超寬帶無線電技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

　　為確保能無中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協(xié)議(DRP)。由于UWB基于TDMA，網(wǎng)絡(luò)成員可保留一些固定的時隙(媒體訪問時隙)以保障和另一設(shè)備的通信。保留通道占用時隙的相關(guān)信息在信標(biāo)時段傳送。如果某一時隙被標(biāo)記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。

實施方案

　　圖5所示為內(nèi)窺鏡攝像頭單元的框圖。窺鏡的框圖與之相似，除了數(shù)字視頻接口為顯示控制器所取代。UWB物理層基于Wionics Research的RTU7012雙波段PHY，符合WiMedia PHY 1.1 和PHY 1.2規(guī)范。它可以用于頻帶組1和3。

　　在這個例子中，UWB流媒體MAC由蘇黎世應(yīng)用科學(xué)大學(xué)設(shè)計并通過ASIC或FPGA實現(xiàn)，且針對實現(xiàn)低延時的數(shù)據(jù)傳輸進行了優(yōu)化。為了方便將MAC集成到任何系統(tǒng)級芯片（SoC）， 將ARM高級主機總線（AHB）用作數(shù)據(jù)傳輸總線，將ARM外設(shè)總線用作控制總線。這些接口使得MAC非常適合集成到基于ARM的系統(tǒng)級芯片。

　　UWB標(biāo)準(zhǔn)的許多參數(shù)都由微控制器固件來控制。這樣，在需要增添其它高層協(xié)議（如無線USB）時，無須修改任何硬件。使用固件實施方案，可以在規(guī)范發(fā)生變更的情況下降低風(fēng)險和提高靈活性。

圖4電子內(nèi)窺鏡單元的框圖

MAC可在UWB設(shè)備間以任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)---而不局限于視頻。在這個具體的視頻應(yīng)用中，來自攝像閑的信號通過數(shù)字視頻接口和AHB傳送到SDRAM，該SDRAM用作一個視頻中間緩沖器(見圖5)。MAC從該SDRAM提取視頻數(shù)據(jù)，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。反過來，UWB物理層接收到的數(shù)據(jù)則被傳送到SDRAM。

　　在UWB網(wǎng)絡(luò)和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時，MAC用作AHB主總線，無需處理器核進行干預(yù)。這意味著，可以將數(shù)據(jù)傳輸中解放出來的處理器用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設(shè)置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設(shè)備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)或源，無論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。至于和UWB無線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　內(nèi)窺鏡的其它必備部件包括A/D轉(zhuǎn)換器和用于電池管理的脈寬調(diào)制器(PWM)。為將所有部件集成到內(nèi)窺鏡的手柄中，同時保持低功耗，標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC是不錯的選擇。然而，如果預(yù)知的產(chǎn)量太低，不足以分擔(dān)本示例中標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC的開發(fā)成本，可采用可定制的應(yīng)用處理器（CAP）。這一基于ARM的微控制器具備所有常用的外設(shè)和軟件驅(qū)動以及用于實現(xiàn)用戶定制功能的金屬可編程邏輯區(qū)域?？稍贑AP金屬可編程區(qū)域?qū)崿F(xiàn)UWB-MAC和其它定制IP核，類似于門陣列。該微控制器的其它標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不會導(dǎo)致與內(nèi)存控制器設(shè)計相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險和成本。

　　為便于UWB應(yīng)用開發(fā)，有些供應(yīng)商提供一款CAP UWB評估套件。CAP器件的固定部分可以當(dāng)做一個標(biāo)準(zhǔn)的微控制器，和用于仿真金屬可編程模塊的高密度FPGA協(xié)同工作。這個評估套件可以快速地進行配置，仿真目前正開發(fā)的設(shè)計的性能?？稍贔PGA中實現(xiàn)UWB-MAC以及其它專用邏輯。

　　在一塊擴展板卡上實現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB評測工具套件與一臺運行業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM開發(fā)工具的PC連接，用于完成系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試。這樣的開發(fā)方式允許軟、硬件開發(fā)同時進行，從而大幅縮短了開發(fā)時間。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)全面調(diào)試后，將UWB MAC和專用邏輯重新映像到CAP的金屬可編程模塊中，提供了元器件數(shù)目較少而完整的UWB收發(fā)器。

圖5 UWB設(shè)備間的MAC數(shù)據(jù)傳送

結(jié)論

　　這種低成本、中等批量的UWB設(shè)備可以用于無線醫(yī)療應(yīng)用。這適合于單向的視頻鏈路，也可以取代超聲傳感器的粗電纜，同時為病人提供必要的電流絕緣。牙科的X光膠片目前正在被X射線掃描儀所取代，后者可放置在病人口腔的。UWB可用于鏈接圖像顯示和存儲設(shè)備。此外，手術(shù)機器人的定位外設(shè)可以通過一個可靠的UWB通道來交換數(shù)據(jù)。

　　UWB是一種新興的技術(shù)，其具有傳輸延遲短、傳輸速率高、功耗小、電磁輻射低的特點。醫(yī)療器械制造商已經(jīng)開始使用視頻內(nèi)窺鏡和超聲傳感器技術(shù)，有部分原因是因為UWB具有傳統(tǒng)的技術(shù)無法實現(xiàn)的確定的數(shù)據(jù)速率。此外，UWB的協(xié)議開銷很低，要讓醫(yī)生能夠以低延遲或?qū)崟r地觀察病人體內(nèi)的情況，低協(xié)議開銷很重要。