超低功耗无线传输在便携医疗仪器中的应用

摘要：传统医疗仪器中，超声探头和主机通过电缆连接，当信号线较多时，会对使用方便性和舒适性产生影响，而且使用距离受到限制。当把有线连接改为无线时，不但解决了以上问题，更增加了产品的时尚性和使用愉悦感。文章介绍了以nRF24L01+无线收发器为核心的胎心仪音频传输方案，很好地解决了传统无线传输与功耗、体积之间的矛盾，实现了科技与人性化的完美结合。

关键词：ISM；2.4G；低功耗；数字音频

ISM频段即工业，科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业，科学研究，和医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1 W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902～928 MHz、2400～2484.5 MHz及5725～5850 MHz，在欧洲900 MHz的频段则有部分用于GSM通信，2.4 GHz则是各国共同的ISM频段，因此便携超声诊疗仪器可使用2.4 G频段实现无线音频传输。

随着国内医疗器械行业的发展，便携产品的时尚性和方便性要求越来越高，在传统仪器实现基本功能的同时，新产品要重点改进产品的外观和操作方便性。一直以来便携超声仪器的探头和主机都连着一条长长的“尾巴”，影响了实际临床的使用方便性和灵活性。无线连接的想法由来已久，但要真正实施在医疗环境还要跨过多重障碍。首先，传统模拟无线传输方式，例如AM和FM方式，虽然实现方案成熟、穿透力强、成本低，但它们容易受干扰或者干扰别的仪器，而且很少能工作在ISM频段。而一般的数字无线传输方式，例如WiFi、蓝牙，虽然工作在ISM频段，抗干扰性能极好，但动辄40~50 mA的电流消耗，对便携仪器是个沉重负担，它们本来就不是为低功耗应用设计的。

NORDIC公司的nRF24L01+芯片很好地解决了上述问题。首先，它工作于全球通用的2.4G ISM频段，采用GFSK调制方式，符合ITU规定的DSSS和FHSS规范，防止跟 WiFi和蓝牙等设备互相干扰。它具有可选的250kbps~2 Mbps传输速率，在发射功率为0 dBm时，电流只有11.3 mA，2 Mbps接收状态下为13.5 mA。它拥有专利的ShockBurst模式，简化了协议软件设计，使功耗最小化，也易于跟通用MCU接口。实验用PCB天线测试无障碍物通信距离，在1 Mbps速率下，达到了20 m，如果把速率降到250 kbps,距离接近100 m。综合了各种指标，nRF24L01+是应用于便携医疗产品的理想方案。

1硬件实现

探头部分主要由超声收发系统→前置放大器→单片机AD采样→SPI接口输出→2.4G射频收发，整个采集系统以单片机控制nRF24L01+为核心。接收主机则以2.4 G收发→SPI数字音频输入→单片机DA输出→模拟放大→功放输出几