胶囊内镜微型低功耗无线视频发射电路的设计研究

胡广华，刘建青，黄 平

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510641）

0 引言

胶囊式内镜是一种用以取代传统消化道内窥镜的新型生物体内微诊疗装置。它将内窥镜系统封装成胶囊的形状。患者吞服后，可从体外控制胶囊内镜对患者消化道内的病灶区域进行图像采样，再经由系统内部的视频发射模块将采集到的视频图像实时传输至体外接收装置，供医生作为诊断和治疗的依据。胶囊内镜除了可对传统消化道内镜无法抵达的小肠区域进行观测外，还具有无创伤、无痛苦、无交叉感染等一系列优越性，因而自1999年以色列Given Imaging公司推出M2A型实用化产品以来，引起了国内外相关研究者广泛的兴趣[1～8]。

图1 胶囊内镜结构

图1是华南理工大学自行研制的胶囊内镜结构示意图[5]，包括电源模块、图像采集模块、视频发射模块和控制模块等组成部分。电源模块由多个微型纽扣电池组合而成，为图像采集模块和视频发射模块供能。图像采集模块包括光学系统、图像传感器及其外围电路，其输出的视频信号送至发射模块输出。受胶囊体积和电池容量的限制，微型化、低功耗是系统各模块设计的两个基本原则。其中，图像采集模块和视频发射模块是系统能量消耗的主体，因此，降低此二模块的能耗十分关键。

1 通信方式的选择

视频无线发射电路的功能在于将系统所采集得到的视频图像信号实时传输至体外接收装置。设计视频发射电路，首要工作在于确定系统的通信方式（模拟式/数字式）。通常，模拟通信系统用来传输模拟信号，而数字通信系统用于传输数字信号。因此，如何选取系统的通信方式取决于图像采集模块的输出信号类型。

目前，用于图像采集模块的CMOS图像传感器有模拟式和数字式两种。其中，数字式图像传感器输出的是数字信号，其信号传输需搭配数字通信系统。设每帧图像包含的像素数为352×288（最低分辨率），则每帧图像数据大小为352×288×8/1024=792kb。以占据无线数据传输市场主导地位的nRF2401为例，其所能提供的数据传输速率为1Mbps[7]，则每秒可传输220/(352×288×8) =1.3帧，该值远远小于人眼所能接受的最小帧率——15帧/秒。再考虑到传输时通信协议的开销，所得的实际有效图像传输带宽将会更低。可见，由于数字视频图像信号的数据传输量太大，要在有限的胶囊工作舱内采用简单电路实现视频图像的无线实时传输具有相当的难度。

模拟图像传感器另外集成了图像编码器，输出的是PAL/NTSC制式模拟信号，可用相应的模拟通信系统直接传输。与数字通信系统相比，传输模拟信号不受波特率和比特率的限制，而且，其电路的构成更为简单，有利于采用较少的元件进行电路的搭建，以达到微型化和低功耗的设计目标。基于上述考虑，本文所设计的视频发射电路采用模拟通信方式。

2 发射电路设计

2.1 电路构成

根据无线电通信理论，为了完成视频信号的无线传输，必须将胶囊内模拟图像传感器输出的视频信号与发射电路内部产生的高频载波进行调制，所得到的调制后的信号再经缓冲放大后送至天线，转变为电磁波后即可向外部空间发射。模拟通信系统的调制方法主要包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）等[9]。考虑到调频电视信号不能用普通电视机直接接收，而调幅方式在整个电视技术领域用得比较普遍；因此，为了便于采用日常电视通信器材进行实验系统的调试并降低开发接收设备的复杂度和工作量，本研究采用了调幅调制的方式。

所设计的电路构成如图2所示。其工作原理为：电阻R1、R2对电源分压，为晶体管Q1提供直流偏置。电感L1与电容C1～C3构成高频振荡环节，其产生的高频信号输出在Q1的发射极。由于基极电位仅比发射极高出一个结电压，因此基极上电压的波形与发射极一致，此即为高频载波信号。低频调制信号（即视频信号）经电容C5耦合进入Q1的集电极，由于电阻R4的存在，该信号不会通过电源直接耦合至地，而是与电源提供的直流电压相叠加。L2与C4构成选频网络，调节其参数可谐振于载波频率。在过压状态下，集电极电流的基波分量随集电极电源电压成正比变化。因此，集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，于是得到调幅波输出。

图2 微型视频无线发射电路原理图

上述电路具有如下特点：1）元件数量少，整个电路仅需十余个元件。若采用表面贴装形式，将非常有利于实现相应PCB的微型化。2）振荡电路与调制电路共用一个晶体管Q1，进一步减小了电路的规模，降低了电路的复杂度。3）由于电感元件尺寸较大，设计上有意减少了它们的使用。这反映在：一是控制了电感元件的数量，仅保留了L1、L2两个低值电感，有效地缩小了元件的占用体积；二是在耦合调制信号的时候，用电阻R4代替尺寸庞大的变压器。上述措施符合了微型化原则，是提高胶囊内镜实用性的有力举措。

2.2 电路参数计算

该电路的设计依据分析如下：

1）偏置电路设计

电阻R1、R2对VCC分压形成晶体管Q1的基极电位。R3是发射极电阻，为了吸收基极-发射极间电压VBE随温度的变化，而使工作点（集电极电流）稳定，R3的直流压降必须在1V以上。另外，集电极电流决定了系统的功耗，也决定了系统的发射功率。取R3的压降为2V，IC=2mA（设IC=IE），则

为了使不失真输出电压最大化，集电极电位VC最好应设定在VCC与VE的中点。另外考虑到要尽量降低晶体管的集电极损耗PC（在集电极-发射极间发生的功率损耗，它变成热量散发），取VC=3V，则

R1、R2的取值要满足2个条件：1）R1、R2分压后，基极电位为VE+0.6=2.6V，2）从电源流过R1、R2的电流应该远远大于基极电流。假设hFE=100，则基极电流IB=0.02mA，因此可以取流过R1、R2的电流为0.2mA。综合上述条件，算出R1=12kΩ，R2=13kΩ。

2）振荡电路设计

f0的选择范围很广，但应尽量避开电视频道，以减小混入的杂波。另外，内窥镜胶囊属于短距离、微功率无线电波发射设备，按照国际电信联盟的规定, 可以使用ISM(industry、science and medical ) 频段，也可以使用MICS (medical implant communication service) 频段[8]。使用ISM频段的任何频率无需许可证，只需要低于所规定的发射功率即可。本文使用位于ISM频段433MHz频率的载波。取L1=40nH，C1=33pF，C2=10pF，C3=6pF，由式(3)计算可得f0=433MHz。

3）调制电路设计

视频信号通过电容C5耦合进入集电极，加在R4与交流地之间。由于NTSC制式视频信号频率范围约为0～4MHz，为了能通过低频信号，C5应足够大，此处取C5=10µF。L2与C4组成LC谐振电路，谐振频率为载波频率f0。取L2=L1=40nH，则根据式(3)，C4=C0=3.3pF。LC电路两端即为调制后的射频信号。为了简化设计，发射天线通过C6直接耦合至集电极。

4）功耗分析

电路的直流功耗为电源电压与Q1集电极电流的乘积：

该值在保证一定发射距离的条件下维持在比较低的水平，有利于延长电池的供电时间。

3 系统仿真与实验

3.1 Multisim仿真

Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technologies简称IIT公司)推出的以Windows为基础的电路仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作[10,11]。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为了对本文所设计的电路进行仿真分析，在Multisim 10的编辑环境中按图2绘制好发射电路，注意选择特征频率适当的晶体管。为了模拟视频信号，用系统自带的虚拟函数信号发生器产生一个适当幅值且频率为3.5MHz的正弦波信号。虚拟双踪示波器通道A的探针接集电极（LC电路下端），相应的测量参考点接LC电路上端。为便于与调制信号相比较，同时将通道B的探针接信号发生器。仿真输出的波形如图3所示。

图3 虚拟示波器输出波形

可以看出，电路产生了正确的调幅波形，其包络线与调制信号具有相同的形状，这说明本文所给出的发射电路在原理上是完全可行的。

仿真过程也发现，当加大调制信号幅度时，输出调幅波的调幅度也随之增加。实际应用中可利用电位器对输入的视频信号进行调节，以免出现过量调幅失真。

3.2 物理实验

如图4(c)所示，胶囊内镜的外舱被设计成圆柱形药丸状。为便于封装，胶囊内各个模块的截面形状也被安排为圆形，且不能超出外舱的横截面大小。本文实际制作的视频发射电路PCB被加工成Φ12mm的圆形，双面板布线。图4(a)是用来对实际电路进行测试的实验系统连接。系统采用纽扣电池供电。当外部永磁体靠近干簧管开关时，电路导通，调谐接收机可接收到清晰的视频图像，如图4(b)所示。可见，本文所设计的电路可以进行正常的视频信号发射。

图4 物理实验与结果

4 结语

本文介绍了一种面向胶囊内镜应用的单管调制微型视频无线发射电路的设计与实现。物理实验与计算机仿真均表明该电路是切实可行的。所设计的发射电路具有元件少、体积小、功耗低等特点，符合了胶囊内镜应用中的微型化、低功耗设计要求。事实上，按照所介绍的设计步骤，通过调整元件参数，可以方便地调整整机功耗。

[1] Gong F,Swain P,Mills T.Wireless Endoscopy[J].Gastrointestinal Endoscopy,2000,51(6):725-729.

[2] Iddan G,Meron G,Glukhovsky A, et al.Wireless Capsule Endoscopy [J].Nature,2000,405 (6785):417.

[3] Yu M.M2A capsule endoscopy:a breakthrough diagnostic tool for small intestine imaging.Gastroenterology Nursing,2002,25(1):24-27.

[4] Lenaerts,B,Puers,R.An inductive power link for a wireless endoscope.Biosensors and Bioelectronics,2007,22:1390-1395.

[5] 陈英俊,黄平,李洁.人体胃肠道窥视微机电系统设计与研制[J].中国机械工程,2006,17(9):892-895.

[6] 王文兴,颜国正,熊祥.微型低功耗射频发射器的研制[J].测控技术, 2004,23(1):22-24.

[7] 徐金馗,周曲,颜国正.基于nRF2401芯片的微型图像采集系统[J].测控技术,2006,25(11):32-34.

[8] 张艳辉,黄战华,蔡怀宇.胶囊式内窥镜无线图像传输技术的研究.北京生物医学工程[J].2006,25(6):623-626.

[9] 张肃文.高频电子线路[M].2004.

[10]许萍,程代伟.幅度调制与检波电路的PSPICE仿真.北京电子科技学院学报[J].1999,7(2):17-22.

[11]张力.基于Multisim 软件的波形发生器设计.电子测量技术[J].2008,31(7):171-187.