无线传感器读取器的制作方法

专利名称：无线传感器读取器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及对无源无线传感器进行读取，尤其涉及用于激励和感测来自无源无线读取器的数据的读取器电路和方法。
背景技术：
已知有采用谐振电路技术的无源无线传感器系统。这些系统利用无源无线传感器与激励和读取器电路进行远程通信。经常将该无线传感器植入诸如人体内等的特定位置处，以检测和报告感测参数。该感测参数使无线传感器的谐振电路频率改变。读取器装置对无线传感器的谐振频率进行采样以确定该感测参数。早期，研究员 Haynes (H. E. Haynes 禾口 A.L.Witchey，"Medical electronics, the pill that ‘talks，”，RCA Engineer, vol 5，pp. 52-54. 1960)公开了包含无线压力传感器的可吞服药片，其中，大型读取器装置围绕被检者的身体并且利用鉴别器电路测量频率。 Nagumo (J. Nagumo, A. Uchiyama, S. Kimoto, T. ffatanuki, M. Hori, K. Suma, A. Ouchi, M. Kumano 禾口 H· ffatanabe，“Echo capsule for medical use(a batteryless radioendosonde)IRE Transactions on Bio-Medical Electronics, vol. BME-9, pp. 195-199,1962)公开了类 1以的系统，其中，传感器包括用以在谐振期间对该传感器供电的能量存储电容器。Bullara的美国专利4，127，110公开了用于测量脑液压的传感器。Cosman的美国专利4，206，762公开了用于测量颅内压的类似传感器。具体地，Cosman的专利描述了将栅陷式系统用于无线测量传感器的谐振频率。现有专利也已描述了对无源无线传感器进行读取的几种方法。例如，Cosman的专利公开了使用植入式传感器进行调谐的外部振荡器电路以及用于进行传感器谐振频率的测量的栅陷式测量系统。Kensey等人的美国专利6，015，386公开了如下的读取器，其中， 该读取器通过发送扫频来激励无源传感器，并对该发送信号使用相位检测器以识别该扫频期间所发送的频率与该传感器的谐振频率一致的点。Spillman等人的美国专利6，206，835 公开了针对在Spillman等人的美国专利5，581，248中公开的读取器技术的医疗植入应用。 该读取器技术利用传感器的检测参数来检测对该读取器的频率依赖可变阻抗负载效应。 Ellis等人的美国专利7，432，723公开了具有供电回路的读取器，其中，以确保传感器的带宽允许进行传感器的谐振激励的方式，对各个供电回路进行调谐并使供电回路发送的不同的频率间隔开。Ellis使用来自合适的供电回路的衰荡响应以确定传感器谐振频率。Alien 等人的美国专利6，111，520公开了向传感器发送“啁啾声”的白噪声并检测衰荡响应的方法。一些读取器利用锁相环(“PLL”)电路以锁定至传感器的谐振频率。Joy等人的美国专利7，M5，117公开了有源PLL电路和信号处理电路，其中，该信号处理电路用于调整发送PLL频率，直到接收信号相位和发送PLL信号相位相匹配为止。当发生该匹配时，该发送PLL频率等于传感器谐振频率。PLL电路可以包含用于对输入频率进行采样并保持PLL处于给定频率的采样保持 (S/H)功能。具有S/H的PLL可用于各种应用。例如，Genest的美国专利4，531，526公开了如下的读取器，其中，该读取器使用具有S/H电路的PLL电路，以将该读取器的发送频率调整为与从传感器接收到的谐振频率相匹配。该操作是为了使针对下一发送的传感器响应最大化所进行的，并且测量传感器谐振幅度的衰减率以提取感测参数值。Buchan的美国专利4，644，420描述了如下的具有S/H的PLL，其中，该PLL用于对磁带数据流进行采样并维持适当的采样频率以评价该磁带上的数字数据脉冲。Buchan等人的美国专利5，006，819提供了这一概念的附加改进。Dermy的美国专利5，920，233描述了一种高速采样技术，其中， 该技术使用具有PLL的S/H电路，以降低来自相位频率检测器的电荷泵噪声，从而增强频率合成电路的低抖动性能。Charavit等人的美国专利4，511，858公开了如下的具有S/H电路的PLL，其中，该PLL用于当正在改变PLL锁定频率时预先确定电压控制振荡器的控制电压的位置。这是为了在改变期望合成频率时提高PLL的响应速度而进行的。Fischer的美国专利6，570，457和Fischer等人的美国专利6，680，654公开了用于提高PLL频率步进以及偏移校正特征的具有S/H电路的PLL。Fuller等人的美国专利3，872，455公开了如下的具有数字S/H的PLL，其中，该PLL用于在检测到PLL相位锁定时冻结频率显示并预载频率计数器。还已发现了用于实现直接信号采样和频率分析技术的读取器。一个例子是Eggers 等人的美国专利7，048，756，其中，使用具有居里温度以在温度阈值处示出响应变化的谐振传感器来测量体内温度。此外，已知有使用数字信号分析以提高性能和响应的读取器。Miller等人的美国专利7，466，120描述了使用数字信号处理器(DSP)来评价利用频率脉冲已激励的无源血压传感器的响应，然后针对相对相位延迟评价来自三频激励的响应信号。目前的诸如上述等的无源传感器读取器的设计存在多个缺陷。早期的Haynes 和Nagumo的“脉冲回波振铃系统”需要大型的高功率读取器装置。另外，Collins (C. CollinsZiMiniature Passive Pressure Transensor for Implanting in the Eye",IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering, vol BME_14，no· 2，April 1967)公幵了这些系统由于在测量短暂的振铃信号频率方面存在困难而发生不精确和分辨率差，从而导致这些系统被各种扫频方法取代。与Cosman、Kensey、Ellis和Spillman的专利所述的技术以及Alien所描述的脉冲方法类似的扫频传感器读取器需要管制无线电传输的政府机构允许相对宽的带宽。这就限制了频谱的其它使用并使干扰成为潜在的问题。诸如Genest、Ellis和Joy等的用于利用变频发射器追踪无源谐振传感器的谐振频率的读取器也存在类似的问题。扫频方法和/ 或数字追踪方法所需的附加电路极大，从而使读取器大小、成本和故障率增加。此外，使用数字控制的频率追踪或扫频系统来发送、信号处理、采样和追踪传感器的谐振频率所需的电力量极大，并且限制了在读取器中使用电池电力的能力，并限制了电池供电的读取器内的电池的寿命。因此，本领域需要改进了的无源传感器和读取器系统。


结合以下附图来进行详细说明图1是无源无线传感器系统的框图；图2是示出从传感器获取读数的处理的流程图；图3是定性示出传感器和读取器之间的信号交换的频率特性的图；图4A、4B和4C是定性示出读数获取期间传感器和读取器之间的信号交换的频率特性的三个连续图；图5是扩大为包括外部数据接口功能和远程数据处理功能的图1的无源无线传感器系统的框图；图6是增加了中间天线的图1的无源无线传感器系统的框图；图7是读取器内部电路的顶层框图；图8是读取器电路的定时和控制部的框图；图9是读取器电路的发送部的框图；图10是读取器电路的接收部的框图；图11是读取器电路的锁相环部的框图；图12是读取器电路的频率计数器部的框图；图13是具有用于实现采样和保持的数字采样定时器和生成功能的图11所示的读取器电路的锁相环部的替代实施例的框图；图14是示出图7的读取器内部电路的替代实施例的框图，其中，利用数字采样电路和频谱分析电路替换PLL和频率计数器；图15是示出图8的定时和控制电路的替代实施例的框图，其中，利用数字采样定时器和频谱分析定时器分别替换PLL定时器和频谱计数器定时器；图16是图14的数字采样电路块的内部体系结构的框图；以及图17是图14的频谱分析电路块的内部体系结构的框图。

发明内容
提供了读取器装置以与无线传感器相连接，其中，该无线传感器的谐振频率与感测参数成比例地改变。读取器发送固定频率的短脉冲能量，以使无线传感器紧挨在该发送结束之后以等于或接近其谐振频率的频率振铃。读取器接收和放大传感器振铃信号，并测量其频率。在一个实施例中，读取器通过向锁定至传感器振铃频率的锁相环(“PLL”)发送该信号来执行该测量。一旦PLL已锁定至该振铃频率，使PLL的电压控制振荡器(“VC0”) 置于保持模式以维持VCO频率处于该锁定频率。对VCO频率计数以确定传感器谐振频率。 可选地，对VCO控制电压本身进行采样，并且基于已知的相关使用该VCO控制电压本身来确定传感器谐振频率。当对VCO控制电压进行采样时，如果电压采样足够快则无需对VCO频率进行锁定。还公开了涉及数字频谱分析的其它频率确定方法和系统。
具体实施例方式提供了无源无线传感器系统，其中，该无源无线传感器系统包括与传感器12进行远程通信的读取器10。读取器10能够通过以等于或接近传感器12的谐振频率的频率发送诸如射频(“RF”)脉冲等的信号来激励传感器12(参见图1)。传感器12响应于来自读取器10的激励脉冲，可以在短时间段内发出振铃信号。传感器12可以是本身不包含电源的无源装置，并且能够响应于等于或接近传感器12的谐振频率的激励信号14而发出振铃信号16。传感器12可被配置为感测特定参数。 例如，传感器12可以包括固定电感器13和基于感测参数而改变的电容器15。不断变化的电容或电感使传感器12的谐振频率改变。然而，应当理解，传感器12可以是本领域已知的、 能够与读取器10进行远程通信的任意无线传感器。此外，尽管将传感器12描述为RF谐振传感器，但应当理解，传感器12可以是声学谐振传感器、光学谐振传感器或本领域已知的其它类似传感器。读取器10可以采用相应的信号来激活传感器12。此外，传感器12可以是有源传感器或无源传感器。在实施例中，传感器12包括至少一个电感元件13和一个电容元件15。为了与感测参数成比例地改变传感器12的谐振频率，电感元件13或电容元件15或者这两者可被配置为与感测参数成比例地改变电感或电容。在图1所示的示例实施例中，电容元件15可变并且电感元件13固定。这些组件的典型例子是响应于压力的变化而改变电容的传感器。这些电容式压力传感器在本领域内是众所周知的。在一个实施例中，传感器12中的至少一个电感元件13还用作传感器12用的天线，从而与位于读取器10上的另一天线沈耦合能量。读取器10可以通过在传感器12附近发送激励脉冲14来激励传感器12。例如，该读取器可以发出等于或接近传感器12的谐振频率的RF激励脉冲14。传感器12可以响应于激励脉冲14而发出振铃信号16。读取器10可以确定振铃信号16的频率从而确定感测
参数值。图2是示出在读取器10从传感器12获取读数的过程中可能涉及的步骤的示例的流程图。各步骤可以包括多个交错的步骤并且这些步骤可以分几层交错。然而，为了明确读取器在读数获取期间的操作的序列，仅示出基本的顶层步骤。在初始条件202中，传感器 12已被配置成其谐振频率与感测参数成比例。利用电容传感器或电感传感器可以测量出的感测参数的一些例子包括压力、温度、加速度、角速度、PH水平、葡萄糖水平、盐度、粘度、介电常数、湿度、接近度、电解质水平和氧水平。另外，还可以感测其它已知参数。传感器12配置成远离读取器10。在一个实施例中，将传感器12植入活的人或动物体内以进行生理测量。可能的关注位置包括但不限于以下血管、头颅、眼睛、膀胱、胃、 肺、心脏、肌肉表面、骨面或任何体腔。可以针对短期的急性期或长期的慢性期而植入传感器12。传感器12可以是独立式，或者可以与诸如导管、支架、分流器、滤波器、起搏器、起搏器导线和血管封堵装置等的其它装置合并。传感器12被设计成具有映射到感测参数值的范围的工作频率范围220 (图2中未示出)。当期望获取读数时，如图2的框204 —样，读取器10可以在传感器12附近发送激励脉冲14。脉冲14可以是预定的固定频率的短暂能量爆发。可以选择脉冲14的频率为等于或接近传感器12的工作频率范围220的中间，并且脉冲14的带宽可以窄。窄带宽脉冲的优势在于不太可能电磁干扰周围的其它装置。窄带宽脉冲的另一优势在于通过使得系统设计者能够选择由关于电磁频谱分配的政府或行业法规所规定的严格带宽内的脉冲频率，允许该系统更容易遵守这些法规。在一个实施例中，脉冲14窄，并且集中于作为由国际电信联盟(ITU)分配给商用RF装置使用的所谓的工业、科学和医疗(ISM)频段之一的 13.56MHz。窄带宽脉冲的又一优势在于与等同的连续发送方案相比，可以需要较少的电力，由此使读取器10更适合电池操作，并且允许使用与更高功率的对应部件相比通常需要较少的散热的较小组件。最后，在图2的步骤204中发送固定频率的脉冲14的优势在于 与扫频方案或连续发送方案相比较，读取器10的发送电路简单。由于传感器12邻近读取器10，因此进行图2的步骤206。经由传感器12的天线和读取器10的天线之间的电感耦合利用脉冲14对传感器12供电。脉冲14使电流流入传感器12的天线，从而对由电容器15和电感器13形成的“LC储能”电路供电。脉冲14的持续时间通常短，并且在步骤208中，读取器10突然终止脉冲14。存储在传感器12的LC储能电路中的能量立即开始耗散，从而使传感器12以其谐振频率进行振荡。由此，传感器12 的天线发出该频率的振铃信号16。在终止发送之后，如步骤210 —样，读取器10必须立即进入接收模式，从而检测振铃信号16并放大振铃信号16。根据测量条件，振铃信号可能微弱、有噪声或者持续时间短，从而导致不利于频率测量期间的精度和分辨率。由于该原因，在步骤212中，读取器10可以锁定和保持采样后的振铃信号在足够的时间内处于恒定频率和强振幅，以在步骤214中获取高精度的频率测量。图3定性示出实施例中读取器10和传感器12在频域内的理想特性。传感器12在值的预定作用范围内感测其关注物理参数。传感器12将该物理参数范围映射到相应的工作频率范围220上。曲线2M是当传感器12的谐振频率是其工作频率范围220的最小值时传感器12的传递函数。传感器传递函数224的峰值位于传感器12的谐振频率处。随着感测参数在值的作用范围内变化，传感器传递函数在工作频率范围220内相应地移动。因而， 根据感测到的物理参数的值，可以使传感器传递函数以工作频率范围220内的任意位置为中心。其谐振频率(传递函数曲线的峰值)与感测参数的值相对应。当感测参数位于其作用范围的另一端点时，传感器传递函数变为最大频率传感器传递函数222。图3中的窄带函数14表示图1所示的激励脉冲14。窄带函数14的表示为fxmt的频率通常固定为等于或接近工作频率范围220的中央。脉冲14通常为窄带宽、持续时间短并固定为预定频率fxmt。相对于必须扫描或改变它们所发送的频率的其它读取器，这些脉冲特性赋予读取器10以下几个优点电路更加简单、控制软件/固件更加简单、整体功耗降低 (使得能够进行电池操作)、较低电力(因而较小)组件、内部散热较少、对来自外部源的电磁干扰的敏感性降低、电磁干扰外部装置的可能性降低以及遵守政府频率分配法规的容易度提高。图3所示的另一重要特征是表示读取器10的最小信号检测阈值2 的水平线。在断开激励脉冲14之后，传感器12耗散其从激励脉冲14接收到的能量。在不存在强制性的激励脉冲14的情况下，该能量引起传感器12的谐振频率的振荡，从而发出振铃信号16 (图 3中未示出)。振铃信号16的信号强度(幅度)是由激励脉冲14和传感器传递函数的交叉所确定的该振铃信号的幅度受到该点处这两个函数的乘积所限制。为了使读取器10能够检测到和测量出振铃信号16，该乘积在该交点处的幅度必须大于或等于读取器10的信号检测阈值226。图4A、4B和4C提供读取器10和传感器12之间的典型信号交换在频域内的说明性示例。该图所示的处理与图2中以流程图形式所示的处理相同。在图4A所示的初始条件下，感测参数值使得传感器12的传递函数228以工作频率范围220内的频率为中心。注意，与在传感器12和读取器10之间传递的电子信号相比，感测参数(因而传递函数228) 以慢得多的时标改变，因而传递函数2 相对于这些信号呈准静态。由于感测参数相对于电子信号呈准静态，因此读取器10能够在短的时间间隔内取出多个样本并对这些样本进行平均以获得更加精确的测量值。在图4B中，读取器10生成激励脉冲14。脉冲14是集中于作为等于或接近工作频率范围220的中央的频率fxmt的窄带宽信号。当读取器10在传感器12的物理附近生成激励脉冲14时，从读取器10向传感器12传递能量。在一个实施例中，该能量传递利用RF频带内的fxmt通过电感耦合而发生。注意读取器激励脉冲14和传感器传递函数2 之间的交点230。该点处这两个幅度的乘积将确定振铃信号16的幅度。接着，在图4C中，读取器10停止发送激励脉冲14。当激励能量停止时，传感器12 从以由于非发送频率谐振而发生相位误差的发送频率的强制性驱动特性转变为以约为曲线228的峰值的、依赖于传感器及其周围环境的谐振频率的频率的无源谐振特性。由于传感器12的电感器内的谐振能量，以该谐振频率在传感器12周围生成时变磁场，其中，读取器10可以检测到该时变磁场作为以该谐振频率发出的信号。注意，如果使传感器12受到使传递函数228向着图4C的右侧(在的增加方向上)进一步移动的感测参数，则曲线2 在点fxmt处的幅度减小，从而导致交叉水平230 也减小。随着f,es进一步增加并且到达fmax，交叉幅度230等于读取器10的最小检测阈值 226。如果传递函数228向着右侧进一步移动，则超过fmax，并且交叉幅度230降至读取器10的检测阈值226以下。现在，读取器10不再能够检测到振铃信号16，即&。3在系统的工作频率范围220外。注意，必须对传感器12进行设计，以使得其传递函数2 具有足够宽的带宽，以在整个工作频率范围220内维持交叉幅度230在读取器10的检测阈值226以上。然而，设置具有宽的传递函数228的传感器12通常使传递函数228的峰幅度下降，因此必须在幅度和带宽之间寻求平衡。通常，根据图4A、4B和4C明确可知，读取器10的检测和测量振铃信号16的能力也将依赖于激励脉冲14停止之后的振铃信号的功率水平，依赖于系统Q，以及依赖于振铃信号16的持续时间。说明了图4A、4B和4C所示的传递函数228、信号14和16的形状以及工作范围 220作为例子。在一些实施例中，传递函数2 可能具有不同的特性，并且相对于处于峰值的fMS可能不对称。另外，操作范围220相对于作为激励脉冲14的频率的fxmt可能不对称。 操作范围220的不对称可能作为传感器12的特性的结果而发生，或者可能有意设计了该不对称，从而抵消传递函数228、激励信号14或振铃信号16的不对称。在替代实施例中，读取器10可以发送不接近传感器12的工作范围220的中央的脉冲。在这种情况下，读取器10发送频率与传感器12的操作范围220内的频率谐波相关的脉冲。即，使用由于所发送的脉冲而产生的高次或低次谐波作为图4A、4B和4C所示的激励脉冲14。
在又一实施例中，读取器10可以同时或在不同的时刻发送频率不同的两个以上的激励脉冲。这些多个激励脉冲可以激励工作频率范围220的不同部分。可选地，通过加上或减去这些多个脉冲的组合或它们的谐波所产生的频率可以用作图4A、4B和4C中的激励频率14。激励脉冲还可以假定高斯形状或其它非正弦形状。再次参考图1，读取器10还可以包含用于将来自传感器12的振铃频率读数转换成数字形式、并将这些读数存储在板上存储器内的电路。除来自传感器12的测量值以外， 读取器10的存储器还可以存储其它相关数据。这些例子包括时间戳数据、校准系数、实现系统功能所需的固件、固件升级、零件编号、序列号、使用日志、历史数据、配置数据、诊断数据、与传感器的主机位置和应用有关的信息以及用户定义数据。读取器10还可以包含与频率数据的某方面相对应的诸如显示画面、LED或听觉指示等的人机界面。此外，读取器10可以处理其接收到的频率数据，从而进行平均化、滤波、 曲线拟合、阈值监测、时间戳、趋势分析和与其它数据比较等的这些功能。如图5所示，读取器10还可以与数据接口 17进行通信。数据接口 17位于读取器 10外部，并被配置为从读取器10接收电子信号并向读取器10发送信号。另外，数据接口 17可以向读取器10提供电力，从而例如对位于读取器10内的电池充电。数据接口 17的例子包括主计算机、扩展坞、电话网络、蜂窝式电话网络、GPS网络、光学网络、蓝牙网络、存储区域网络、互联网网站、远程数据库、数据输入装置、可听声音和显示画面。读取器10和数据接口 17可以彼此直接连接或经由中间装置间接连接，或者可以经由远程连接进行通信。读取器10和数据接口 17可以设置在同一壳体内。读取器10和数据接口 17可以经由线缆或通过无线链路相连接。读取器10可以向数据接口 17发送信息。 例子包括与传感器12有关的数据、从传感器12得到的测量值、时间戳数据、零件编号、序列号、固件修改信息、使用日志、诊断数据、历史数据、状态数据、配置数据、与传感器的主机位置和应用有关的信息以及用户定义数据。数据接口 17可以向读取器10提供数据和命令。 例如，数据接口 17可以向读取器10提供与用于对传感器12进行采样的进度和间隔有关的信息、校准系数或查找表、实现系统功能所需的固件、固件升级、配置设置、诊断命令、重置、 重启、用户定义数据和用户发出命令。数据接口 17还可以与远程数据系统18进行通信以交换状态信号和控制信号并提供传感器数据。远程数据系统18可以包括数据收集模块19，用于接收来自数据接口 17 的数据；数据记录模块20，用于存储接收到的数据；以及数据显示器21，用于显示传感器数据。与数据接口 17相同，远程数据系统18可以存储和处理数据，发出命令，并且分发这些数据和命令，从而允许与数据网络上的多个用户进行通信。与读取器10和数据接口 17之间的连接相同，数据接口 17和远程数据系统18之间的连接可以经由线缆或者可以是无线的。图5所示的、读取器10经由线缆连接至数据接口 17并且数据接口 17无线连接至远程数据系统18的结构是一个示例实施例。尽管图5的例子将数据记录和显示的功能与远程数据系统18相关联，但本领域的普通技术人员显而易见，还可以利用外部数据接口 17或读取器10来执行这些功能。上述的读取器10、传感器12和数据接口 17的系统在生物医学遥测领域的一个实施例中特别有利。在本实施例中，将传感器12植入活人内，以感测例如从动脉内感测到的血压的生理参数。由于通过传统技术可以使传感器12变得非常小，因此传感器12非常适合该应用，并且由于传感器12是无源传感器，因此传感器12不需要最终将耗尽的板上电源。 可以使读取器10的部分在实体上足够小以进行手持，电池供电，热冷却，并与其附近的其它电子装置电磁兼容。这些属性来源于如上所述的生成窄带的固定频率的激励脉冲14的简单低功率电路。因而，可以将读取器10舒适地佩戴于人的位于所植入的传感器12附近的衣服上，从而可以频繁读数并且处理/存储这些读数。用户可以周期性地、例如每天将读取器12放置在扩展坞形式的数据接口 17上。数据接口 17可以包含用于对读取器12的电池充电、更新读取器12的设置和软件并下载其数据的电路。数据接口 17还可以经由因特网或电话链路将该数据通信至用户、以及诸如该用户的医师等的其它关注者。由于读取器 12所使用的低功率激励方案，因此这种系统可以在对患者造成的麻烦最小的情况下频繁取得精确的血压读数，并将这些血压读数高效地通信至护理者。显然，本实施例还可应用于感测可以对无源LC传感器的谐振频率造成变化的任何其它内部生理参数。在本实施例的变形例中，将传感器12与进行不同的功能的另一可植入式医疗装置合并。例如，传感器12可以是与诸如St. Paul,Minnesota的St. Jude Medical, Inc所研发的Angio kal产品等的血管阻塞装置合并的血压传感器。在本实施例的另一变形例中， 可以将读取器10与其它装置合并。例如，可以将读取器10安装至蜂窝式电话、眼镜、手持式音乐播放器、视频游戏机、衣服或手表。包括电容器15和电感器13的传感器12可以配置成将这些电路元件组装在单一封装体中。可选地，在一些应用中，将电容器15布置成远离电感器13并利用导电引线连接电容器15和电感器13这两个元件，这可能是有利的。作为例子，在将传感器12植入人体内的实施例中，可以将压敏电容器15布置在发现关注压力的部位，并且可以将用作天线的电感器13布置得离肌肤表面较近，从而使传感器12和读取器10之间的无线耦合距离最小。这些连接用的导电引线可以采用包括布线、布线丝、印刷柔性电路、印刷刚性电路、馈通或刚性管脚的多个众所周知的形式中的任意形式。在可植入式实施例中，对传感器12进行设计以适合诸如基于导管的传输等的微创植入方法也可以是有利的。另外，可以期望可植入式传感器的一部分不透过射线或反射超声波，以辅助植入和植入后诊断。可以利用多个众所周知的技术来制造传感器12。可以利用微机电系统(MEMS)技术、光刻技术或标准的机械加工技术来制造电容传感器15。电感器13可以包括绕线线圈； FR4、Teflon、Rogers或其它印刷电路板；低温共烧陶瓷(LTCC)、生瓷带或其它陶瓷印刷电路板；或者本领域的技术人员已知的任何其它电感器技术。电感器13可以带芯或不带芯， 并且还可以利用并入上述的印刷电路板或陶瓷技术之一内的磁性材料。可以将电感器和电容器封装到一起作为多芯片模块(MCM)。在另一实施例中，如图6所示，图1的系统还可以包括中间天线M0。中间天线MO 包括串联连接到一起的读取器侧天线242和传感器侧天线244这两个天线。中间天线240 可以改善读取器10和传感器12之间的信号耦合，并且可以用于在读取器10和传感器12 之间存在不易被导电引线穿透的多个阻挡层246和M8的情况。作为例子，对于植入血管内的传感器12，阻挡层2 (M8)表示血管壁，并且阻挡层1(M6)表示肌肤表面。在将中间天线240配置在适当位置的情况下，由于读取器10和传感器12之间的信号耦合通过经由引线的导通而不是通过经由系统所置于的介质的辐射而发生，因此该信号耦合更加高效。另外，可以对天线242和244各自调整大小以匹配传感器12和读取器10的相应天线，从而进一步提高耦合效率。最后，可以横跨传感器电感器13精确地对准传感器侧天线M4，从而减少由于在不存在中间天线240的情况下可能发生的读取器10和传感器12之间的不一致而引起的误差。中间天线240可以由柔性电路、绕线线圈或其它广泛应用的部件制成。还注意，通过对各对阻挡层添加更多的中间天线M0，该概念可以扩展至存在两个以上的阻挡层的应用。在另一实施例中，图1的传感器12还可以包括被称为基准谐振器的具有单独的电感器和电容器的第二 LC储能电路。可以使用与包括电感器13和电容器15的感测谐振器相同的材料、工艺和部件来制造该基准谐振器，但有两个关键不同之处。首先，基准谐振器的组件的值固定并且不随着感测参数而改变。其次，基准谐振器的组件的固定谐振频率被设计成在感测谐振器的工作频率范围220外。基准谐振器的目的是提供可用于对读取器12 获取到的传感器读数进行校正的背景读数。诸如读取器距离、中间介质的变化、传感器朝向读取器的方位、组件的老化、机械应力、电应力、除气、温度、细胞生长和血液凝固等的导致不精确的某些因素可能以与感测谐振器相同的方式影响基准谐振器。通过理解基准谐振器相对于其固定频率的偏差和感测谐振器相对于其标称频率的偏差之间的关系，读取器可以基于基准读数来对感测频率提供校正因数。在本实施例中，向图2的步骤202和204之间引入额外的步骤，其中，读取器10可以发送基准谐振器的标称谐振频率的激励脉冲，观察基准振铃频率的任何偏差，并且计算(或根据查找表获得)针对即将在步骤210中获得的读数的适当校正因素。可选地，可以在感测读数之后得到基准读数。尽管感测谐振器所经过的每个变化可能不会都以完全相同的方式影响基准谐振器，但“自校准”的该方法可以通过消除或降低这两个谐振器共有的不精确度来提高性能。例如，这些不精确度可以与距离、 方位、生理反应、中间组织的变化以及经常被统称为“传感器漂移”的传感器12的行为的其它长期变化相关联。另外，必须认真考虑频率选择以及基准谐振器的其它设计方面，以避免与原来的感测谐振器耦合以及与读取器发生常见的相互作用。读取器10包括用于发送激励脉冲14、接收振铃信号16并处理振铃信号16的电路(图7)。例如，读取器10包括用于配置和激活读取器10内的其它电路的定时和控制电路22。来往于定时和控制电路22的实线箭头表示诸如数字信号或低频信号等的控制接口。 定时和控制电路22还生成发送至发送电路M的RF信号(由虚线箭头示出)。发送电路 24接收RF信号并将激励脉冲14发送至天线沈以激励传感器12。定时和控制电路22可以仅在正在发送激励脉冲的间隔期间将RF信号提供至发送电路24，以防止泄漏或耦合至系统内的其它节点。读取器10还包括连接至发送电路M和接收电路28的天线26。发送电路M利用天线沈来发送激励脉冲14，而接收电路观利用天线沈来接收振铃信号16。在实施例中，代替在发送和接收之间进行切换，天线沈总是连接至发送电路M和接收电路观这两者。该共用天线26的设计需要特别考虑，以防止对接收电路观造成损坏。具体地，必须注意不使接收电路观的敏感放大器级过载。另外，读取器10需要在发送电路M正在驱动天线26的情况下存在的极端过度驱动条件和在接收和放大相位期间在天线沈处存在的低压条件之间进行快速转变。例如，天线沈的电压在激励脉冲的发送期间可能超过200伏的峰峰电压，并且在紧挨激励脉冲14之后的接收期间可能是数毫伏，快速衰减至微伏。尽管将
15读取器10描述为具有共用天线沈，但应当理解，读取器10可以包含一个以上的天线，以单独进行发送激励脉冲14和接收振铃信号16的功能。读取器10还包括用于接收和锁定到振铃信号16的锁相环(PLL) 30。接收电路观可以在将振铃信号16发送至PLL 30之前对振铃信号16进行放大和调节。PLL 30包括电压控制振荡器(“VC0”)32(图7中未示出)，其中，电压控制振荡器32可以工作以在不存在信号时锁定传感器谐振频率的范围内的频率，或者可以进行选择以在不存在信号时优选传感器谐振频率的范围以上或以下的频率，从而增强接收到传感器谐振频率时的锁定时间。 在实施例中，选择在无信号的PLL锁定频率略微高于传感器谐振频率的范围时表现较好的 PLL0 VCO 32生成被称为计数信号250的与振铃信号频率成比例的ac信号。PLL 30调整降频得到的计数信号以匹配振铃信号16的频率，并将计数信号250发送至频率计数器34。 VCO 32与确定计数信号250的频率的频率计数器34相连接，并且将表示该频率的数字信号提供至外部接口电路36以传递至数据接口 17。通过使VCO 32以比振铃信号16的频率高的频率工作，可以大幅缩减计数和记录VCO 32的计数信号250的频率所需的时间。读取器10的各组件被设计成高效工作并降低电力消耗。为此，读取器10包括降低电力功能。定时和控制电路22利用连接至各组件的唤醒定时器38控制各组件的电源状态(图8)。在降低电力模式中，一些组件可能完全断电而其它组件可能在睡眠模式下工作， 其中，在该睡眠模式下，保持供电以维持配置但该电路呈静态以使功耗最小化。定时和控制电路22可以使读取器10的各组件在不使用时置于睡眠模式或关机模式。另外，可以使整体读取器10在外部控制器所指定的时间段内置于系统水平的低功率模式。定时和控制电路22可以包括用于从外部接口电路36接收定时指示的配置缓冲器40。 这些指示确定进入电力降低模式之前的延迟期间以及唤醒定时器38用的其它延迟期间。 除了来自读取器10外部的定时指示以外，还可以通过板上信号其中之一超过了阈值来触发进入/退出电力降低模式。读取器10的固件可以包含用于确定进入/退出电力降低模式的算法。在读数获取期间，唤醒定时器38可以在适当时刻唤醒读取器10的各组件以确保各组件在需要时处于工作状态。具体地，唤醒定时器38可以与发送定时器42、接收定时器 46、PLL定时器48和频率计数器定时器50进行通信，以唤醒和控制读取器10的各个组件。 一旦启动，则这些定时器各自可以控制并对各个组件进行供电。当进行配置时，唤醒定时器 38在发送启动信号52以启动其它的定时器之前，可以延迟可以为0秒的指定间隔。如图8 所示，没有将启动信号52示出为从唤醒定时器38到各个计数器的连续线，从而防止线交叉并使混淆最小化。一旦启动，发送定时器42对电源控制信号M、衰减控制信号56、Q控制信号58和 RF启用信号60确定适当序列和时段，以对发送电路M和发送频率发生器44进行适当排序。电源控制信号M控制发送电路M的电源状态和睡眠状态。衰减控制信号56控制发送电路M内的衰减电路的激活，以在发送时段结束时快速耗散天线26的能量。Q控制信号58控制发送电路M内的切换电路，以在接收到振铃信号16时减小Q并修改天线沈的带宽。RF启用信号允许发送频率发生器44将RF信号发送至发送电路M。在实施例中，发送频率发生器44仅在发送电路M正在发送激励脉冲14的时段期间，将RF信号提供至发送电路M。
接收定时器46被配置为对电源控制信号62确立适当序列和时段以对接收电路观进行适当排序。PLL定时器48对电源控制信号64和S/H模式信号66确立适当序列和时段，以对 PLL 30进行适当排序。电源控制信号64控制PLL 30的电源状态和睡眠状态。S/H模式信号66控制PLL 30中的采样和保持电路，其中，该采样和保持电路用于使PLL锁定至发送频率然后锁定至振铃信号16的频率，然后保持VCO 32的计数信号250的频率处于该锁定频率，直到计数器34测量出该频率为止。频率计数器定时器50对电源控制信号68和开始/停止计数信号70确立适当序列和计数间隔，以对频率计数器34进行适当排序。电源控制信号68控制频率计数器34的电源状态和睡眠状态。开始/停止计数信号70控制频率计数器34开始和结束测量VCO 32 的计数信号250的频率的时间。注意，尽管图8包含诸如“启动”、“配置”和“电源控制”等的共用同一名称的信号， 但这些信号各自对于其所连接的电路块而言是唯一的。例如，如上所述，来自频率计数器定时器块50的电源控制信号68不是与来自PLL定时器块48的电源控制信号64相同的信号。发送电路M被配置为经由天线沈将激励脉冲14发送至传感器12 (图7)。激励脉冲14可以是等于或接近传感器12的谐振频率的固定频率突发或频率迅速改变的突发。 例如，激励脉冲14可以是传感器12的谐振频率的几个带宽内的固定频率突发。可选地，激励脉冲14可以是等于或接近与传感器12的谐振频率谐波相关的频率的、非常短的持续时间的频率固定或频率迅速改变的突发或扫描。激励脉冲14还可以是超宽带脉冲。由于当激励脉冲14的发送已停止时接收到振铃信号16，因此这些多个激励脉冲14的方式都是可以的。因此，可以将激励脉冲14的发送限制为监管机构容许的频带、幅度和调制方案。由于传感器12完全是无源装置，因此射频法规可能不适用于传感器12。由于一个短的能量传输导致振铃信号16的一个完整样本，因此激励脉冲14不需要大量的传输时间。可以通过使用较低的传输占空比来降低电力消耗，由此减小发送、接收、计数和数字处理电路的占空比。通过降低电力消耗，电池供电成为用以对读取器10充电的更可行的选择。激励脉冲14可被配置为使几个系统参数最大。例如，如果使用固定频率的激励脉冲14，则突发的频率可被配置为使以下的参数最大，诸如最大容许发送峰电力、在将PLL锁定至振铃信号16的情况下在“接收”间隔期间相对于带内或近带干扰的最大自由度、针对期望传感器目的的读取器发送用的特定频率的最大广泛接受或者其它这种标准等。图9示出发送电路24。发送电路M的电平转换器72从定时和控制电路22接收控制信号M、56、58和RF信号。电平转换器72缓冲这些输入并将控制逻辑电平转换成电路驱动电平。发送驱动器74放大RF信号以提供充足的电力以驱动天线沈。在接收期间激活Q控制电路76以减小所组合的天线沈以及调谐和D. C.块82的Q。紧挨在激励脉冲14 的发送结束时短暂地激活衰减电路78，以吸收天线的能量并允许该天线对振铃信号16作出响应。衰减电路78可以将不同的Q因数提供至天线以提高振铃信号16的接收。电源控制电路80控制发送电路M内的组件的电源接通和睡眠模式。调谐和D.C.块82对天线沈进行调谐并防止直流不适当地使衰减电路78偏置。将来自发送电路的RF输出或激励脉冲 14发送至天线沈和接收电路28这两者。
一旦发送电路M发送了激励脉冲14，接收电路观被配置为收听振铃信号16。参考图10，高Z缓冲器/钳位电路84包括用于限制接收电路观对调谐和D. C.块82所进行的调谐的影响的高阻抗(“高Z”)输入装置。高Z缓冲器/钳位电路84还用于保护放大器级86免于在激励脉冲14的发送期间存在于天线沈上的极端电压。天线沈的电压在激励脉冲的发送期间可以达到200伏以上的峰峰电压，仅需要约60皮克法拉的电容来对天线沈进行调谐。在一个实施例中，使用1皮卡法拉的电容器作为13. 56MHz的发送电路上的高阻抗输入电流限制电路。可以在IpF的电容器的接收器侧上配置将过电压分流至电源并将欠压分流至地面的低电容的二极管结，以使得在这些二极管结保护接收器放大器免于在发送期间流经天线沈的高压时，该电容器限制流经二极管的电流。放大器级86将振铃信号16放大至充足电平以驱动PLL 30的输入。需要对放大器级86进行精细设计，以在去除并衰减了所发送的激励脉冲14的信号时实现适当的瞬态响应，并且接收到低电平的振铃信号16。可以使用Q调谐的反应漏极负载低的共用栅极放大器级来调节高Z缓冲器/钳位电路84的输出，之后将几个滤波器散置在高增益的放大器级之间。这些滤波器可以是电阻器-电容器(“RC”)式滤波器或电感器-电容器(“LC”) 式滤波器。在实施例中，这些滤波器可以全部都是RC带通滤波器。可以使用Q调谐的反应漏极负载低的另一共用栅极放大器级，以在将信号馈给至PLL 30的输入之前进行最终带通调节。该设计使得所有这些放大器类型都能够进行从极低的信号输入电平到极高的信号输入电平，而不存在由于级饱和特性所引起的诸如频率加倍或减半等的信号失真，并且利用共用栅极放大器级和散置在高增益的放大器级之间的RC滤波器的优越的瞬态响应特性可以实现极高的输入阻抗。必须特别考虑级之间的电源和信号分离以防止由于与放大器级 86相关联的极端增益而引起的不必要的振荡。电源控制电路88可以向放大器级86和高Z缓冲器/钳位电路84中的缓冲器应用电源和从它们移除电源以降低电力消耗。应当注意，高Z缓冲器/钳位电路84被设计成即使在电力被去除的情况下，也提供完全保护，因为多余能量在耗散之前仅对放大器级86 供电。输入阻抗足够高以限制多余能量从而防止对放大器级86提供过多电力。在实施例中，接收电路观在激励脉冲14的发送期间工作，以缩短PLL 30锁定至振铃信号16所需的时间。PLL 30从接收电路观接收放大和调节后的振铃信号16。参考图10和11，来自接收电路28的放大器级86的RF信号馈给PLL 30的RF缓冲器90。RF缓冲器90可以将RF 信号馈给至将RF信号频率除以整数值的可选RF分频器92 (图11)。然后，RF分频器92将 RF信号馈给至相位频率检测器94的第一输入。相位频率检测器94的输出馈给采样和保持(S/H)误差放大器96。S/H误差放大器96控制VCO 32的频率。VCO 32所输出的计数信号250馈给VCO分频器98，其中，VCO分频器98的输出反过来馈送至相位频率检测器94的第二输入。PLL 30可以包括输出缓冲器102，其中，输出缓冲器102用于在将计数信号250 的频率转发至频率计数器34的情况下减轻VCO 32的负载。VCO分频器98允许VCO 32以比振铃频率16高得多的频率工作。结果，可以大幅缩短计数和记录VCO信号频率所需的时间。此外，较短的计数间隔使计数期间的VCO漂移减少并且允许更高的采样率。相位频率检测器94被配置为确定分频后的RF信号和分频后的VCO信号之间的频率和相位误差。这最好通过滤波并放大馈给至S/H误差放大器96的信号来实现。此外，S/
18H的功能可以最佳地转发过滤和放大后的信号以控制VCO 32。以这种方式，形成了使VCO 32的计数信号250的频率等于振铃信号16的频率与除以了 RF分频器92的整数的VCO分频器98的整数相乘的封闭控制环路。PLL 30可以包括附加分频器以使电路设计最优化并增加潜在的VCO 32的频率范围。PLL定时器48将S/H模式控制信号66发送至PLL 30的S/H误差放大器96。S/ H模式控制信号66可以使VCO 32置于采样模式。在实施例中，使VCO 32在预定时间长度内置于采样模式。在采样模式中，如上所述，对分频后的VCO计数信号的频率进行调整以匹配振铃信号16的频率。当将S/H模式控制信号66置于保持模式时，S/H误差放大器96将保持其输出恒定，从而使针对VCO 32的控制电压在足以确定VCO 32的计数信号250的频率的时间长度内大致恒定。从PLL定时器48到电源控制电路104的电源控制信号64确定PLL 30是处于电源接通模式还是处于用以节约电力的睡眠/电源断开模式。根据所使用的特定PLL 30，可能要求控制和通信链路(未示出)设置RF分频器92的整数、VCO分频器98的整数、以及相位频率检测器94的输出和输出配置。通信链路可能是所使用的特定PLL 30所特有的。如图12所示，频率计数器34包括计数器级106、计数器缓冲器108和电源控制电路110。频率计数器定时器50将开始/停止控制输入70发送至计数器级106和计数器缓冲器108。频率计数器定时器50还将电源控制输入68发送至电源控制电路110。计数器级106对来自PLL 30的输出缓冲器102的VCO信号频率计数。计数器级106在开始/停止控制命令开始时开始计数，并且在开始/停止控制命令停止时结束计数。当开始/停止控制命令停止时，向计数器缓冲器108载入来自计数器级106的计数值。电源控制电路110 控制频率计数器34中的组件的电源接通模式和睡眠模式。计数器缓冲器108的输出可以将计数输入供给至外部接口电路36。可以根据频率计数确定振铃频率16，随后确定感测参数。在其它实施例中，可以采用用于测量接收到和放大后的频率的其它方法。这些其它方法可以包括振铃信号的直接计数、或者现有技术已知的各种频率到电压转换电路。在工作中，读取器10如下排序。在没有对传感器12进行采样的时间段内，使读取器10的所有组件置于电力降低模式。针对特定采样延迟或采样间隔对定时和控制电路22 中的唤醒定时器38进行配置。在指定时间时，唤醒定时器38启动采样序列。具体地，唤醒定时器38在适当时间供电或唤醒读取器的各组件以确保各组件在需要时处于工作状态。除了接收所生成的最后数据以外，在采样序列中通常不需要外部接口电路36。可以由除定时和控制电路22以外的内部控制器或外部控制器来处理外部接口电路36进入/ 退出低功率模式。定时和控制电路22在诸如约20毫秒等的短时间段内将RF信号提供至发送电路24。然后终止来自定时和控制电路22的RF信号，并且对发送电路M进行控制以快速衰减天线26处的发送信号。然后，使发送电路M置于适当模式以允许在天线沈处接收振铃信号16。在实施例中，当天线沈被配置为接收振铃信号16时，天线沈的衰减大于振铃信号16的衰减。在激励脉冲14的发送期间，接收电路沈接收、调节和钳位天线沈处的所发送的 RF信号。一旦激励脉冲14的发送停止并且天线沈被配置为接收振铃信号16，接收电路观转变为高增益接收模式以接收来自天线26的振铃信号16。PLL 30处于采样模式以允许RF缓冲器90对接收电路观的调节输出进行接收。当天线沈开始接收振铃信号16时，PLL 30从锁定至所发送的激励脉冲14的频率转变为锁定至振铃信号16的频率。在足以使PLL 30锁定至振铃信号16的频率的时间间隔之后，使PLL 30转变为保持模式以维持VCO 32的计数信号250的频率处于振铃信号16的频率。锁定所需的时间可以是预先确定的，或者可以是基于PLL锁定条件而适应的。在锁定之后，在适当时使接收电路观和发送电路M断电或置于睡眠模式。一旦PLL 30处于保持模式，定时和控制电路22指示频率计数器34进行VCO 32 的计数信号250的频率的受控间隔计数。在该计数完成时，在适当时使PLL 30的组件断电或置于睡眠模式并将计数值传递至外部接口电路36。然后，在适当时使频率计数器34的组件断电或置于睡眠模式，随后在适当时使定时和控制电路22的组件断电或置于睡眠模式。 如果被编程为进行间隔采样，则定时和控制电路22的唤醒定时器38计数，直到应当进行下一采样为止。否则，定时和控制电路22等待来自外部接口电路36的唤醒命令以及任何其它的所需指示。在突发采样模式中，组件准备就绪所需的供电时间可能在断电时间之前，在这种情况下，这些组件将保持供电直到采样突发完成为止。图13所示的读取器10中的PLL电路30的实施例包括可以添加至PLL 30的用以实现替代上述PLL 30电路的功能但等同的功能的几个特征。可以应用在图11和图13之间看出的变化中的一部分或全部以增强图11的PLL 30的操作。可选择输入RF缓冲器111 允许选择来自放大器级86的RF信号或在读取器10的其它组件处生成的基准信号以输入至RF分频器92。该选择是由RF缓冲器111的基准/接收控制输入所确定的。误差放大器112已简化，并且不再直接提供以前针对来自图11的S/H误差放大器96所述的采样和保持能力。图13示出包括模数(A/D)转换器113、数模(D/A)转换器114和开关115的电路元件。这些元件可以用于实现采样和保持功能。在图13的结构中，在读取器10将激励脉冲14发送至传感器12期间，可以选择基准频率信号“Ref信号”作为针对RF缓冲器111的输入，并且维持基准信号，直到可选择输入RF缓冲器111的h A处的RF信号变得稳定并且可从接收电路观获得的时间为止。该基准信号允许PLL 30“预先锁定”至稳定的基准信号，因此缩短了从接收电路观可获得振铃信号时的锁定时间。RF分频器92将可选择的输入RF缓冲器的输出除以等于或大于1的任意值，然后将分频得到的缓冲器信号馈给至相位频率检测器94。相位频率检测器94的输出馈给误差放大器112，其中，误差放大器112提供用作针对PLL 30中的VCO 32的控制信号所需的适当增益和频率响应。误差放大器112 的输出馈给开关115的输入A。当选择输入A时，开关115将误差放大器112的信号传递至VCO 32和A/D转换器113这两者。然后，使用A/D转换器113以对针对VCO的控制电压进行采样，以确定将VCO 32锁定为与可选择输入RF缓冲器111的输入A有关的频率的控制电压电平。如后面将说明的，A/D转换器113的信号可以用于间接测量VCO 32的频率， 并且可以用于确定D/A转换器114的适当设置，以使得可以将开关115设置到输入B以维持VCO 32在任意时间段内处于锁定频率输入水平，从而实现与针对图11的S/H误差放大器96所述的数字采样和保持功能相同的数字采样和保持功能。对所述的图13的电路的操作的几个细微修改可以允许在功能上等同的效果。一个这种修改是使用以已知频率馈给的可选择输入RF缓冲器111的输入B来将A/D转换器113的电压校准为特定接收电路观的！^信号频率。一旦进行了校准、以使得良好地定义了针对RF缓冲器的信号输入和A/D转换器113的数字输出之间的关系，A/D转换器113的输出可以用于表示振铃信号16的频率。A/D转换器113的输出变为PLL输出。以这种方式的操作将允许A/D转换器113部分或完全取代输出缓冲器102和频率计数器34的功能。对所述的图13的电路的操作的另一修改是使用来自A/D转换器113的数据对PLL 30进行锁定分析以缩短锁定时间并提高锁定频率精度。由于误差放大器112的输出在接收电路观的输出处可获得传感器12的信号16时收敛于锁定电压值、然后在传感器12的信号16的水平衰减经过可以维持锁定的位置时以可预测的方式发散，因此可以进行该操作。对所述的图13的电路的操作的另一修改是使用D/A转换器114以在VCO 32的输入处生成特定电压，记录这些特定电压处的A/D转换器的输出，并且使用频率计数器34来确定输出缓冲器102的输出处的信号的频率。这样允许使用频率计数器34来针对一个或多个频率对A/D转换器进行校准。对图13的电路作出的、电子设计领域的普通技术人员将显而易见的细微修改包括将开关115和D/A转换器114的位置从图13所示的位置重新配置为相位频率检测器94 和误差放大器112之间。该配置需要使用A/D转换器113或频率计数器34或者这两者所进行的以下的附加步骤校准经由误差放大器112的D/A转换器114的输出以确定适当缩放，从而实现所期望的VCO 32的控制电压。然而，代替使用可选择输入RF缓冲器111的输入B处的基准信号，该配置允许D/A转换器114用于进行预先锁定。将该配置与先前描述为允许消除输出缓冲器102和频率计数器34的A/D转换器113的校准方案相结合，这可以通过针对各振铃周期缩短解析传感器12的谐振频率所需的时间来适度减少使读取器10工作所需的电力。所述实施例的另一细微修改是基于电力限制、计算复杂度、时间临界要求或其它系统相关优先级来将系统处理负荷分配至适当位置。这种修改可能使设计者将对来自 A/D转换器13、D/A转换器114或者频率计数器34的数据的处理或分析置于远程数据系统 18、读取器10或外部数据接口 17中的任一个。在读取器10的电路的又一实施例中，数字频谱分析电路取代图7的PLL 30和频率计数器34，从而得到图14所示的修改框图。这里，数字采样电路260取代PLL 30，并且频谱分析电路262取代频率计数器34。同样，数字计数信号264取代模拟计数信号250。在功能上，数字采样电路260在振铃信号16的短的振铃持续时间内从振铃信号16 提取信息并对该信息进行数字化。接收电路观可以在将振铃信号16发送至数字采样电路 260之前放大和调节振铃信号16。数字采样电路260可以对接收电路观的无线电频率输出进行直接采样以获得基于时域的数据从而进行进一步分析。在实施例中，读取器10还包含频谱分析电路沈2，其中，频谱分析电路262用于将从数字采样电路260输出的时域数据转换成频域数据，并且用于对该频域数据进行缓冲以转发至外部接口电路36。频谱分析电路262还可以包括用以确定振铃信号16的振铃频率的判别功能。如本领域的技术人员显而易见，可以利用读取器10或利用远程数据系统18 来容易地执行频谱分析电路沈2的功能中的全部或一部分，其中，实现的主要差异在于经由外部接口电路36发送的数据的类型和数量、以及进行处理的位置的所需处理电力。定时和控制电路22以与图8所述的PLL实施例相同的方式控制数字采样电路沈0 和频谱分析电路262。图15的框图示出被配置为控制图14所示的可选读取器10电路的定时和控制电路22的可选实施例。利用图15的数字采样定时器274来替代图8的PLL定时器48。该定时器确定针对电源控制信号270和采样开始信号272的适当序列和时段，以对数字采样电路260排序。电源控制信号270控制数字采样电路260的电源状态和睡眠状态。采样开始信号272使数字采样电路260在突发采样模式下收集适当数量的样本以发送至频谱分析电路262。同样，利用图15的频谱分析定时器280来替换图8的频率计数器定时器50。频谱分析定时器280确立针对电源控制信号276和分析开始信号278的适当序列和定时，以对频谱分析电路262排序。电源控制信号276控制频谱分析电路262的电源状态和睡眠状态。分析开始信号278控制频谱分析电路262开始评价数字采样电路260所提供的采样突发264的时间。图14的可选实施例中的接收电路28在功能和体系结构上等同于图7和10的基于PLL的实施例的接收电路观，其中，唯一的不同之处在于来自放大器级86的输出信号馈给数字采样电路260的输入处的模数转换器四0，而不是PLL 30。图16是示出数字采样电路260的实施例的框图。来自接收电路观的放大器级86 的RF信号馈给至数字采样电路260的模数转换器(ADC) 290的输入。ADC 290将该RF信号转换成以足够近的间隔获取到的具有充分的采样数量的一组时间相关样本，以允许频谱分析电路262实现其所需的频率精度。这里将该组时间相关样本称为数字采样突发沈4。如图17所示，将从ADC 290输出的数字采样突发264馈给至频谱分析电路262的时频域转换电路94。这里没有指定时频域转换电路94的内部工作方式，这是因为该转换可以是以下几种方式中的任意方式，其中，这些方式可以包括快速傅立叶变换或离散傅立叶变换、离散小波变换或连续小波变换、几种拉普拉斯变换中的任意变换、几种Z变换中的任意变换或者本领域已知的其它转换算法。可以在硬件或软件或者这两者的任意组合中实现时频域转换电路94的内部工作方式，以实现所期望的转换。由于按采样间隔生成时频域转换电路94的输出、并且该输出可能包含要传递至外部数据接口 17的多个值，因此在频谱分析电路262中示出结果缓冲器96以保持这些值，直到可以将这些值传递至外部数据接口 17为止。在该数字频谱分析实施例中，除了数字采样电路260和频谱分析电路262进行与振铃信号16的频率的确定有关的功能以外，读取器10的工作序列与以上的“读取器工作序列”所述的工作序列相同。当天线26开始接收振铃信号16时，数字采样电路260在预先确定或计算出的时段内快速进行采样以获得数字采样突发264。在数字采样突发264完成之后，在适当时使接收电路观和数字采样电路260断电或置于睡眠模式。频谱分析电路262 将数字采样突发264的数据转换成频域并将该结果置于结果缓冲器96中，然后转变为低功率模式。随后，在适当时使定时和控制电路22的组件断电或置于睡眠模式。如果被编程为进行间隔采样，则定时和控制电路22的唤醒定时器38计数，直到应当进行下一采样为止。 否则，定时和控制电路22等待来自外部接口电路36的唤醒命令以及任何其它的所需指示。 如由通信接口所控制，结果缓冲器96中的采样数据对于外部接口电路36而言保持可用以传递至远程数据系统18。本领域的技术人员显然可知，可以对所述的数字频谱分析实施例进行多个细微修改以实现在功能上等同的结果。一个这种修改是使用ADC数据的补零，这对于评价信号突发数据的时频域转换而言是常见做法。另一个这种修改是将频谱分析电路262的物理位置从读取器10移动至远程数据系统18，其中，将ADC 290的数据以时域形式从读取器10发送至远程数据系统18。又一个这种修改是通过倍频、分频、合计或差分电路在读取器10内的某点处对振铃信号16进行频率转换，由于与频率选择性、带宽、采样时间等有关的多个原因中的任意原因而将振铃信号16改变为中频信号。又一个这种修改是使用数字信号处理技术来对频域或时域数据进行滤波、成形、分析、与其它数据的比较或者其他处理以及评价。同样，本领域的技术人员将容易观察到可以进行这里所公开的各种频率确定方法的组合并且这些组合在不同的应用中是有利的。例如，可以将模拟采样和保持电路与数字频谱分析相结合使用，从而保持振铃信号16足够长以获得数字化用的足够的样本。在另一实施例中，可以将本领域的技术人员已知的类型的标准RFID标签与传感器12合并。这种标签可以具有单独的天线，并且可以在传感器工作范围220外的频率下工作。这种标签可以编码有传感器12的配置信息。以上已说明了本发明的实施例，并且显然可知，其他人在阅读并理解本发明时将明白这些修改和改变。所附的权利要求书意图包括所有这些修改和改变，只要它们在权利要求书或其等同物的范围内即可。
权利要求
1.一种用于从远程位置获得测量值的方法，所述方法包括以下步骤 将固定频率的至少一个激励脉冲发送至无线传感器；响应于所述至少一个激励脉冲从所述无线传感器接收至少一个信号； 采样和保持接收到的所述信号；以及确定接收到的所述信号的频率，其中，所述无线传感器被配置为与至少一个感测参数成比例地改变所述无线传感器的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤发送所述固定频率的多个所述激励脉冲，接收多个所述信号，并确定所述信号的频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对确定出的多个频率进行平均。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激励脉冲是射频信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激励脉冲的频率约为13.56MHz。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤将所述无线传感器与提供不同功能的装置合并。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号是振铃信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤发送基准频率的至少一个基准激励脉冲，其中，所述基准频率不同于所述固定频率； 响应于所述至少一个基准激励脉冲，从与所述无线传感器合并的固定基准谐振器接收至少一个基准响应信号；采样和保持所述基准响应信号； 确定所述基准响应信号的频率；以及基于确定出的频率，提高接收到的所述信号与所述至少一个感测参数的相关性。
9.一种用于从远程位置获得测量值的系统，所述系统包括无线传感器，用于与至少一个感测参数成比例地改变所述无线传感器的谐振频率；以及读取器，用于将固定频率的至少一个激励脉冲发送至所述无线传感器，响应于所述激励脉冲从所述无线传感器接收至少一个信号，并且采样和保持接收到的所述信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无线传感器包括至少一个电容器和至少一个电感器，并且所述至少一个电感器随着所述至少一个感测参数而改变。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无线传感器包括至少一个电容器和至少一个电感器，并且所述至少一个电容器随着所述至少一个感测参数而改变。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无线传感器与提供不同功能的装置口井O
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括位于所述读取器和所述无线传感器之间的中间天线。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述中间天线包括经由导电引线连接到一起的两个天线。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述两个天线中的一个天线被定位和设计成与所述读取器进行最佳通信。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述两个天线中的另一天线被定位和设计成与所述无线传感器进行最佳通信。
17.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述至少一个激励脉冲是以下的至少之包含位于接收到的所述信号的频率的士20%的带宽内的频率的突发； 包含位于接收到的所述信号的分谐波频率的士20%的带宽内的频率的突发； 脉冲宽度小于所述信号的时段的两倍并且频谱内容不小于接收到的所述信号的频率的1/3的超宽带脉冲；以及频率不小于接收到的所述信号的频率的8/10并且不大于所述信号的频率的12/10的、 包括不小于10个周期并且不大于10000个周期的突发。
18.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信号是振铃信号。
19.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述读取器是手持式装置。
20.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述读取器由电池供电。
21.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无线传感器还包括附加谐振电路， 所述附加谐振电路的谐振频率是固定的，并不同于所述无线传感器的谐振频率。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述读取器还发送所述附加谐振电路的固定的谐振频率的另一激励脉冲，并且接收来自所述附加谐振电路的响应。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述读取器还确定来自所述附加谐振电路的响应的频率，以校准接收到的所述至少一个信号。
24.一种无线传感器读取器，包括发送电路，用于生成用于使无线传感器发出至少一个响应信号的至少一个激励脉冲； 至少一个天线，用于发送所述激励脉冲和接收所述响应信号； 锁相环电路，用于从所述至少一个天线接收所述响应信号，其中，所述锁相环电路包括电压控制振荡器，所述电压控制振荡器用于生成频率与所述响应信号的频率相关的计数信号；第一电路，用于对所述电压控制振荡器的控制电压输入进行采样；以及第二电路，用于生成输入至所述电压控制振荡器的控制电压信号， 其中，所述锁相环电路能够置于采样模式，以接收所述响应信号并基于所述响应信号的频率调整所述计数信号的频率，所述锁相环电路还能够置于保持模式，以在足以确定所述计数信号的频率的时间长度内保持所述计数信号的频率恒定，以及所述第一电路和所述第二电路在所述采样模式和所述保持模式之间重新配置所述锁相环电路。
25.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述第一电路还包括模数转换电路。
26.根据权利要求25所述的无线传感器读取器，其特征在于，使用从所述模数转换电路获得的值来将所述锁相环电路配置成所述保持模式。
27.根据权利要求25所述的无线传感器读取器，其特征在于，使用从所述模数转换电路获得的值来确定评价所述计数信号的频率的点。
28.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述第二电路还包括数模转换电路。
29.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，还包括开关，所述开关用于在所生成的所述控制电压信号和所述锁相环电路的相位检测器的输出之间选择针对所述电压控制振荡器的输入。
30.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述无线传感器读取器被配置为在不存在所述响应信号的时间的至少一部分期间，将所述电压控制振荡器的频率保持在所生成的固定频率。
31.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，从所述锁相环电路直接输出所述电压控制振荡器的与所述计数信号的频率相对应的所述控制电压输入。
32.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述锁相环电路还包括内部校准用的校准电路。
33.根据权利要求32所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述校准电路使得所述电压控制振荡器的所述控制电压输入能够与所述响应信号的频率相关。
34.根据权利要求33所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述校准电路使得能够代替所述响应信号而将基准信号引入所述锁相环电路内。
35.根据权利要求33所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述校准电路使得能够代替所述控制电压输入而将基准电压引入所述电压控制振荡器内，并且评价所述电压控制振荡器的输出频率。
36.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述响应信号是振铃信号。
37.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述激励脉冲具有固定频率。
38.根据权利要求M所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述发送电路还生成固定基准频率的至少一个激励脉冲，以使所述无线传感器上的基准谐振器发出基准响应信号。
39.根据权利要求38所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述无线传感器读取器还测量所述基准响应信号的频率，并利用所述基准响应信号的频率来提高从所述无线传感器获得的读数的精度。
40.一种无线传感器读取方法，包括以下步骤 将至少一个激励脉冲发送至无线传感器；响应于所述激励脉冲从所述无线传感器接收至少一个响应信号； 放大所述响应信号；将振荡器锁定至与所述响应信号谐波相关的频率； 对所述振荡器的控制电压进行数字采样； 再生成数字采样得到的所述振荡器的控制电压；以及切换至再生成的电压以控制所述振荡器来确定所述振荡器的频率。
41.根据权利要求40所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括如下步骤在不存在所述响应信号的时间的至少一部分期间，利用基准电压来控制所述振荡器。
42.根据权利要求40所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括如下步骤在不存在所述响应信号的时间的至少一部分期间，代替所述响应信号而供给基准信号以进行频率锁定。
43.根据权利要求40所述的无线传感器读取方法，其特征在于，所述响应信号是振铃信号。
44.一种无线传感器读取方法，包括以下步骤对读取装置进行校准，以使得在振荡器的控制电压和所述振荡器的振荡频率之间获得相关性；将至少一个激励脉冲从所述读取装置发送至无线传感器； 响应于所述激励脉冲从所述无线传感器接收至少一个响应信号； 放大所述响应信号；将所述振荡器锁定至与所述响应信号谐波相关的频率；对所述振荡器的控制电压进行数字采样；以及使用所述相关性来评价所述控制电压以获得所述响应信号的频率。
45.根据权利要求44所述的无线传感器读取方法，其特征在于，所述校准涉及对所述振荡器的频率计数。
46.根据权利要求44所述的无线传感器读取方法，其特征在于，所述校准涉及代替所述响应信号而引入具有已知频率的基准信号。
47.根据权利要求44所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括如下步骤在不存在所述响应信号的时间的至少一部分期间，利用基准电压来控制由电压控制的所述振荡ο
48.根据权利要求44所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括如下步骤在不存在所述响应信号的时间的至少一部分期间，代替所述响应信号而供给基准信号以进行频率锁定。
49.根据权利要求44所述的无线传感器读取方法，其特征在于，所述响应信号是振铃信号。
50.一种无线传感器读取器，包括发送电路，用于生成至少一个激励脉冲，所述至少一个激励脉冲用于使无线传感器发出与感测到的参数值相对应的至少一个响应信号；至少一个天线，用于发送所述至少一个激励脉冲和接收所述至少一个响应信号； 接收电路，用于放大接收到的所述至少一个响应信号；数字采样电路，用于将接收到且放大后的所述至少一个响应信号转换成数字表示； 频谱分析电路，用于将所述至少一个响应信号的所述数字表示转换成频域表示；以及频域电路，用于对所述频域表示进行处理以确定所述无线传感器感测到的参数值。
51.根据权利要求50所述的无线传感器读取器，其特征在于，通过硬件来至少部分进行将所述响应信号的所述数字表示转换成频域表示的处理。
52.根据权利要求50所述的无线传感器读取器，其特征在于，通过软件来至少部分进行将所述响应信号的所述数字表示转换成频域表示的处理。
53.根据权利要求50所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述响应信号是振铃信号。
54.根据权利要求50所述的无线传感器读取器，其特征在于，所述无线传感器读取器是手持式装置。
55.根据权利要求50所述的无线传感器读取器，其特征在于，还包括电池，所述电池用于向所述无线传感器读取器供电。
56.一种无线传感器读取方法，包括以下步骤 将至少一个激励脉冲发送至无线传感器；响应于所述激励脉冲从所述无线传感器接收至少一个响应信号； 放大所述至少一个响应信号；对所述至少一个响应信号的值进行采样以获得多个时域样本； 将所述时域样本转换成频域以获得频域信息；以及评价所述频域信息以获得所述响应信号的频率。
57.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括对所述频域信息进行处理的步骤。
58.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括对所述频域信息进行分析的步骤。
59.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括对所述频域信息进行存储的步骤。
60.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括如下步骤 将所述时域样本转发至远程处理装置；在所述远程处理装置处接收所述时域样本；以及在所述远程处理装置处评价所述时域样本，以获得所述至少一个响应信号的频率。
61.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，所述响应信号是振铃信号。
62.根据权利要求56所述的无线传感器读取方法，其特征在于，还包括利用电池对读取器供电的步骤。
全文摘要
提供了无线传感器读取器以与无线传感器相连接。无线传感器读取器发送窄带的固定频率的激励脉冲以使无线传感器产生振铃信号。该振铃信号与感测到的物理参数的值相对应。无线传感器读取器接收和放大该振铃信号并将该信号发送至锁相环。该锁相环中的电压控制振荡器锁定至振铃信号频率并且生成频率与该振铃信号频率相关的计数信号。使电压控制振荡器置于保持模式，其中，在该保持模式下，使控制电压维持恒定以允许确定计数信号频率。生成激励脉冲所需的低功率的简单电路允许读取器作为小型的电池供电单元。还公开了频率确定的可选方法。
文档编号G08B1/08GK102422330SQ201080020249
公开日2012年4月18日 申请日期2010年3月19日 优先权日2009年4月7日
发明者B·保罗, B·桑德拉姆, H·罗兰德, M·纳吉, R·沃特金斯, S·I·安 申请人:内电子有限公司