膠囊內(nèi)鏡微型低功耗無線視頻發(fā)射電路的設(shè)計(jì)研究

胡廣華，劉建青，黃 平

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

膠囊式內(nèi)鏡是一種用以取代傳統(tǒng)消化道內(nèi)窺鏡的新型生物體內(nèi)微診療裝置。它將內(nèi)窺鏡系統(tǒng)封裝成膠囊的形狀。患者吞服后，可從體外控制膠囊內(nèi)鏡對(duì)患者消化道內(nèi)的病灶區(qū)域進(jìn)行圖像采樣，再經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)部的視頻發(fā)射模塊將采集到的視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸至體外接收裝置，供醫(yī)生作為診斷和治療的依據(jù)。膠囊內(nèi)鏡除了可對(duì)傳統(tǒng)消化道內(nèi)鏡無法抵達(dá)的小腸區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)外，還具有無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染等一系列優(yōu)越性，因而自1999年以色列Given Imaging公司推出M2A型實(shí)用化產(chǎn)品以來，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者廣泛的興趣[1～8]。

圖1 膠囊內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)

圖1是華南理工大學(xué)自行研制的膠囊內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)示意圖[5]，包括電源模塊、圖像采集模塊、視頻發(fā)射模塊和控制模塊等組成部分。電源模塊由多個(gè)微型紐扣電池組合而成，為圖像采集模塊和視頻發(fā)射模塊供能。圖像采集模塊包括光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器及其外圍電路，其輸出的視頻信號(hào)送至發(fā)射模塊輸出。受膠囊體積和電池容量的限制，微型化、低功耗是系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本原則。其中，圖像采集模塊和視頻發(fā)射模塊是系統(tǒng)能量消耗的主體，因此，降低此二模塊的能耗十分關(guān)鍵。

1 通信方式的選擇

視頻無線發(fā)射電路的功能在于將系統(tǒng)所采集得到的視頻圖像信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至體外接收裝置。設(shè)計(jì)視頻發(fā)射電路，首要工作在于確定系統(tǒng)的通信方式（模擬式/數(shù)字式）。通常，模擬通信系統(tǒng)用來傳輸模擬信號(hào)，而數(shù)字通信系統(tǒng)用于傳輸數(shù)字信號(hào)。因此，如何選取系統(tǒng)的通信方式取決于圖像采集模塊的輸出信號(hào)類型。

目前，用于圖像采集模塊的CMOS圖像傳感器有模擬式和數(shù)字式兩種。其中，數(shù)字式圖像傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，其信號(hào)傳輸需搭配數(shù)字通信系統(tǒng)。設(shè)每幀圖像包含的像素?cái)?shù)為352×288（最低分辨率），則每幀圖像數(shù)據(jù)大小為352×288×8/1024=792kb。以占據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸市場(chǎng)主導(dǎo)地位的nRF2401為例，其所能提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps[7]，則每秒可傳輸220/(352×288×8) =1.3幀，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼所能接受的最小幀率——15幀/秒。再考慮到傳輸時(shí)通信協(xié)議的開銷，所得的實(shí)際有效圖像傳輸帶寬將會(huì)更低。可見，由于數(shù)字視頻圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸量太大，要在有限的膠囊工作艙內(nèi)采用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)視頻圖像的無線實(shí)時(shí)傳輸具有相當(dāng)?shù)碾y度。

模擬圖像傳感器另外集成了圖像編碼器，輸出的是PAL/NTSC制式模擬信號(hào)，可用相應(yīng)的模擬通信系統(tǒng)直接傳輸。與數(shù)字通信系統(tǒng)相比，傳輸模擬信號(hào)不受波特率和比特率的限制，而且，其電路的構(gòu)成更為簡(jiǎn)單，有利于采用較少的元件進(jìn)行電路的搭建，以達(dá)到微型化和低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于上述考慮，本文所設(shè)計(jì)的視頻發(fā)射電路采用模擬通信方式。

2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

2.1 電路構(gòu)成

根據(jù)無線電通信理論，為了完成視頻信號(hào)的無線傳輸，必須將膠囊內(nèi)模擬圖像傳感器輸出的視頻信號(hào)與發(fā)射電路內(nèi)部產(chǎn)生的高頻載波進(jìn)行調(diào)制，所得到的調(diào)制后的信號(hào)再經(jīng)緩沖放大后送至天線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ê蠹纯上蛲獠靠臻g發(fā)射。模擬通信系統(tǒng)的調(diào)制方法主要包括調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）等[9]。考慮到調(diào)頻電視信號(hào)不能用普通電視機(jī)直接接收，而調(diào)幅方式在整個(gè)電視技術(shù)領(lǐng)域用得比較普遍；因此，為了便于采用日常電視通信器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試并降低開發(fā)接收設(shè)備的復(fù)雜度和工作量，本研究采用了調(diào)幅調(diào)制的方式。

所設(shè)計(jì)的電路構(gòu)成如圖2所示。其工作原理為：電阻R1、R2對(duì)電源分壓，為晶體管Q1提供直流偏置。電感L1與電容C1～C3構(gòu)成高頻振蕩環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的高頻信號(hào)輸出在Q1的發(fā)射極。由于基極電位僅比發(fā)射極高出一個(gè)結(jié)電壓，因此基極上電壓的波形與發(fā)射極一致，此即為高頻載波信號(hào)。低頻調(diào)制信號(hào)（即視頻信號(hào)）經(jīng)電容C5耦合進(jìn)入Q1的集電極，由于電阻R4的存在，該信號(hào)不會(huì)通過電源直接耦合至地，而是與電源提供的直流電壓相疊加。L2與C4構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)其參數(shù)可諧振于載波頻率。在過壓狀態(tài)下，集電極電流的基波分量隨集電極電源電壓成正比變化。因此，集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調(diào)制信號(hào)的波形而變化，于是得到調(diào)幅波輸出。

圖2 微型視頻無線發(fā)射電路原理圖

上述電路具有如下特點(diǎn)：1）元件數(shù)量少，整個(gè)電路僅需十余個(gè)元件。若采用表面貼裝形式，將非常有利于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)PCB的微型化。2）振蕩電路與調(diào)制電路共用一個(gè)晶體管Q1，進(jìn)一步減小了電路的規(guī)模，降低了電路的復(fù)雜度。3）由于電感元件尺寸較大，設(shè)計(jì)上有意減少了它們的使用。這反映在：一是控制了電感元件的數(shù)量，僅保留了L1、L2兩個(gè)低值電感，有效地縮小了元件的占用體積；二是在耦合調(diào)制信號(hào)的時(shí)候，用電阻R4代替尺寸龐大的變壓器。上述措施符合了微型化原則，是提高膠囊內(nèi)鏡實(shí)用性的有力舉措。

2.2 電路參數(shù)計(jì)算

該電路的設(shè)計(jì)依據(jù)分析如下：

1）偏置電路設(shè)計(jì)

電阻R1、R2對(duì)VCC分壓形成晶體管Q1的基極電位。R3是發(fā)射極電阻，為了吸收基極-發(fā)射極間電壓VBE隨溫度的變化，而使工作點(diǎn)（集電極電流）穩(wěn)定，R3的直流壓降必須在1V以上。另外，集電極電流決定了系統(tǒng)的功耗，也決定了系統(tǒng)的發(fā)射功率。取R3的壓降為2V，IC=2mA（設(shè)IC=IE），則

為了使不失真輸出電壓最大化，集電極電位VC最好應(yīng)設(shè)定在VCC與VE的中點(diǎn)。另外考慮到要盡量降低晶體管的集電極損耗PC（在集電極-發(fā)射極間發(fā)生的功率損耗，它變成熱量散發(fā)），取VC=3V，則

R1、R2的取值要滿足2個(gè)條件：1）R1、R2分壓后，基極電位為VE+0.6=2.6V，2）從電源流過R1、R2的電流應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流。假設(shè)hFE=100，則基極電流IB=0.02mA，因此可以取流過R1、R2的電流為0.2mA。綜合上述條件，算出R1=12k?，R2=13k?。

2）振蕩電路設(shè)計(jì)

f0的選擇范圍很廣，但應(yīng)盡量避開電視頻道，以減小混入的雜波。另外，內(nèi)窺鏡膠囊屬于短距離、微功率無線電波發(fā)射設(shè)備，按照國(guó)際電信聯(lián)盟的規(guī)定, 可以使用ISM(industry、science and medical ) 頻段，也可以使用MICS (medical implant communication service) 頻段[8]。使用ISM頻段的任何頻率無需許可證，只需要低于所規(guī)定的發(fā)射功率即可。本文使用位于ISM頻段433MHz頻率的載波。取L1=40nH，C1=33pF，C2=10pF，C3=6pF，由式(3)計(jì)算可得f0=433MHz。

3）調(diào)制電路設(shè)計(jì)

視頻信號(hào)通過電容C5耦合進(jìn)入集電極，加在R4與交流地之間。由于NTSC制式視頻信號(hào)頻率范圍約為0～4MHz，為了能通過低頻信號(hào)，C5應(yīng)足夠大，此處取C5=10μF。L2與C4組成LC諧振電路，諧振頻率為載波頻率f0。取L2=L1=40nH，則根據(jù)式(3)，C4=C0=3.3pF。LC電路兩端即為調(diào)制后的射頻信號(hào)。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，發(fā)射天線通過C6直接耦合至集電極。

4）功耗分析

電路的直流功耗為電源電壓與Q1集電極電流的乘積：

該值在保證一定發(fā)射距離的條件下維持在比較低的水平，有利于延長(zhǎng)電池的供電時(shí)間。

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 Multisim仿真

Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technologies簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的電路仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作[10,11]。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。為了對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析，在Multisim 10的編輯環(huán)境中按圖2繪制好發(fā)射電路，注意選擇特征頻率適當(dāng)?shù)木w管。為了模擬視頻信號(hào)，用系統(tǒng)自帶的虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)幅值且頻率為3.5MHz的正弦波信號(hào)。虛擬雙蹤示波器通道A的探針接集電極（LC電路下端），相應(yīng)的測(cè)量參考點(diǎn)接LC電路上端。為便于與調(diào)制信號(hào)相比較，同時(shí)將通道B的探針接信號(hào)發(fā)生器。仿真輸出的波形如圖3所示。

圖3 虛擬示波器輸出波形

可以看出，電路產(chǎn)生了正確的調(diào)幅波形，其包絡(luò)線與調(diào)制信號(hào)具有相同的形狀，這說明本文所給出的發(fā)射電路在原理上是完全可行的。

仿真過程也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加大調(diào)制信號(hào)幅度時(shí)，輸出調(diào)幅波的調(diào)幅度也隨之增加。實(shí)際應(yīng)用中可利用電位器對(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以免出現(xiàn)過量調(diào)幅失真。

3.2 物理實(shí)驗(yàn)

如圖4(c)所示，膠囊內(nèi)鏡的外艙被設(shè)計(jì)成圓柱形藥丸狀。為便于封裝，膠囊內(nèi)各個(gè)模塊的截面形狀也被安排為圓形，且不能超出外艙的橫截面大小。本文實(shí)際制作的視頻發(fā)射電路PCB被加工成Φ12mm的圓形，雙面板布線。圖4(a)是用來對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接。系統(tǒng)采用紐扣電池供電。當(dāng)外部永磁體靠近干簧管開關(guān)時(shí)，電路導(dǎo)通，調(diào)諧接收機(jī)可接收到清晰的視頻圖像，如圖4(b)所示。可見，本文所設(shè)計(jì)的電路可以進(jìn)行正常的視頻信號(hào)發(fā)射。

圖4 物理實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4 結(jié)語

本文介紹了一種面向膠囊內(nèi)鏡應(yīng)用的單管調(diào)制微型視頻無線發(fā)射電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。物理實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真均表明該電路是切實(shí)可行的。所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路具有元件少、體積小、功耗低等特點(diǎn)，符合了膠囊內(nèi)鏡應(yīng)用中的微型化、低功耗設(shè)計(jì)要求。事實(shí)上，按照所介紹的設(shè)計(jì)步驟，通過調(diào)整元件參數(shù)，可以方便地調(diào)整整機(jī)功耗。

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