一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置及其方法

本发明涉及一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置及其方法。

背景技术：

1、穿戴式设备磁谐通信，是穿戴式设备间交互的一种新型通信方式，该方式需要设备中用于激发磁场的线圈工作在谐振频率下才能发挥其低路径损耗的优势。但是，线圈与佩戴者间由于电容效应的影响，会导致线圈谐振频率发生变化，且该变化还受佩戴者本身生理参数差异、运动状态的改变等方面的影响。这种现象会导致线圈没有在谐振状态下工作，造成穿戴式设备间的路径损耗大大增加。目前解决线圈失谐问题的方案一般是对线圈加入自动阻抗匹配模块。自动阻抗匹配模块的设计方式，一种是以步进电机、可调电容、可调电感为核心实现；另一种是以电容电感阵列、大量的继电器为核心实现。这两种方法都会使模块整体规模过大、功耗过高，不适合用于注重轻量级、低功耗的可穿戴设备领域。并且，这两种方法需要通过迭代计算获取阻抗匹配网络的电容值与电感值，迭代计算时间较长，不适合应用于谐振点易发生变化的磁谐穿戴式设备中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有方案的不足，提供一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置及其方法，采用令工作频率跟随线圈谐振频率变化而变化的方法从而解决线圈的失谐问题。本设计对比现有解决方案，不需重点设计阻抗匹配模块，不需经过迭代获取匹配网络参数，具有实现方式简单、小型化、功耗低的优点，更适合应用于解决穿戴式设备磁谐通信的失谐问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置，包括直接数字频率合成器模块、定向耦合器模块、鉴幅电路模块、adc模块、微控制器模块、开关，微控制器模块的第一输出端经直接数字频率合成器模块与开关的信号输入端连接，微控制器模块的第二输出端直接与开关的信号控制端连接，开关的第一输出端与定向耦合器模块的第一端、线圈连接，开关的第二输出端与定向耦合器模块的第二端连接，定向耦合器模块的第三端、第四端与鉴幅电路模块的两输入端连接；其中，

3、直接数字频率合成器模块用于产生指定频率的信号；

4、定向耦合器模块用于分离线圈的入射信号和反射信号；

5、鉴幅电路模块用于对被分离的入射信号和反射信号作比值运算来计算反射系数，并输出一个与反射系数对应的电压值，反射系数越大则输出的电压值越大；

6、adc模块用于采集鉴幅电路模块的输出电压值；

7、微控制器模块控制各模块工作并处理adc模块采样的数据得出反射系数最小时对应的频率值。

8、在本发明一实施例中，所述鉴幅电路模块的设计参考ad8302模块。

9、在本发明一实施例中，所述装置实现方式为：当装置追踪谐振频率时开关的信号输入端与开关的第二输出端直连，微控制器控制直接数字频率合成器模块扫频的发送信号经定向耦合器模块输送到线圈， 同时定向耦合器模块分离线圈的入射信号和反射信号，鉴幅电路模块依据入射信号和反射信号从而输出线圈在每一频率信号下的反射系数，微控制器模块利用adc模块获取每一频率信号下反射系数的大小，依据时域反射法原理，线圈反射系数最小时所对应的频率即为谐振频率，随后微控制器模块令反射系数最小时所对应的频率作为工作频率，即可使得线圈处于谐振的工作状态；随后开关的信号输入端与开关的第一输出端直连，装置进行正常通信工作，当线圈谐振频率发生变化时，重新获取新的谐振频率，令工作频率跟随线圈谐振频率变化而变化，即可保持线圈一直处于谐振状态。

10、本发明还提供了一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的方法，采用如上述所述装置，对装置执行如下操作：

11、装置启动后进入谐振频率追踪状态，微控制器模块通过开关的信号控制端控制开关的信号输入端与开关的第二输出端直连，并根据预先设定的扫频上下限（f1~fn）及扫频步长微控制器模块控制直接数字频率合成器模块按预定的时间间隔扫频式的产生信号并输出给开关的信号输入端，每一频率的信号都会通过定向耦合器模块的第二端，从定向耦合器模块的第一端流出，并流入到线圈；此时定向耦合器模块分离在当前频率信号下线圈的入射信号和反射信号，并从定向耦合器模块的第三端、第四端把入射信号和反射信号输出到鉴幅电路模块，鉴幅电路根据流入的入射信号和反射信号求出线圈反射系数，并输出一个与反射系数相对应的电压值；微控制器模块利用adc模块采集鉴幅电路模块输出的电压值，电压值最小处对应的频率即为线圈的谐振频率；随后，微控制器模块通过开关的信号控制端控制开关的信号输入端与开关的第一输出端直连，进行正常的通信，此时直接数字频率合成器模块产生的工作信号的频率即为追踪到线圈的谐振频率，到此即完成一次谐振频率的追踪；在正常通信的状态下，装置会以t为周期进入监控状态，在监控状态下微控制器模块通过开关的信号控制端控制开关的信号输入端与开关的第二输出端直连，获取在当前工作频率下线圈的反射系数，并与内部预先设置的阈值作对比，从而判断在该工作频率下线圈是否失谐；如果失谐则会再次启动谐振频率追踪，如果不失谐则会通过开关的信号控制端控制开关的信号输入端与开关的第一输出端直连，继续正常通信。

12、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

13、目前解决失谐问题的解决方案一般采用自动阻抗匹配的方法，自动阻抗匹配方案需要重点对匹配模块进行设计，但该模块过于复杂不易实现、匹配所需的迭代时间相对较长，不适用于注重轻量级、低功耗、谐振点易发生变化的磁谐通信穿戴式设备中。该装置只需改变信号频率，不需对匹配模块进行重点设计，可减少装置整体规模、降低功耗、缩短追踪谐振频率时间。穿戴式设备内一般内置微控制器模块、adc模块和直接数字频率合成器模块，所以在最优情况下，只需在穿戴式设备内额外加入定向耦合器模块、鉴幅电路模块、开关电路模块即可将该装置植入穿戴式设备内。综上，本设计非常适合用于解决穿戴式设备磁谐通信的失谐问题，实现谐振频率自动追踪，保证通信系统始终工作在最佳状态下，有效降低路径损耗，提高通信效率，为穿戴式设备在医疗健康、军事训练等关键领域，构建体域传感器网络提供安全、可靠、有效的通信方案。

技术特征：

1.一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置，其特征在于，包括直接数字频率合成器模块、定向耦合器模块、鉴幅电路模块、adc模块、微控制器模块、开关，微控制器模块的第一输出端经直接数字频率合成器模块与开关的信号输入端连接，微控制器模块的第二输出端直接与开关的信号控制端连接，开关的第一输出端与定向耦合器模块的第一端、线圈连接，开关的第二输出端与定向耦合器模块的第二端连接，定向耦合器模块的第三端、第四端与鉴幅电路模块的两输入端连接；其中，

2.根据权利要求1所述的一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置，其特征在于，所述鉴幅电路模块的设计参考ad8302模块。

3.根据权利要求1所述的一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置，其特征在于，所述装置实现方式为：当装置追踪谐振频率时开关的信号输入端与开关的第二输出端直连，微控制器控制直接数字频率合成器模块扫频的发送信号经定向耦合器模块输送到线圈， 同时定向耦合器模块分离线圈的入射信号和反射信号，鉴幅电路模块依据入射信号和反射信号从而输出线圈在每一频率信号下的反射系数，微控制器模块利用adc模块获取每一频率信号下反射系数的大小，依据时域反射法原理，线圈反射系数最小时所对应的频率即为谐振频率，随后微控制器模块令反射系数最小时所对应的频率作为工作频率，即可使得线圈处于谐振的工作状态；随后开关的信号输入端与开关的第一输出端直连，装置进行正常通信工作，当线圈谐振频率发生变化时，重新获取新的谐振频率，令工作频率跟随线圈谐振频率变化而变化，即可保持线圈一直处于谐振状态。

4.一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的方法，其特征在于，采用如权利要求1-3所述装置，对装置执行如下操作：

技术总结
本发明涉及一种解决穿戴式设备磁谐通信失谐问题的装置及其方法。采用令工作频率跟随线圈谐振频率一同变化的方法从而解决线圈失谐问题。本设计不需重点设计阻抗匹配模块，不需经过迭代获取匹配网络参数，具有实现方式简单、小型化、功耗低的优点，更适合应用于解决穿戴式设备磁谐通信的失谐问题。

技术研发人员：高跃明,陈炳恒,魏紫良,黄立萱,赵文祥
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15