помеху за пределами окна 26 полосы пропускания. Считыватель 12 может снимать многочисленные показания давления с датчика и усреднять их (в его собственном встроенном процессоре или в удаленном процессоре) для дополнительного повышения точности. Усредняющий процессор может выполнять алгоритм, посредством которого все показания, которые выходят за пределы окна 26 полосы пропускания, считаются случайными всплесками и не включаются в среднюю величину.
Эта система и способ, которые описаны, обеспечивают некоторые преимущества над известными системами и способами. Например, ограничение окна 26 полосы пропускания принимаемого сигнала 22 вызова может позволять использовать датчик 14 с более высокой добротностью Q, таким образом, обеспечивая большее время затухания и более высокую амплитуду сигнала 22 вызова. Ограничение окна 26 полосы пропускания также обеспечивает использование антенн 24 приемника и фильтров, имеющих более высокую добротность Q, таким образом, увеличивая отношение сигнала к шуму. Кроме того, в системах, которые используют возбуждающий импульс 20 фиксированной частоты, спад передаточной функции датчика обуславливает, что сигнал 22 может быть слабее, когда датчик 14 располагается вблизи краев его диапазона рабочих частот. Выполнение схемы считывателя с возможностью фокусирования на полосах вблизи краев может компенсировать этот эффект.
Как только было определено окно 26 полосы пропускания, многие из внутренних компонентов считывателя могут настраиваться на фокусирование только на диапазоне окна 26 полосы пропускания. Например, приемная антенна 24 считывателя может быть настроена на окно 26 полосы пропускания, содержащее сигнал 22 вызова. Это может быть выполнено путем подключения к или отключения реактивных компонентов от схемы антенны, включая части антенны 24, или другими способами, известными в уровне техники.
Беспроводная система 10 может включать в себя секцию усилителя. Секция усилителя может включать в себя фильтры и усилители. Фильтры и усилители могут быть адаптивно настроены на окно 26 полосы пропускания частот, которое содержит сигнал 22 вызова. Это может быть выполнено путем подключения к или отключения от схемы усилителя и фильтров реактивных компонентов или другими способами, известными в уровне техники.
Беспроводная система 10 может включать в себя по меньшей мере одну схему фазовой автоматической подстройки частоты с возможностью подстраиваться под и помогать определять частоту вызова. Исходная опорная частота для PLL может быть установлена приблизительно в центре окна 26 полосы пропускания частот. Это будет уменьшать время, необходимое для подстройки PLL под частоту сигнала 22 вызова. Например, процессор считывателя 12 может вычислять или отыскивать напряжение управления управляемого напряжением генератора PLL (VCO), которое соответствует центру окна 26 полосы пропускания, который определяют датчиком 25 давления окружающей среды. Другие способы и схемы для подстройки и предварительной подстройки PLL могут быть использованы в сочетании с описанными здесь системами и способами.
Возбуждающий импульс 20, излучаемый считывателем 12, может удерживаться на приблизительно фиксированной частоте. Постоянный возбуждающий импульс 20 может быть выполнен размещаемым вблизи центра окна 26 полосы пропускания, содержащего сигнал 22 вызова. В результате, система может использовать датчик 14, имеющий более высокую добротность Q, которая может обеспечивать более сильный, более длительный сигнал 22 вызова.
Беспроводная система 10 может использовать возбуждающий импульс 20 с качающейся частотой. Ширина полосы возбуждающего импульса 20 с качающейся частотой может быть ограничена окном 26 полосы пропускания, содержащим сигнал 22 вызова. Ограничение возбуждающего импульса 20 таким образом может уменьшать время, требуемое для получения сигнала 22 вызова, и позволять принимать больше выборок для данного примера давления.
Параметр, измеряемый датчиком 14, может быть статическим или квазистатическим по сравнению со скоростью измерения. В качестве неограничивающего примера, измеряемая форма волны кровяного давления может быть статичной или квазистатичной по сравнению со скоростью измерения. В таких обстоятельствах считыватель 12 может снимать множественные показания измерения датчика 14 и усреднять их, используя алгоритм обработки. Например, когда сигнал 22 вызова становится слабее, и отношение сигнала к шуму (SNR) уменьшается, количество шумных, случайных показаний может увеличиваться. Считыватель 12 может быть выполнен с возможностью игнорирования любых измерений, которые лежат за пределами окна 26 полосы пропускания во время процесса усреднения для удаления резко отклоняющихся и неточных данных.
Считыватель 12 может отбирать входящий сигнал 22 вызова и сравнивать входные данные с окном 26 полосы пропускания. На основании сравнения входные данные от сигнала 22 вызова могут быть сохранены или исключены. Также считыватель 12 может оптимизировать или усиливать обработку сигнала, например, способами быстрого преобразования Фурье, путем обработки только тех участков сигнала, которые располагаются в пределах допустимой полосы частот, основываясь на отфильтрованном окне 26 полосы пропускания. Также могут использовать другие способы улучшения измерения принимаемого сигнала, основываясь на сужении допустимой полосы частот до соответствия измерению окружающей среды.
Используемые здесь примеры направлены на показание давления окружающей среды с возможностью определения суженной ширины полосы для абсолютного показания и адаптации схемы считывателя 12 и/или алгоритмов к этой ширине полосы. Однако понятно, что этот способ может использоваться при любых обстоятельствах, где снимают два измерения датчика, а результат одного измерения может быть использован для ограничения возможных результатов другого измерения. Воспринимаемый параметр не ограничен давлением, а может быть любым параметром. Дополнительно, беспроводные датчики 14 и датчик окружающей среды необязательно должны измерять одинаковую величину или параметр, а могут вместо этого измерять различные величины или параметры.
Несмотря на то, что варианты выполнения настоящего изобретения были проиллюстрированы на сопровождающих чертежах и описаны в вышеупомянутом подробном описании, следует понимать, что настоящее изобретение не должно ограничиваться только раскрытыми вариантами выполнения, и что описанное здесь изобретение способно к многочисленным изменениям, преобразованиям и заменам без отклонения от объема охраны следующей далее формулы изобретения. Следующая далее формула изобретения предназначена для включения всех преобразований и изменений в тех случаях, когда они подпадают под объем охраны формулы изобретения, или их эквивалента.