基于近场通信技术无线供能反馈调控方法的研究

朱亚光，张快，任朝晖，白谦睿，张旭

首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069

引言

在医学领域，植入式医疗电子设备被广泛的应用于诊断、治疗甚至辅助和代替人体某些器官的功能，如胶囊内窥镜、神经刺激器、人工耳蜗等。它们工作时一般采用微小电池进行供电。但由于电池寿命的有限性，术后患者需要定期到医院检查电池电量，电量耗尽时还需要通过手术更换电池，给病人的生活带来不便，并且承受额外的手术风险、经济压力和精神负担[1]。而无线传能技术能够通过非接触的方法传递能量，目前已经被广泛的研究和应用于多个领域。如果采用无线供能的方式对植入式医疗电子设备进行供电，就能使这些设备长期正常工作，避免上述弊端。

目前应用于植入设备无线能量传输的方法主要有磁感应耦合式和磁耦合谐振式无线能量传输。这两种传能方式均需要依靠两个电感线圈来传递能量，而线圈间的距离和角度的变化都会导致供能大小变化，若接收到的能量小于负载需求，会使得植入式设备不能正常工作；若接收到的能量大于负载需求，植入设备接收到的过多的能量，这些多出来的能量会以热能的形式散发，这可能会造成组织损伤[2]。因此，对无线供能技术进行有效的反馈调控是十分有必要的。国内外已经有不少的研究者提出了调控策略。

Budgett等[3]提出通过射频通信获得体内信号来改变体外谐振器的输入电压和频率，来控制能量传递大小。Yin等[5]建立了数学模型，该模型通过输入电压和输入电流计算出负载情况，从负载变化对发射端的影响角度进行反馈控制。阳天亮等[2]研究了一种无线能量传输系统闭环控制方法，在对E类放大器参数进行频域分析的基础上，用输入电压、信号占空比、频率和阻抗调节方法控制能量传递。陈晓武等[6]基于脉宽调制（Pulse-Width Modulation，PWM）误差采样与负载键控（Load Shift Keying，LSK）调制技术实现了无线供电的自适应调节。这些反馈控制方法存在着系统实现复杂或反馈速度慢的缺点。

本文研究了一种基于近场通讯技术（Near Field Communication，NFC）的无线传能反馈控制方法。该方法采用较近场通讯技术传递反馈信号，能简单、快捷的实现能量传递功率的反馈控制。

1 系统设计原理

1.1 反馈控制方法

无线能量传输的基本拓扑结构，见图1。在发射端，功率放大电路将交流小信号放大，驱动发射线圈输出可以被获取的电磁能量；接收线圈将接收到的交流电整流滤波为直流电，供给负载使用。

图1 系统总体结构图

该直流电的大小表征的是系统接收能量的大小。因此，除了负载使用外，可以将直流电流通过传感器转化为可以被模数转换器获取的数字电压信号，再将该信号写入微控制器，通过近场通信技术无线传递该反馈信号给发射端，控制发射端调节功率放大器的输出范围，改变发送电磁能量的大小以契合环境改变，进而实现接收能量的稳定，实现反馈调节。

整个系统分为3部分：能量发送部分、能量接收部分以及无线反馈部分。能量发送部分主要由交流信号源，功率放大器，发射线圈和控制模块组成；能量接收部分主要由接收线圈和反馈参数获取电路组成；无线反馈部分由一对近场通信模块组成。

1.2 系统电路设计

系统总体电路设计框图，见图2。系统输入的频率为4 MHz的交流电信号由信号发生器提供，该幅值较小的输入经过THS3091高频放大器放大后驱动发射端谐振回路，传输能量。本研究使用的收发线圈为直径2.3 cm，电感值3.7 μH的环形空心线圈。依据公式可得谐振匹配电容为470 pF。

能量接收部分由整流滤波电路、电流传感器以及RF430近场通信标签卡系统组成。该部分将接收到的无线能量整流滤波，转换为能够使用的直流电后，通过传感器转换为电压信号，提供给MSP430FR5739微控制器集成的10位ADC。单片机控制ADC每1 s工作一次，并将该数字结果写入标签，等待读写器获取，以完成反馈信息的传递。

图2 系统电路设计框图

这里表征电流大小的方法是通过电阻将其转化为电压值。电流传感器的核心结构是一个毫欧电阻，将加载在该小电阻上的电压经过放大器放大后，获得易于测量和处理的电压信号。这就要求电流传感器需同负载串联，以减小对负载电流的影响，且应用在电流较大的情况，电流过小会导致无法获得测量值；在本研究中系统传输功率较小，故采用一个并联的大电阻作为电流传感器使用。它既能转化较小的电流为可测量电压值，也不会对负载电流造成大的影响。

控制部分由NFC读写器、MSP430F5529开发板和数字电位器组成，NFC读写器获取反馈信号后传递给5529开发板，该微控制器通过软件判断能量供给是否过大或者过小并输出控制信号，数字电位器根据控制信号调整放大器的放大倍数，实现该无线传能系统的反馈调节。

2 结果

在系统验证过程中，保持系统输入的信号发生器输出不变，单纯改变两侧线圈之间的距离，通过万用表测量传感器电阻上电压，观察电压变化随系统调节的变化趋势，验证系统的有效性。

2.1 反馈信号的传递

将MSP430F5529开发板与PC连接，通过上位机软件查看读取到的AD转换后的电压参数，以ASCII码的形式展现（图3）。

图3 反馈信息显示界面

同时，在反馈信号接收端控制器内软件设置小于1.5 V的判断标准值，下端0.5 V、上端0.55 V。即若读取到的反馈信号大于0.55 V，则判定为供给能量过大，需要向下调节；若读取到的反馈信号小于0.5 V，则判定为能量过小，需向上调节，分别点亮不同的LED灯作指示。

将灯的亮灭情况与万用表测量值进行比较，两者变化趋势相符，说明了反馈信号测量与传递的准确性与有效性。

2.2 输出功率调节

整个输出调控过程均由系统自动判断调节。假设在线圈距离为0.8 cm时是最佳能量传递状态，此时接收端接收到的电压为0.5 V，则偏移0.8 cm会带来不同于0.5 V的实际测量结果，见图4。黄线显示的是在经过系统自动反馈调节后，接收到的能量被稳定在0.5～0.55 V之间。即系统实现了两线圈间距离在1 cm以内变动时，可通过自动反馈控制保持供能稳定。

图4 输出功率调节效果图

同时，1.2 cm处的结果显示，当线圈间距离偏移正常工作距离过大时，磁耦合强度过低，系统即使调整为最大输出也无法达到工作要求，此时反馈控制失去意义。

3 讨论与结论

本文采用了一种简单快捷的反馈方式，通过近场通信传递反馈信号，控制系统调节能量输出以达到供能稳定的目的。由于整个反馈调控供能系统缺乏补偿手段，传输能量较小，距离较近，但具有代表意义。

不同于远距离通信方式，近场通信技术有望同无线传能技术结合在一起，这样可以避免反馈信号与传能间的干扰[13]，便于发射端自我调节，还可以传递除能量参数之外的其他测量信号。在进一步的研究当中，将尝试实现拥有自反馈调控功能的NFC供能系统。

总之，本文研究了一种基于NFC技术的无线传能系统反馈控制方法，该方法针对供能时线圈间距离改变导致接收到的能量大小出现偏差的问题，通过接收端并联电阻传递电压信号，利用单片机实现近场无线通信与系统的有效连接，最终实现两传能线圈距离在1 cm以内变动时能通过反馈控制保持供能的稳定。

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