TWI559691B - 無線感測器之讀取器 - Google Patents
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Description
本案係為2009年4月7所提美國專利申請12/419,326號案之部份接續申請案，該案又為2008年3月14所提美國專利申請12/075,858號案之部份接續申請案，後者主張2007年3月15所提美國專利臨時申請60/918,164號案之優先權，上述各案於此列為參照。
本發明大致係相關於被動式無線感測器之讀取，且特別是有關於可由被動無線感測器之處激發並感測資料之一讀取器電路及其方法。
採用共振電路技術的被動無線感測器系統係屬習知。此類系統使用激發及讀取器電路而將被動無線感測器使用於遠端通訊上。通常無線感測器被植置於一個特定位置上，諸如在人體內，以便偵測並報告其所感測到的參數。此些被感測到之參數隨著無線感測器的共振電路頻率而變動。讀取器裝置對無線感測器的共振頻率進行取樣以便判定其所感測到的參數。
早期的研究者Haynes揭示了一種安裝有無線壓力感測器的可吞食藥丸，其使用環繞著目標人體的一部大讀取裝置，並利用判別電路而量測其頻率(H.E.Haynes and A.L.Witchey,"Medical electronics,the pill that`talks`",RCA Engineer,vol 5,pp.52-54.1960)。Nagumo亦揭示一類似系統，
其感測器包括有可在共振時驅動感測器的一能源儲存電容(J.Nagumo,A.Uchiyama,S.Kimoto,T.Watanuki,M.Hori,K.Suma,A.Ouchi,M.Kumano,and H.Watanabe,"Echo capsule for medical use(a batteryless radioendosonde)",IRE Transactions on Bio-Medical Electronics.vol.BME-9,pp.195-199,1962)。
Bullara之美國專利4,127,110號揭示可量測腦液壓力的一種感測器。Cosman的美國專利4,206,762則揭示可量測顱內壓(intra-cranial pressure)的一種類似感測器。特定而言，Cosman之專利所描述的是使用一種定格探測系統(grid dip system)而以無線方式量測感測器的共振頻率。
在其他先前專利之中亦有描述數種讀取被動式無線感測器的方法。例如，Cosman之專利揭示了使用植入感測器以供調波的一種外部式振盪器電路，以及一種可量測感測器共振頻率的定格探測量測系統。Kensey等人的美國專利6,015,386號揭示一種讀取器，其可利用發射掃描頻率，並對所傳送的信號使用一相位偵測器，以辨識掃描期間其所發射之頻率與感測器之共振頻率相符合的頻率點，以便激發被動感測器。Spillman等人之美國專利6,206,835號揭示一種可供讀取器技術使用的一種醫療植入用途，該讀取器技術係由Spillman等人揭示於美國專利5,581,248號案中。此讀取器技術係利用感測器之被偵測到的參數而偵測讀取器的一個隨頻率變動的一種可變阻抗負載效應。Ellis等人之美國專利7,432,723號揭示一種具多個充能迴路的讀取器，其具有各被調諧來發射分隔開的不同頻率，以便確保感測器的頻寬可容納感測器的共振頻率。Ellis利用適當充能迴路的振鈴下降反應(ring-down response)而判定感測器的共振頻率。Allen等人的美國專利6,111,520號則揭示可對感測器發射白雜訊的「鳴鳴」並偵測振鈴下降反應的一種方法。
某些讀取器利用鎖相迴路(PLL,phased-locked-loop)電路來鎖定感測器的共振頻率。Joy等人的美國專利7,245,117號揭示一種主動式PLL電路以及信號處理電路，其可以調整發射PLL頻率直至所接收到的信號相位與發射PLL信號相位相符合時為止。當發生符合的情況時，發射PLL頻率便等於感測器之共振頻率。
PLL電路可以採用取樣及固持(sample and hold,S/H)功能以對輸入頻率進行取樣，並將PLL固定在一個給定頻率上。具有S/H的PLL可應用於多種不同的用途之中。例如，Genest的美國專利4,531,526號揭示一種讀取器，其使用具有S/H的一PLL電路來調整讀取器所發射的頻率，使之與由感測器之處所接收到的共振頻率相符合。此係用以使相對於下一次發射的感測器反應放至最大，並量測感測器共振振幅的衰減率以便抽取出所感測到的參數數值。Buchan的美國專利4,644,420號描述一種具有S/H的PLL，其被用來對一串磁帶資料串流進行取樣，並維持一個適當的取樣頻率，以便估算磁帶上的數位資料脈波。Buchan等人的美國專利5,006,819號對此設計觀念提供額外的補強。Denny的美國專利5,920,233號描述一種高速取樣技術，其使用具有PLL的S/H電路以降低來自於相位-頻率偵測器的充電泵雜訊，以便增進其一頻率合成電路的低顫性能。Charavit等人的美國專利4,511,858號揭示一種具有S/H電路的PLL，其可以在PLL的鎖定頻率改變時將一電壓控制振盪器的控制電壓預先定位。此係用以在所需之合成頻率變動時增進PLL的響應速度。Fischer的美國專利6,570,457號與Fischer等人的美國專利6,680,654號揭示一種具有S/H電路的PLL，其可增進PLL之頻率步進，其亦提供一種偏移改正的功能。Fuller等人的美國專
利3,872,455號揭示一種PLL，其具有可在PLL之相位鎖定時凍結頻率之顯示並預先載入一頻率計數器的一數位S/H。
可執行直接取樣及頻率分析技術的讀取器亦已為習知。其一實例係為Eggers等人的美國專利7,048,756號，其使用一共振感測器來量測體內溫度，其以居里溫度顯示溫度臨限值範圍內的反應之改變。
此外，應用數位信號分析以增進性能及響應的讀取器亦屬習知。Miller等人的美國專利7,466,120號描述利用數位信號處理器(DSP)來估算已被一頻率所激發的一被動血壓感測器的響應，並再估算三頻激發的響應信號，以算出相對的相位延遲。
被動感測器讀取器的目前設計，諸如以上所描述者，各皆受限於數種缺點。Haynes與Nagumo早期的「脈波回音振鈴系統」("pulsed echo ringing systems")需要使用大型的，高功率的讀取器裝置。此外，如Collins所揭示的，此類系統會因量測短期振鈴信號頻率上的困難之故而飽受不精確及解析度不佳所苦，並導致其逐漸被放棄，轉而改用各種不同的掃頻方法(見C.Collins,"Miniature Passive Pressure Transensor for Implanting in the Eye",IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering,vol BME-14,no.2,April 1967)。
類似於Cosman，Kensey，Ellis及Spillman等專利所描述的掃頻感測器讀取器，以及Allen所描述的脈波方法，皆因政府無線電傳輸法規要求，而需要相對較寬的頻帶容許度。這會限制頻帶的其他用途，並亦使干擾成為潛在的問題。以可變頻發射器來追尋被動共振感測器之共振頻率的讀取器，諸如Genest，Ellis與Joy等人者，亦受類似問題之苦。掃頻及/或
數位追尋所需的額外電路亦顯龐大，增加了讀取器的尺寸，成本，以及失效率。此外，應用數位控制頻率追尋或掃頻系統的感測器，其發射，信號處理，取樣，以及共振頻率之追尋所需之電源量亦極顯著，並限制了在讀取器上利用電池進行操作的能力，並也在以電池驅動的讀取器上限制了其電池壽命。因此，本技藝中極需有增進效能之被動式感測器讀取器系統。
一讀取裝置可供作為一無線感測器之介面，其共振頻率依所感測之參數而成比例變動。讀取器以一固定頻率發射一個能量的短脈波，以致使無線感測器在傳輸結束時立即以其共振頻率或接近其共振頻率之頻率進行振鈴。讀取器接收並放大該振鈴信號，並量測其頻率。在一實施例中，讀取器係利用將信號送至鎖定在感測器振鈴頻率的一鎖相迴路(phase-locked loop("PLL"))而執行此量測。一旦PLL鎖定在振鈴頻率上，PLL的電壓控制振盪器(voltage controlled oscillator("VCO"))便被置於一固持模態之中，以將VCO的頻率維持在鎖定的頻率上。VCO頻率被計數以便判定感測器的共振頻率。依另種作法，VCO控制電壓本身即可被取樣，並被用依據一種已知之關聯性而判定感測器之共振頻率。VCO控制電壓被取樣時，若電壓取樣進行的足夠快速，則VCO頻率可能不需要被鎖定。本發明亦揭示牽涉到數位頻譜分析的進一步頻率判定方法及系統。
10‧‧‧讀取器
17‧‧‧外部資料介面
19‧‧‧遠端資料收集
20‧‧‧遠端資料記錄
21‧‧‧遠端資料顯示
22‧‧‧時序及控制電路
24‧‧‧發射電路
26‧‧‧至天線
28‧‧‧接收電路
30‧‧‧相位鎖定迴路
32‧‧‧電壓控制振盪器
34‧‧‧頻率計數器
36‧‧‧外部資料介面
38‧‧‧叫醒計時器
40‧‧‧組構緩衝器
42‧‧‧發射計時器
44‧‧‧發射頻率產生器
46‧‧‧接收計時器
48‧‧‧PLL計時器
50‧‧‧頻率計數器計時器
52‧‧‧啟始
54‧‧‧電源控制
56‧‧‧減緩控制
58‧‧‧Q控制
60‧‧‧致能
62‧‧‧電源控制
64‧‧‧電源控制
66‧‧‧S/H模態
68‧‧‧電源控制
70‧‧‧開始/停止計數器
72‧‧‧位準偏移器
74‧‧‧發射驅動器
76‧‧‧Q控制電路
78‧‧‧阻尼電路
80‧‧‧電源控制電路
82‧‧‧調諧及D.C.方塊
84‧‧‧高Z緩衝器/嵌位器
86‧‧‧放大器級
88‧‧‧電源控制電路
90‧‧‧RF緩衝器
92‧‧‧RF切分器
94‧‧‧相位頻率偵測器
96‧‧‧S/H誤差放大器
98‧‧‧VCO切分器
102‧‧‧輸出緩衝器
104‧‧‧電源控制電路
106‧‧‧計數器級
108‧‧‧計數緩衝器
110‧‧‧電源控制電路
111‧‧‧選擇輸入RF緩衝器
112‧‧‧誤差放大器
113‧‧‧類比至數位轉換器
114‧‧‧數位至類比轉換器
115‧‧‧開關
202‧‧‧啟始狀態：感測器之共振頻率與被感測之參數成比例
204‧‧‧讀取器以固定頻率發射激發脈波
206‧‧‧感測器經由電感性耦合而充能，將能量儲存於共振槽電路中
208‧‧‧讀取器終止發射；當讀取器散發所儲存能量時即以其共振頻率發送出振鈴信號
210‧‧‧讀取器接收振鈴信號並放大
212‧‧‧讀取器鎖定並固持振鈴信號
214‧‧‧讀取器量測其所固持信號之頻率
250‧‧‧計數信號
260‧‧‧數位取樣電路
264‧‧‧數位取樣叢束
262‧‧‧頻譜分析電路
270‧‧‧電源控制
272‧‧‧取樣開始
274‧‧‧數位取樣計時器
276‧‧‧電源控制
278‧‧‧分析開始
280‧‧‧頻譜分析計時器
290‧‧‧類比至數位轉換器
292‧‧‧電源控制電路
本發明圖式之中：圖1係為一被動式無線感測器系統之方塊圖；圖2係為說明用以由感測器上進行讀取之方法的一流程圖；
圖3之曲線圖以性質方式說明感測器與讀取器之間其信號交換之頻率上的特性；圖4依續包含有三曲線圖，其以性質方式說明在進行獲取讀取的期間，感測器與讀取器之間其信號交換之頻率上的特性；圖5係為圖1被動式無線感測器系統之方塊圖，其被擴大以包容一外部資料介面以及遠端資料處理的功能；圖6係為圖1被動式無線感測器系統之方塊圖，其補充有一中間天線；圖7係為讀取器內部電路之頂階方塊圖；圖8係為讀取器電路之時控及控制部份的方塊圖；圖9係為讀取器電路之發射部份的方塊圖；圖10係為讀取器電路之接收部份的方塊圖；圖11係為讀取器電路之鎖相迴路部份的方塊圖；圖12係為讀取器電路之頻率計數器部份的方塊圖；圖13係為圖11所顯示讀取器電路之鎖相迴路部份另一實施例的方塊圖，其具有執行取樣及固持所需的數位取樣計時器及產生功能；圖14係為圖7讀取器內部電路另一實施例的方塊圖，其中PLL與頻率計數器係以數位取樣電路及頻譜分析電路加以取代；圖15係為圖8時序及控制電路另一實施例的方塊圖，其中PLL計時器與頻率計數器計時器係以數位取樣計時器及頻譜分析計時器分別加以取代；圖16係為圖14數位取樣電路方塊之內部構造的方塊圖；與
圖17係為圖14頻譜分析電路方塊之內部構造的方塊圖。
一被動無線感測器系統包含有可與一感測器12進行遠端通訊的一讀取器10。讀取器10可利用在感測器12的共振頻率上，或接近共振頻率附近發射一信號，諸如射頻(radio frequency,"RF")脈波，而激發感測器12(見圖1)。感測器12可反應於來自讀取器10的激發脈波而發送出振鈴信號並持續一段短時間。
感測器12可為一被動式裝置，不包含有其自身的電源，並可反應於激發信號14而在感測器12的共振頻率上或接近共振頻率附近發送一信振鈴信號16。感測器12可被組構來感測一特定參數。例如，感測器12可以包括有一固定電感器13與可依所感測參數而變動的一電容器15。變動的電感或電容會改變感測器12的共振頻率。不過，應可理解的是，感測器12可為本技藝中所習知的任何無線感測器，其可以進行與讀取器10的遠端通訊。此外，雖然本說明之感測器12被形容是為一RF共振感測器，但可以理解的是，感測器12亦可為任何的聲音共振感測器，光學共振感測器，或本技藝中所習知的其他類似感測器。讀取器10可以採用對應的信號來致動感測器12。此外，感測器12可為主動式感測器，或為被動式的感測器。
在一實施例中，感測器12包含有至少一電感性元件13與一電容性元件15。若要與所感測之參數成比例地變動感測器12的共振頻率，不論是電感元件13或電容元件15，或兩者，可被組構來與所感測參數成比例地改變電感或電容。在圖1所顯示之實施例中，電容元件15被改變，而電
感元件13則固定。此等元件的典型實例是，感測器反應於壓力的改變而改變其電容。此等電容式壓力感測器乃是屬於習知。
在一實施例中，感測器12中的至少一電感性元件13亦作為感測器12的天線功能，其在與感測器12中的另一天線26之間來回地耦合能量。
讀取器10可利用在感測器12的附近發射一激發脈波14而激發感測器12。例如，讀取器可以在感測器12的共振頻率或附近發送一RF激發脈波14。感測器12可以反應於激發脈波14而發送一振鈴信號16。讀取器10可以判定振鈴信號16的頻率以便判定其所感應參數之值。
圖2之流程圖說明讀取器10由感測器12上進行讀取過程所牽涉步驟之一實例。其每一步驟各由多個次步驟所構成，且此些步驟更可分為多層次的次步驟。不過，只有最基礎的，頂層步驟被顯示於圖中以澄清讀取器在獲致讀取期間的操作順序。在啟始狀態202中，感測器12已被組構來使得其共振頻率與其所感測之參數成比例。可利用電容性或電感性進行量測的感測參數之實例為壓力，溫度，加速度，角速率，PH值，葡萄糖程度，鹽度，濃度，介電常數，濕度，近接程度，電解質程度，以及含氧程度。其他已知的參數亦得以被感測。
感測器12被置於遠離讀取器10之處。在一實施例中，感測器12被植入人體或動物體內以進行生理量測。可能有用的位置包含，但不限於，血管，顱腔，眼睛，膀胱，胃，肺，心臟，肌肉表面，骨頭表面，或任何體腔之內。感測器12可被植入以供短期急性或長期慢性時間期間之用。感測器12可為獨立的，或可與其他裝置整合在一起，諸如導管，支架
(stent)，旁路，過濾器，心率調整器，心率調整器導線，血管封閉裝置，等等。
感測器12被設計成擁有可以映對到其所感測參數之時之範圍中的一個操作頻率範圍220(圖2中未顯示)。當有需要獲致讀取時，讀取器10可以在感測器12的附近發射一激發脈波14，如圖2中之方塊204所示。脈波14可為預定之固定頻率上的一個短暫的能量脈沖。脈波14的頻率可選定為感測器12操作頻率範圍220正中央或其附近，而脈波14的頻帶可能較窄。窄頻帶脈波的一個好處是，其較不會與其附近的其他裝置發生干擾情形。窄頻帶脈波的又一好處是，其利用讓系統設計者得以在一個由規範所指定的緊窄頻帶內選擇一個脈波頻率，其較易於符合有關於電磁頻譜應用上相關的政府及產業規範。在一實施例中，脈波14是為以13.56MHz為中心的窄頻，此為國際通訊聯盟(International Telecommunications Union，ITU)所指定供商用RF裝置使用的所謂工業，科學及醫療(Industrial,Scientific,and Medical，ISM)頻帶中之一頻率。窄頻帶脈波的又一好處是，其只需要比相當於等效但連續發射作法更低的功率，此可使讀取器10更適於以電池進行操作，並容許使用較小的組件，其所需之散熱通常比其較高功率之對照者為低。最後，圖2之步驟204中以固定頻率發射脈波14的一個優點是，讀取器10的發射電路比起掃頻或連續發射作法者來得簡單。
由於感測器12位於緊鄰接近於讀取器10之處，圖2步驟206接著即進行處理。感測器12經由耦接於其天線與讀取器10之天線兩者之間的電感而進行充能。脈波14致使電流在感測器12的天線內流動，以將由電容15與電感13所形成的「LC槽」充能。脈波14通常是短暫的，而
在步驟208中，讀取器10突然地中斷脈波14。立即地，儲存在感測器12的LC槽電路內的能量便開始發散，並因此而以感測器12的共振頻率發生振盪。感測器12因此即在此頻率上發送出振鈴信號16。在結束傳輸之後，讀取器10必須立即地進入接收模態，如步驟210所示，以便偵測振鈴信號16並將之放大。
依據量測的情況，在頻率量測的期間，振鈴信號可能較弱，有雜訊，或只持續短時間，造成精確度與解析度上的問題。因此之故，在步驟212中讀取器10可能以常定頻率及大振幅來鎖定並固持其所取樣的振鈴信號，以便在步驟214中有足夠的時間來獲致高精確度的頻率量測。
圖3之在頻域中以性質方式說明一實施例中感測器12與讀取器10之間其信號交換之頻率上的特性。感測器12以預定操作數值範圍來感測其所需要的物理參數。其將此物理參數範圍映對到一個對應的操作頻率範圍220。當感測器12的共振頻率是為其操作頻率範圍220中的最小值時，曲線224是為感測器12的傳輸功能。感測器傳輸功能224的峰值是出現在感測器12的共振頻率上。隨著被感測的參數在操作範圍內變動，感測器傳輸功能亦對應地在操作頻率範圍220內移動。如此，依所感測之物理參數而定，感測器傳輸功能可以落在操作頻率範圍220內的任何位置。其共振頻率(傳輸功能曲線之峰值)亦與所感測參數的數值對應。當所感測參數位於其操作範圍內的另一極端時，感測器傳輸功能亦變為感測器傳輸功能222的最大值。
圖3中之窄頻帶功能14所代表的是圖1中所顯示的激發脈波14。其以fxmt所表示的頻率通常是固定或接近於操作頻率範圍220的中心。
脈波14通常是為窄頻，短時間，並固定在一預定的頻率fxmt上。此些脈波特性讓讀取器10，相較於必須進行掃頻或必須變動其所發射頻率的其他讀取器，擁有數個優點：較簡單的電路，較簡單的控制軟體/軔體，較低的整體功率消耗(使電池操作變為可能)，較低功率(較小)的元件，較少的內部散熱，對於外部來源電磁干擾的降低之感受度，對於外部裝置的電磁干擾的較低的可能性，以及較易於符合政府頻率分派法規。
圖3中所顯示的另一個重要性質是，代表讀取器10的最低信號偵測臨限值226的水平線。在激發脈波14被關斷之後，感測器12便會散發其由激發脈波14中所接收到的能量。在沒有強迫激發脈波14的情況下，此能量會導致感測器12以共振頻率振盪，發送出一個振鈴信號16(未顯示於圖3中)。振鈴信號16的信號強度係由激發脈波14與感測器傳輸函數間的交叉點所決定：振鈴信號振幅會被兩函數在該點上的乘積所限制。此乘積振幅，其在交叉點之處必須大於或等於讀取器10的信號偵測臨限值226，以便讓振鈴信號16能夠被讀取器10所偵測到並予以量測。
圖4在頻域中提供讀取器10與感測器12之間典型信號交換的一說明性質之實例。此圖中所顯示的程序與圖2中的流程圖相同。在圖4a所顯示的初始狀況之中，被感測參數之值可使感測器12傳輸函數228定在操作頻率範圍220中心的一個頻率上。注意到被感測參數(亦即，傳輸函數228)係以比在感測器12與讀取器10之間來回的電子信號遠為較慢速的時間尺度而變動，因此，傳輸函數228相對於該些信號顯然是假靜態的。由於被感測參數相對於電子信號是為假靜態的，讀取器10便可以在短時間區段內取得多個樣本，並對該些樣本進行平均，以便達成更為精確的量測。
在圖4b中，激發脈波14係由讀取器10所產生。脈波14是為窄頻到信號，其中心在頻率fxmt上，其係為操作頻率範圍220的中心或接近其中心。當讀取器10在感測器的實體近接之處時，讀取器10便產生激發脈波14，能量即由讀取器10傳輸到感測器12。在一實施例中，此能量的傳輸因電感之耦合而發生，其fxmt在RF頻帶之內。注意到讀取器脈波14與感測器傳輸函數228之間的交叉點230。在此點上的兩振幅的乘積可以判定振鈴信號16的振鈴信號的振幅。
接著，在圖4c中，讀取器10發射激發脈波14。當激發能量消退時，感測器12便由發射頻率上一強迫驅動特性，其因非發射頻率共振之故而具相位誤差，偏移至隨感測器之共振頻率及其週遭而定之一頻率上的被動共振特性，約在曲線228的峰值之處。由於在感測器12的電感內之共振能量之故，環繞著感測器12在此共振頻率上便產生了一個隨時間變動的磁場，其可被讀取器10當做作在此共振頻率上的一個發送信號而偵測。
注意到若感測器12被曝露在已將傳輸函數228更進一步向圖4b中右側移動(朝向增加fres的方向)的感測參數之下，則曲線228在fxmt點的振幅便減小，導致交叉位準230亦減小。隨著fres進一步增加並達到fmax，交叉點的振幅230即等於讀取器10的最小偵測臨限值226。若傳輸函數228更進一步向右移動，fres便超過fmax，交叉點振幅230便降至讀取器10的偵測臨限值226之下。此時讀取器10便不再偵測到振鈴信號16，亦即，fres此時已超出了系統的操作頻率範圍220之外。注意到感測器12的設計必須使得其傳輸函數228具有足夠的頻寬以便將交叉點振幅230維持在讀取器10的整個操作頻率範圍220的偵測臨限值226之上。不過，將
感測器12設計成具有寬的傳輸函數228，一般而言便會降低傳輸函數228的振幅峰值，因此必須要在振幅及頻寬之間找到一個平衡。一般而言，由圖4可以見到，讀取器10偵測及量測振鈴信號16的能力亦會隨著振鈴信號在激發脈波14停止之後的功率位準，隨著系統Q，以及振鄰信號16的時間期間而定。
顯示於圖4中傳輸函數228，信號14及16，以及操作範圍220的形狀僅係說明性質之實例。在某些實施例中，傳輸函數228可能具不同特性，並且可能不會相對於其峰值的fres具有對稱性。此外，操作頻率範圍220可能不會相對於其fxmt，即激發脈波16的頻率，具有對稱性。操作範圍220的不對稱性可能會因感測器12特性之故而發生，或者可能因故意設計成不具對稱性，以便在傳輸函數228激發信號16，或振鈴信號14上偏移其不對稱性。
在另一實施例中，讀取器10可以發射不在感測器12操作範圍220的中心或靠近處的一個脈波。在此情況下，讀取器10發射其頻率與感測器12操作範圍220內的一頻率調諧相關聯的一個頻率上發射脈波。亦即，來自於所發射脈波的較高或較低的諧波，可被使用作為激發脈波16，如圖4所示。
在又另一實施例中，讀取器10可以兩個不同的頻率發射兩或更多個激發脈波，不論是同時或不同時間發射皆可。此些多重的激發脈波可能會激發操作頻率範圍220的不同部份。或者，利用加入或減去此些多重脈波的組合，或其諧波等所產生的頻率，可作為圖4中的激發頻率。
再參考圖1，讀取器10亦可整合有電路以供來自於感測器12
的振鈴讀取值轉換為數位模式，並將之儲存在其自身記憶體上。除了由感測器12上進行量測，讀取器10的記憶體亦可儲存其他的相關資料。其例子包括有時間戳記資料，調校係數，達成系統功能所需之軔體，軔體升級，料號，序號，使用記錄，歷史資料，組構資料，診斷資料，有關於主機位置與感測器之應用，以及使用者所定義之資料等。
讀取器10亦可加入有對應於頻率資料之某些部份的諸如顯示幕，LED，或可聽聞之指示等的人機介面。此外，讀取器10亦可處理其所接收到的頻率資料，執行諸如平均，過濾，曲線匹配，臨限監看，時間戳記，趨勢分析，與其他資料相比較，等等。
讀取器10亦可與一資料介面17進行通訊，如圖5所示。資料介面17對於讀取器10係屬外部，且被組構來接收來自於讀取器10的電子信號，並亦對讀取器10發射信號。此外，資料介面17可提供電力給讀取器10，例如電讀取器10內的電池進行充電。資料介面17的實例包括一主電腦，一靠接站，一電話網路，一蜂巢式電話網路，一GPS網路，一光纖網路，一藍牙網路，一儲存區網路，一網際網路網頁，一遠端資料庫，一資料輸入裝置，一可聽聞聲音，以及一顯示幕。
讀取器10與資料介面17可以直接互相連結，或透過一中間裝置而間接連結，或經由一遠端連結而進行通訊。兩者可位於同一外殼之內。讀取器10與資料介面17可經由纜線或利用無線鏈結而連接起來。讀取器10可對資料介面17送出資訊。其實例包括與感測器12相關的資料，來自感測器12的量測值，時間戳記資料，料號，序號，軔體更新資訊，使用記錄，診斷資料，歷史資料，狀態資料，組構資料，有關於主機位置與感測
器之應用，以及使用者所定義之資料等。資料介面17可提供資料及指令給讀取器10。例如，資料介面17可對讀取器10提供有關於對感測器12進行取樣的排程及間隔，調校係數或搜尋表，完成系統功能所需之軔體，軔體升級，組構設定，診斷指令，重置，重開機，使用者所定義資訊，以及使用者所發出指令等之資訊。
資料介面17更可與一遠端資料系統18進行通訊以便交換狀態及控制信號，以及提供感測資料。遠端資料系統18可包括有一資料收集模組19以便接收來自於資料介面17的資料，一資料記錄模組20以便儲存所接收到的資料，以及一資料顯示21以便顯示所感測到的資料。與資料介面17相似，遠端資料系統18可以儲存並處理資料，發出指令，以及分配此些資料及指令，以容許在一資料網路上與多名使用者進行通訊。與讀取器10及資料介面17之間的連結相似的，資料介面17及遠端資料系統18之間可透過纜線或無線方式而連結。顯示於圖5中的組構係為一實施例之例子，其中讀取器10係透過纜線而連接至資料介面17，而資料介面17則以無線方式連接至遠端資料系統18。雖然圖5之實例係利用遠端資料系統18而將資料記錄與顯示的功能聯結在一起，但習於本技藝者所可理解的是，此些功能亦可利用外部資料介面17或讀取器10而執行。
以上所描述之讀取器10，感測器12，以及資料介面17的系統對於生醫遙測(biomedical telemetry)領域的實施例而言乃是特別有其優點。在此實施例中，感測器12被植入於人體內以感測諸如動脈內血壓等的生理參數。感測器12由於利用習知技藝即可製作得極小，因此乃是特別地適合於此種用途，並且由於其是為被動式的感測器，不需要逐漸會耗竭的內置
電源，因此乃是特別地適於此種用途。讀取器10，就其本身而言，其實體尺寸可小到可以手持，以電池驅動，散熱性質上屬於涼冷，並可與其自身附近的其他電子組件電磁相容。此乃係因其簡單，低功率電路可以產生前述窄頻帶，固定頻率的激發脈波之故。如此讀取器10便能夠被舒服地穿戴於一個人的衣服上，靠近於植入的感測器12之附近，以便頻繁地採讀並處理/儲存其資料。週期性地，例如，每天一次，使用者可將讀取器12置於製作成靠泊站形式的資料介面17之中。資料介面17可包括有可對讀取器10電池進行充電的電路，其可更新讀取器10的設定及軟體，並下載其資料。資料介面17亦可透過網際網路或電話鏈路而將此資料傳遞給使用者，以及其他相關人員，諸如使用者的醫師。由於讀取器10的低功率激發程序之故，這樣的系統可以進行頻繁，精確的血壓讀取，對病人只造成最小程度的不方便，以便以有效率的方式將資料傳遞給照護者。顯然地，此實施例亦可應用於感測可以在一只被動LC感測器上造成共振頻率改變的任何其他內部生理參數。
在此實施例的一種變化形態之中，感測器12係結合於另一個可執行不同功能的可植入式的醫療中置之中。例如，感測器12可為與一血管閉鎖裝置結合的血壓感測器，諸如來自於明尼蘇達州聖保羅(St.Paul,Minn)的聖傑德醫療公司(St.Jude Medical,Inc)的Angio Seal產品。在此實施例的又另一種變化形態之中，讀取器10可與另一裝置結合。例如，讀取器10可附接在一行動電話上，一付眼鏡上，一手持音樂播放器上，一動畫遊戲機上，衣服的配件上，或一只手錶上。
感測器12，其包含有電容15與電感13，可將此些電路元件組
裝在單一包裝之內。或依另種作法，在某些用途中其電容15被安置於離開電感13之處有其優點，但兩元件仍以導線連接在一起。作為一實例，在感測器12被植入人體的實施例中，對壓力靈敏的電容15可能會被安置在量測目標壓力所會出現之處，而作為天線之用的電感13，則可能被設置於較接近皮膚表面之處，以將感測器12與讀取器10之間的耦接距離減至最短。其連接的導線可為一般所知的多種形式中的任一種，包括電線，電線芯，軟性電路板，硬質印刷電路板，直接饋通連結，或剛性的梢。
在可植入式之實施例中，將感測器12設計成為最低侵入性植入方法亦可有其優點，例如以導管為基礎的植送方法。此外，其亦可能有需要將可植入式感測器的一部份製作成對無線電不透通或具超音波反射性，以便輔助植入及植入後之診斷。
感測器12可利用數種廣為習知的技術進行產製。電容性感測器15可利用微機電系統(MEMS)的技術，微影技術，或傳統的加工技巧製作。電感13可為一纏繞線圈；一FR4，鐵伏隆(Teflon)，羅傑斯(Rogers)，或其他印刷電路板；低溫共燒陶磁(Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC)，綠帶(greentape)，或其他陶磁印刷電路板；或本技藝中所習知的其他電感技術。電感13可以擁有核心或沒有核心，並可進一步使用結合於前述印刷電路板或陶磁技術的電磁材料。電感與電容可以如同多晶片模組(multi-chip module,MCM)一樣地被包裝在一起。
在另一實施例中，圖1的系統更可包含有一中間天線240，如圖6所顯示。中間天線240包含有二天線：讀取器側天線242與感測器側天線244，兩者串聯連接。中間天線240可增進讀取器10與感測器12之間的信
號耦合，並且在讀取器10與感測器12之間有多重障礙246與248時可能有其有用之處，此些障礙可能無法利用導電性連線加以穿透。作為一實例，對於植入血管中的一只感測器12而言，障礙2(248)代表血管壁，而障礙1(246)代表皮膚表面。若有中間天線240，讀取器10與感測器12之間的信號耦合會更有效率，因為其耦合係利用經由導線的傳導，而非利用輻射穿過系統所在的不論是何種的介質。此外，天線242及244的尺寸各可被調整為可符合其各在感測器12與讀取器10的對應天線，並更增進耦合的效率。最後，感測器側天線244可以精確地橫越感測器電感13而對正，並降低讀取器10與感測器12之間可能因為中間天線240不存在時所引起的不對正所導致的誤差。中間天線240可以可彎曲電路，電線纏繞線圈，或其他廣為使用的方式而製作。另亦注意到，利用為每一對的障礙增加更多的中間天線240，則此觀念即可以延伸到有二個以上障礙存在的用途之中。
在另一實施例中，圖1中的感測器12可更包括有一第二LC槽電路，具有分離的電感與電容，稱為參考共振器。參考共振器可利用與電感13及電容15的感測共振器相同的材料，製程與元件而製作，但其間有兩個關鍵差異。首先，參考共振器的組件之值係為固定，其並不隨著第二參數而變動。其次，其固定共振頻率係被設計感測共振器的操作頻率範圍2200之外。參考共振器的目的係在於提供一個背景讀數，其可以被利用來更正讀取器12所獲取的感測器讀數。會造成不精確的某些因素，諸如讀取器距離，介入之中間介質的改變，感測器相對於讀取器的指向，組件的老化，機械性應力，電氣性應力，漏氣，溫度，細胞生長，血栓等，皆可能以類似於感測共振器的方式影響參考共振器。利用瞭解其固定頻率之參考
共振器偏差與其標稱頻率之感測共振器偏差之間的關係，讀取器便可依據參考讀數而對感測頻率提供更正因素。在此實施例中，額外的步驟被導入於圖2中步驟202與204之間，其中讀取器10係以參考共振器的標稱共振頻率來發射一激發脈波，觀察參考振鈴頻率中的偏差，並為步驟210所獲得的即將來到的讀數計算(或由一搜尋表中獲取)一適當的更正因素。或另種作法，參考讀數可在感測讀取之後才進行。雖然感測共振器所經歷的每一改變皆可能不會以完全相同的方式影響參考共振器，但此種「自我調校」的方法可以利用消除或降低在兩共振器中所常見的某些不精確便得以增進其性能。其可能為，例如，相關於距離，指向，生理反應，中間肌肉的改變，以及其他感測器12的，常被通稱為「感測器漂移」的長期變動。此外，頻率的選擇，以及參考共振器的其他設計要點皆必須要予注意，以便避免與原始感測共振器的吽合，以及與讀取器的共同交互作用。
讀取器10包括有可發送激發脈波14，接收振鈴信號16，並處理振鈴信號16的電路(圖7)。例如，讀取器10包括有時序及控制電路22以組構並致動讀取器10中的其他電路。由時序及控制電路22上繪出的實線箭頭代表控制介面，諸如數位或低頻信號。時序及控制電路22進一步產生一RF信號(圖中以虛線箭頭繪示)，其被送至發射電路24。發射電路24接收RF信號並送至激發脈波14以及天線26以激發感測器12。時序及控制電路22在激發脈波被發射以避免洩漏或耦接至系統中其他的節點的期間，可以只提供RF信號給發射電路24。
讀取器10更包括有連接至發射電路24與接收電路28的一天線26。發射電路24使用天線26來發射激發脈波14，而接收電路28則使用天
線26來接收振鈴信號16。在一實施例中，除了在發射及接收之間進行切換以外，天線26隨時皆被連接至發射電路24與接收電路28兩者。此種共用天線的設計需要特別的考量以避免對接收電路28造成損傷。特定而言，必須要注意不要讓接收電路28的靈敏放大級形成過載。此外，讀取器10需要在發射電路24驅動天線26而極端高功驅動的情形出現，以及當天線處於接收與放大階段而低電壓的情況出現，兩者之間進行快速的切換。例如，在發射激發脈波時，天線26的電壓可能會超過200伏峰至峰值，並當緊接在激發脈波14之後立即進行接收時，其可能為個位數的毫伏，並快速地衰減到微伏。不過雖然讀取器10被描述為具有共用天線26，但可以理解的是，讀取器10亦可整合有多於一支的天線以便分別執行其發射激發脈波14與接收振鈴信號16的功能。
讀取器10更包括有一鎖相迴路(PLL)30，用以接收並鎖定振鈴信號16。在送至PLL 30之前，接收電路28可以放大並調節振鈴信號16。PLL 30包括有一電壓控制振盪器("VCO")32(圖7中未顯示)，當沒有信號出現時，其可操作以鎖定感測器共振頻率範圍內的一個頻率，或者，當接收到感測器共振頻率而沒有信號出現以增進鎖定時間時，其可被選定來選取感測器共振頻率範圍之上或之下的一個頻率，以增進鎖定時間。在一實施例中，一PLL被選定，當無信號PLL鎖定頻率稍高於感測器共振頻率範圍時，其可以較佳效果執行。VCO 32產生一ac信號，其等比於振鈴信號的頻率，稱為計數信號250。PLL 30調整分割向下計數信號以符合振鈴信號16的頻率，並將計數信號250送至一計數器340。VCO 32與決定計數信號250的頻率計數器34進行介面，並對外部介面電路36提供代表該頻率的一
個數位信號，以便傳輸至資料介面17。利用以比振鈴信號16更高的頻率進行操作，計數並記錄VCO 32計數信號250頻率所需之時間可以顯著地減短。
讀取器10的每一組件皆被設計來以有效率的方式操作並減低其電力消耗。為達此目的，讀取器10包括有一種減低功率的功能。其時序及控制電路22利用連接至每一組件的叫醒計時器38而控制其每一組件的功率狀態。(圖8)。在減低模態之中，某些組件可能會被完全地關斷電源，而其他的組件則可能在睡眠模中態操作，此時其電源仍持續以便維持其組構，但其電路則進入靜態以便將功率消耗降至最低。
時序及控制電路22可在讀取器10的每一組件未被使用時係置於睡眠或降低功率的模態之中。此外，整個讀取器10可能在系統位階上被置於一種低功率的模態，並持續一外部控制器所指定的時間。時序及控制電路22可以包括有一組構緩衝器40，其可以接收來自於外部介面電路36的時序指令。在進入降低功率模態之前，此些指令可以建立計時週期，以及叫醒計時器38的其他計時週期。除了來自於讀取器10之外部的計時指令，進入/離開降低功率模態亦可能會因為讀取器上的一或多個信號之臨限值被超越而被觸發。讀取器10的軔體可包括有決定進入/離開減降功率模態的演算法。
在獲致讀取的期間，叫醒計時器38可在適當的時間將讀取器10的每一個組件叫醒，以便確保當有需要時，每一個組件皆處於操作狀態。特定而言，叫醒計時器38可與一發射計時器42，一接收計時器46，一PLL計時器48，與一頻率計數器計時器50進行通訊，以便分別叫醒並控制讀取器10的各別組件。一旦啟始，每一個的此些計時器皆可控制並將每一各別
組件啟動。當進行組構時，在發出一個啟始信號52以便啟始其他計時器時，叫醒計時器38可延遲一特定時間，其可為零秒。如圖8所顯示的，啟始信號52並未被顯示成由叫醒計時器38至各別計時器的一連續線，以便避免線的交叉以及將混淆減至最低。
一旦啟始，發射計時器42便對電源控制54，減緩控制56，Q控制58，以及RF致動信號60建立適當的排序及週期，以便適當地為發射電路24以及發射頻率產生器44進行排序。電源控制信號54控了發射電路24的電源狀態以及睡眠狀態。減緩控制信號56控制了發射電路24中的一個阻尼電路，以便在發射週期結束時快速地發散天線26的能量。Q控制信號58控制發射電路24中的一個切換電路，以便在振鈴信號16接收的期間減低Q並修改天線26的頻寬。RF致動信號容許發射頻率產生器44對發射電路24送出一個RF信號。在一實施例中，在發射電路24發射一激發脈波14時的期間，發射頻率產生器44只對發射電路24提供RF信號。
接收計時器46被組構來相對於電力控制信號62建立適當的排序及週期，以便適當地將接收電路28加以排序。
PLL計時器48對電源控制64與S/H模態66信號建立了適當的排序及計數間隔，以便適當地將PLL 30加以排序。電源控制64控制PLL 30的電源狀態以及睡眠狀態。S/H模態信號66控制PLL 30中的一取樣及固持電路，用來使PLL鎖定在所發射的頻率，並再在振鈴信號16頻率上，接著再將VCO 32計數信號250的頻率固持所定的頻率上，直到該頻率被計數器34量測到時為止。
頻率計數器計時器50對電源控制68與開始/停止計數70信號
建立了適當的排序及計數間隔，以便適當地將頻率計數器34加以排序。電源控制信號68控制了頻率計數器34的電源狀態以及睡眠狀態。開始/停止計數信號70控制了量測VCO 32計數信號250頻率的開始及停止時間。
注意到雖然圖8包含了共用名稱的信號，諸如「啟始」，「組構」，以及「電源控制」，但對於其所連接的電路方塊而言，此些信號各皆有其獨特性。例如，來自於頻率計數器計時器方塊50的電源控制信號68與來自於PLL計時器方塊48的電源控制信號64並不相同，如同以上所說明的。
發射電路24被組構來利用天線26而將激發脈波14發射至感測器12上(圖7)。激發脈波14可能為固定或快速變動的，感測器12之共振頻率上或靠近此共振頻率的頻率叢束。例如，激發脈波14可能為在感測器12共振頻率的數個頻帶內的一個固定頻率叢束。或者，激發脈波14可能為極短期間的固定或快速變動的頻率叢束或掃描，其頻率為，或接近於，調諧地相關聯於感測器12的共振頻率的一個頻率。激發脈波14亦可能為一個超寬頻帶脈波。由於振鈴信號16係在激發脈波14的發射已停止之後才被接收的，因此激發脈波14的此些多樣性作法是有可能作到的。因此，激發脈波14的發射便可能被限定在政府主管法規所可容許的頻帶，振幅，以及調變程序。由於感測器12純是被動式的裝置，故無線電頻帶法規可能無法適用於感測器12上。
激發脈波14因其能量的單一短暫發射會造成振鈴信號16的單一次且完整的取樣，因此並不需要明顯的發射時間。利用較低的發射任務週期，電力的消耗可被降低，因此而減低了發射，接收，計數，以及數位處理電路的任務週期。利用降低電力的消耗，以電池驅動變成了驅動讀取
器10的一種遠較為可行的作法。
激發脈波14可被組構來將數種系統參數放至最大。例如，若使用固定頻率激發脈波14，則其脈叢的頻率可被組構來將參數放大至最大，例如最大可容許發射峰值功率，在PLL被鎖定於振鈴信號16而在「接收」期間之時，離頻帶內或近頻帶干擾的最大自由度，可供讀取器為其所需之感測目的進行發射的一特定頻率的最大世界性可接受度，或其他諸如此類的標準。
圖9顯示發射電路24。發射電路24的一個位準偏移器72接受來自時序及控制電路22的控制信號54，56，58與RF信號。位準偏移器72緩衝輸入並將控邏輯位準轉換為電路驅動位準。一發射驅動器74放大RF信號以提供足夠的電源以便驅動天線26。Q控制電路76在接收期間被致動以便降低天線26與調諧及D.C.方塊82的總合Q。一阻尼電路78在激發脈波14的發射終止時，立即被短暫地致動，以便吸收天線中的能量並容許天線對振鈴信號16進行反應。阻尼電路78可對天線提供不同的Q因素以便增進振鈴信號16的接收。電源控制電路80控制發射電路24中組件的電源啟動及睡眠模態。調諧及D.C.方塊82調整天線26的調諧並避免直接電流不適當地對阻尼電路78進行偏壓。來自發射電路的激發脈波14之RF輸出被繞接至天線26與接收電路28兩者。
一旦激發脈波14被發射電路24發射，接收電路28即被組構來聽取振鈴信號16。參考圖10，一高Z緩衝器/嵌位器84包括有一高阻抗("high Z")輸入裝置，其可限制接收電路28在調諧及D.C.方塊82所執行調諧上的效果。高Z緩衝器/嵌位器84更可保護放大級86免於承受在激發脈波14
被發射期間所出現在天線26上的極端電壓。在激發脈波發射期間，天線26上的電壓可能高達200伏峰值至峰值，要調諧天線只需要大約60微微法拉(pico-farad)的電容。在一實施例中，一只1微微法拉的電容被利用作為一個13.56MHz發射電路的高阻抗輸入電流限制裝置。可將過電壓旁路至電源供應器，並將過低電壓旁路至接地的低電容二極體接面可被置於1pF電容的接收器側，以便電容可以限制通過二極體的電流，其可保護接收放大器以免承受通過天線26進行發射期間之高電壓。
放大級86將振鈴信號16放大至足夠的位準以便驅動PLL 30輸入。細心設計放大級86是有必要的，如此才能在被發射的激發脈波14被移除並被嵌位，且低位準的振鈴信號16被接收到時達成適當的暫態反應。具有低Q調諧反應性汲極負載的共同閘極放大級可被用來調節高Z緩衝器/嵌位器84輸出，其後跟著有散置於高增益放大級之間的數個濾波器。此些濾波器若非電阻電容("RC")濾波器就是電感電容("LC")濾波器。在一實施例中，此些濾波器可全為RC帶通濾波器。具有低Q調諧反應性汲極負載的另一共同閘極放大級可在信號被饋至PLL 30輸入之前進行最終帶通調節。此種設計可使所有此些放大器型式在從極低信號輸入位準至極高信號輸入位準範圍全皆可以操作，且無諸如因為級飽和特性所造成的頻率加倍或減半的信號失真，以及利用共同閘極放大級所可達成的極佳高輸入阻抗，與散置於高增益放大級之間的RC濾波器的出眾暫態反應特性。特別應注意級至級電源與信號隔絕以避免因為與放大級86相關的極端增益所引起的不利振盪情形。
電源控制電路88可向放大級86以及高Z緩衝器/嵌位器84中
的緩衝器供應電力及撤除其電力以便降低電力消耗。應注意的是，高Z緩衝器/嵌位器84係被設計來提供即便是電力已被撤除時的完整保護，因為直到能量消散之前，過高的能量會啟動放大級86。其輸入阻抗會高到足以避免過度供應電力給放大級86。在一實施例中，接收電路28在激發脈波14發射的期間是啟動的，以便減短PLL 30鎖定在振鈴信號16上所需要的時間。
PLL 30由接收電路28之處接收已被放大並經調節過的振鈴信號16。參考圖10及11，來自接收電路28放大級86的RF信號饋入PLL 30的一RF緩衝器90。RF緩衝器90可將RF信號饋至一選擇性RF切分器92，其以一整數值而將RF信號頻率加以切分(圖11)。RF切分器92接著便將RF信號饋至一相位頻率偵測器94的一第一輸入。頻率偵測器94的輸出係饋至一取樣固持(S/H)誤差放大器96。此S/H誤差放大器96控制VCO 32的頻率。VCO 32的計數信號250輸出饋至VCO切分器98，後者之輸出接著饋至頻率偵測器94的一第二輸入。PLL 30可以包括一輸出緩衝器102以便減低VCO 32的負載，而同時亦將計數信號250的頻率前送至頻率計數器34。VCO切分器98容許VCO 32以顯著高於振鈴信號16的頻率操作。其結果，計數及記錄VCO信號頻率所需的時間便可以顯著地減短。此外，較短的計數間隔亦可減低VCO在計數時的漂移情形，並容許較高的取樣率。
相位頻率偵測器94被組構來判定分離開的RF信號及分離開的VCO信號之間的頻率及相位誤差。此最好可以利用將饋至S/H誤差放大器96的信號加以濾波並放大而達成。此外，其S/H特定亦可選擇性地領先已濾波並已放大之信號以便控制VCO 32。依此種方式即可形成一封閉控制迴
路，其可致使VCO 32計數信號250之頻率，使之等於振鈴信號16頻率乘上分離VCO切分器98之整數，再除以RF切分器92整數值。PLL 30可以包括有額外的頻率除分器以最佳化電路之設計，並增加潛在的VCO 32頻率範圍。
PLL計時器48對PLL 30的S/H誤差放大器96發送一個S/H模態控制信號66。S/H模態控制信號66可將VCO 32置於一取樣模態中。在一較佳實施例中，VCO 32被置於取樣模態並持續一段預定長度的時間。在取樣模態中，被分離的VCO計數信號頻率被加以調整以便符合於振鈴信號16頻率，如先前所描述。當S/H模態控制信號66被置於固持模態中時，S/H誤差放大器96便會固持其輸出常數，造成VCO 32的控制信號，在足以片定VCO 32計數信號250頻率的一段時間之中大致成為常數。
來自於從PLL計時器48至電源控制電路104的電源控制信號64可判定PLL 30是處於電源器啟動或可保存電力的睡眠/電源關閉模態。依所使用之特定PLL 30而定，一控制與通訊鏈(未顯示)可能被要求要設定RF切分器92之整數，VCO切分器98之整數，以及相位頻率偵測器94之輸出及其輸出組構。通訊鏈針對所使用之特定PLL 30可能為特定者。
頻率計數器34包括有計數級106，一計數緩衝器108，與一電源控制電路110，如圖12所示。頻率計數計時器50對計數級106與計數緩衝器108發送一個啟動/停止控制輸入70。頻率計數計時器50亦對電源控制電路110發送一個電源控制輸入68。計數級106計數來自於PLL 30輸出緩衝器102的VCO信號之頻率。當啟動/停止控制指令開始時，計數級106即開始計數，並在啟動/停止控制指令停止時即終止。當啟動/停止控制指令
停止時，計數緩衝器108即被載入來自於計數級106的計數數值。電源控制電路110控制頻率計數器34內的各組件之電源啟動及睡眠模態。計數緩衝器108輸出可以對外部介面電路36供應一個計數輸入。振鈴信號16，以及其接續的被感測參數，皆可由頻率計數值中判定出來。
在其他實施例中，量測所接收到並被放大的頻率的其他方法是有可能的。此些方法包括直接計數振鈴信號，或使用習知技術中的各種頻率至電壓轉換電路。
在操作時，讀取器10係依以下方式排序。在感測器未被取樣時，讀取器10的所有組件皆被置於功率減降模態之中。計時器與控制電路22中的叫醒計時器38被組構來進行特定的取樣延遲或取樣間隔。在特定的時間點上，叫醒計時器38啟始一個取樣程序。特定而言，叫醒計時器38在適當的時間將讀取器的每一個組件電源開啟或將其叫醒，以便確保當有需要時，每一組件皆要處於操作狀態。
在取樣程序中通常並不需要外部介面電路36，除了接收其所產生的最終資料之外。其進入/離開低功率模態可由內部或外部控制器加以處理，而非時序及控制電路22。時序及控制電路22對發射電路24提供RF信號一段短時間，諸如約20微秒。來自於時序及控制電路22的RF信號接著即被終止，且發射電路24被控制以將天線26所發射的信號快速地予以減降。發射電路24接著即被置於一適當的模態中，以便容許在天線26上接收振鈴信號16。在一實施例中，當天線26被組構來接收振鈴信號16時，天線26的衰減大於振鈴信號16的衰減。
在激發脈波14發射的期間，接收電路28接收，調節，並嵌位
天線26所發射的RF信號。一旦激發脈波14的發射停歇且天線26被組構來接收振鈴信號16，則接收電路28便轉換進入一種高增益接收模態以便接收來自於天線26的振鈴信號16。PLL 30處於取樣模態，以容許RF緩衝器90接收已經調節過的，接收電路28的輸出。當天線26開始接收振鈴信號16時，PLL 30由原先鎖定於被發射激發脈波14頻率上的狀態移至鎖定於振鈴信號16的頻率上。在足供PLL 30鎖定住振鈴信號16的頻率的時間區間之後，PLL 30便移至固持模態以便將VCO 32計數信號250頻率維持在振鈴信號16的頻率上。鎖定所需的時間可以預先決定，或亦可為在被偵測PLL鎖定條件之基礎上的適應性作法。鎖定之後，接收電路28與發射電路24便可依何種情況適當而被關閉電源或置於睡眠模態中。
一旦PLL 30進入固持模態，時序及控制電路22便指示頻率計數器34執行VCO 32計數信號250頻率的一次受控區間計數。計數完成時，PLL 30的組件便視何者適合而被關斷電源或被置於睡眠狀態，而其計數值即被移轉到外部介面電路36。頻率計數器34的組件接著視何者適合而被關斷電源或被置於睡眠狀態，接著時序及控制電路22的組件接著亦視何者適合而被關斷電源或被置於睡眠狀態。若其被規劃進行區間取樣，則時序及控制電路22叫醒計時器38便進行計數直至下一次取樣應該要進行時為止。否則，時序及控制電路22便等待一個叫醒指令以及來自外部介面電路36的任何其他需要的指令。在叢束取樣模態中，組件備妥所需要的電源開啟時間可能超越電源關斷的時間，在此種情況下，該些組件便會維持電源開啟直到取樣叢束完成時為止。
圖13所顯示，讀取器10的PLL電路30的一實施例，其包含
有數個特點可以被加入至PLL 30以達成相對於前述PLL 30之電路屬於不同但等效的功能。其可見於圖11及圖13的某些或全部變化部份可被用來增進圖11之PLL 30的操作性能。選擇性輸入RF緩衝器111容許不論是來自於放大級86的RF信號，或在讀取器10中的其他地方所產生的一參考信號，被選擇作為RF切分器92的輸入。其選擇係由RF緩衝器111的參考/接收控制輸入所決定。誤差放大器112已被簡化並亦不再直接提供取樣及固持的能力，如先前圖11之S/H誤差放大器96之所描述者。
電路元件包含一類比至數位(A/D)轉換器113，一數位至類比(D/A)轉換器114，與一開關115，如圖13所示。此些元件可用來達成取樣及固持功能。在圖13的組構之中，一參考頻率信號「Ref信號」在讀取器10激發脈波14發射至感測器12的期間可被選為RF緩衝器111的輸入，而此參考信號會保持直到可選擇輸入RF緩衝器111的In A的RF信號變為穩定且可由接收電路28之處獲得時為止。此參考信號此參考信號容許PLL 30「預先鎖定」在一個穩定的參考信號上，以便在由接收電路28之處可獲得振鈴信號時減少鎖定時間。可選擇輸入RF緩衝器的輸出被RF切分器92以任何大於或等於1的任何數值切分，接著被切分的緩衝信號便被饋入至相位頻率偵測器94。相位頻率偵測器94的輸出饋至一誤差放大器112，其可對PLL 30中的VCO 32提供作為控制信號的適當增益與頻率響應。誤差放大器112的輸出饋至開關115的輸入A。當被選定為輸入A時，開關115將誤差放大器112信號派送至VCO 32與A/D轉換器113兩者。A/D轉換器113接著便被用來對VCO的控制電壓進行取樣，以便判定VCO 32被鎖定於相對於可選擇輸入RF緩衝器111的輸入A的一頻率之控制電壓位準。
A/D轉換器113的信號可被用來間接地量測VCO 32頻率，如同以下所將說明的，並可被用來判定D/A轉換器114的適當設定，以便開關115可被設定為輸入B以將VCO 32維持在被鎖定頻率輸入位準並持續任何長度的時間，達成與圖11中之S/H誤差放大器96所描述者相類似的取樣及固持功能。
對於前述圖13電路之操作的數種輕微修改，可以容許功能性上的等效結果。其中一種這樣的修改係為，利用被饋以已知頻率的可選擇性輸入RF緩衝器111之輸入B，而將A/D轉換器113的電壓調校到特定的接收電路28 RF信號之頻率。一旦經過調校而使得RF緩衝器之信號輸入與A/D轉換器113的數位輸出之間的關係被清楚定義，A/D轉換器113的輸出便可被用來代表振鈴信號16之頻率。A/D轉換器113的輸出變成了PLL輸出。依此方式操作即可容許A/D轉換器113得以局部或完全地取代輸出緩衝器102與頻率計數器34的功能翻譯有問題。
圖13電路的前述操作之另一種修改作法，係使用來自於A/D轉換器113的資料來進行PLL 30的鎖定分析，以便減短鎖定時間並增進鎖定頻率的精確度。由於當接收電路28的輸出上可取得感測器12信號16時，誤差放大器112的輸出會收斂至鎖定電壓值上，接著當感測器12信號16之位準衰減通過鎖定可以維持之處時，再以可預測的方式發散，故這是可能的。
圖13電路的前述動作的另一種修改作法係利用頻率計數器34，使用D/A轉換器114來在VCO 32之輸入產生特定的電壓，在此些特定電壓上記錄A/D轉換器之輸出，以及決定出現在輸出緩衝器102的輸出
上之信號的頻率。此可容許利用頻率計數器34在一或多個頻率上進行A/D轉換器的調校。
就習於電路設計技藝者而言，對於圖13電路的些微修改當屬明顯易知，其包括將開關115與D/A轉換器114由圖13所顯示的位置重新安排至相位頻率偵測器94與誤差放大器112之間的位置。此種重新安排需要透過誤差放大器112進行D/A轉換器114之調校的額外步驟，以便判定可以達成VCO 32所需控制電壓的適當比例，其可利用不論是A/D轉換器113或頻率計數器34或兩者而達成。不過，此種安排容許D/A轉換器114被用來供預鎖定之用，而非使用可選擇RF輸入緩衝器111的輸入B之參考信號。此種安排若與前述可以省卻輸出緩衝器102與頻率計數器34的A/D轉換器113調校程序結合，便可容許利用縮短為每一振鈴週期解出感測器12共振頻率的所需時間，而操作讀取器10所需電力的中等程度的降低。前述實施例的另一些微修改作法，係將系統處理負載，依據電力限制，計算複雜度，時間嚴苛需求，或其他系統相關之優先次序而分配到適當的位置上。這樣的修改可能會使設計者資料的處理或分析，由A/D轉換器113，或D/A轉換器114，或頻率計數器34，而改置於遠端資料系統18，讀取器10，或外部資料介面17中的任何一者。
在讀取器10電路的又另一實施例中，數位頻譜分析電路取代了圖7中的PLL 30與頻率計數器34，其結果為圖14所顯示的修改版本方塊圖。在此數位取樣電路260取代了PLL 30，而頻譜分析電路262則取代頻率計數器34。類比計數信號250同樣亦由數位計數信號264加以取代。
功能上而言，數位取樣電路260在振鈴信號16的短振鈴期間由
振鈴信號16中抽取出資訊並予數位化。接收電路28可在發送至數位取樣電路260之前先將振鈴信號16放大並進行調節。數位取樣電路260可直接對接收電路28的無線電頻率輸出進行取樣，以便獲取以時域為基礎的資料供進一步的分析。
在一實施例中，讀取器10更包含有頻譜分析電路262以將來自數位取樣電路260的時域資料輸出轉換為頻域資料，並緩衝頻域資料以供前送至外部介面電路36。頻譜分析電路262亦可包括區分功能以便判定振鈴信號的振鈴頻率。如同習於本技藝者所可理解，頻譜分析電路262的某些或全部功能可由讀取器10或遠端資料系統18直接執行，其作法的主要差異係在於經由外部介面電路36所送出的資料之形式與數量，以及其處理所進行之處所需要的處理能量。
數位取樣電路260與頻譜分析電路262係由時序及控制電路22利用與圖8所描述實施例相類似的方式而控制的。圖15中的方塊圖描繪時序及控制電路22的另一種實施例，其可適於控制圖14所顯示另種讀取器10電路。圖8中的PLL計時器48係由圖15的數位取樣計時器274加以取代。此計時器可對電源控制270與取樣啟始272信號建立適當的排序及週期，以將數位取樣電路260加以排序。電源控制信號270控制數位取樣電路260的電源狀態及睡眠狀態。取樣啟始信號272造成數位取樣電路260在一叢束取樣模態中收集一個適當數量的樣本以供送至頻譜分析電路262。
同樣的，圖8中之頻率計數時序器50可被圖15的頻譜分析計時器280所取代。頻譜分析計時器280對電源控制276及分析啟始278信號建立了適當的排序及時序，以便為頻譜分析電路262進行排序。電源控
制信號276控制頻譜分析電路262的電源狀態及睡眠狀態。分析啟始信號278控制頻譜分析電路262開始估算由數位取樣電路260所提供的取樣叢束264的時間。
在圖14的另種實施例中，接收電路28與圖7及10以PLL為基礎之實施例中的接收電路28，在功能上與結構上是等效的，其唯一的差異在於，在數位取樣電路260，而非PLL 30的輸入之處，放大級86的輸出信號係饋至類比至數位轉換器290。
圖16之方塊圖係說明數位取樣電路260的一實施例。來自於接收電路28放大級86的RF信號饋至數位取樣電路260的類比至數位轉換器(ADC)290的輸入。ADC 290將RF信號轉換為一組時間相關之樣本，其係在足夠接近的區間內取得，並具有足夠的取樣數量，以便讓頻譜分析電路262能夠達成其被要求的頻率精確度。此組時間相關之樣本在此被稱為一個數位樣本的叢束264。
來自於ADC 290的數位樣本叢束264輸出被饋至頻譜分析電路262時間至頻域轉換電路94，如圖17所示。頻域轉換94的內部細節在此不予詳述，因此種轉換可為包括了快速或離散式傅立葉轉換，離散式或連續式子波(wavelet)轉換，數種拉普拉斯轉換中的任一種，數種Z轉換中的任一種，或本技藝中所習知的其他轉換演譯法等數種方法中的任何一種。頻域轉換94的內部細節可利用硬體或軟體或兩者的任何組合以便達成所需要的轉換。由於頻域轉換94的輸出會在取樣間隔被產生出來，並可能會包含有多個數值以供傳輸至外部資料介面17，圖中顯示頻譜分析電路262的一結果緩衝器96會固持此些數值直至此些數值被移轉到外部資料介面17
時為止。
在此數位頻譜分析實施例中，除了其數位取樣電路260與頻譜分析電路262所執行相關於振鈴信號16頻率之判定之功能之外，讀取器10操作序列係與前述「讀取器操作排序」所描述者類似。當天線26開始接收振鈴信號16，數位取樣電路260即快速地進行取樣一段預定或一段計算得的時間，以便獲得一數位取樣叢束264。在數位取樣叢束264完成之後，接收電路28與數位取樣電路260便視合者適當而被關斷電源或被置於睡眠模態。頻譜分析電路262將數位取樣叢束264轉換為頻域並將結果置入結果緩衝器96，接著即被移入低功率模態。接著，時序及控制電路22的組件便視合者適當而被關斷電源或被置於睡眠模態。若被規劃要進行區間取樣，則時序及控制電路22叫醒計時器38便進行計數直至下一個取樣到時。否則，時序及控制電路22便等待來自於外部介面電路36的一個叫醒指令與任何其他所需的指令。在通訊介面控制之下，結果緩衝器96中的樣本資料保持讓外部介面電路36可以獲取，以供傳輸至遠端資料系統18。
對於習於本技藝者而言，前述數位頻率分析實施例顯然可加以各種次要修改以便達成功能上等效的結果。其中一種修改是使用ADC資料的零填補(zero-padding)，此在其信號叢束資料被加以評估的時域至頻域轉換實務上，乃是常見的作法。另一種修改是實際上將頻譜分析電路262由讀取器10移至遠端資料系統18，其ADC 90資料係以時域形式由讀取器10傳輸至遠端資料系統18。又另一種此類修改是，為了各種相關於頻率選擇，頻寬，取樣時間等的任何理由而在讀取器10中於某時點上利用頻率乘倍，除分，加總或差分電路而將振鈴信號16頻率轉換，以改變振鈴信號16成
為中間性質的頻率信號。再又一種修改是利用信號處理技術來濾波，形塑，分析，與其他資料進行比較，或者處理及評估頻域或時域資料。
同樣的，習於本技藝者將可容易地觀查到，此地所揭示之各種頻率判定方法之組合皆有可能，並可能在不同的用途之中有各有其優點。例如，類比取樣及固持電路可與數位頻譜分析結合使用，以便將振鈴信號16固持足夠長的時間，以獲取一個適當的取樣供數位化之用。
在另一實施例中，一標準的RFID標籤，其為本技藝中所習知之型式，亦可被整合於感測器12之中。此種標籤可具有分離的天線，並在感測器操作範圍220(Sensor Operational Range 220)的範圍外的一頻率上操作。其可利用感測器12上的組構資訊來進行編碼。
本發明實施例已詳細說明如上，顯然地，習於本技藝者在閱讀並瞭解本說明書之後當可進行修改及變化。後列申請專利範圍應包含有在本發明所界定發明範疇內的所有此等修改及變化
202‧‧‧啟始狀態：感測器之共振頻率與被感測之參數成比例
204‧‧‧讀取器以固定頻率發射激發脈波
206‧‧‧感測器經由電感性耦合而充能，將能量儲存於共振槽電路中
208‧‧‧讀取器終止發射；當讀取器散發所儲存能量時即以其共振頻率發送
出振鈴信號
210‧‧‧讀取器接收振鈴信號並放大
212‧‧‧讀取器鎖定並固持振鈴信號
214‧‧‧讀取器量測其所固持信號之頻率
Claims (39)
- 一種用於無線感測器之讀取器，其包含：一發射電路，其被組構來產生至少一激發脈波以致使一無線感測器發送出至少一反應信號；至少一天線，其被組構來發射該激發脈波並接收該反應信號；一鎖相迴路電路，其被組構來由該至少一天線之處接收該反應信號，該鎖相迴路電路包含有一電壓控制振盪器，其被組構來以相對於該反應信號頻率之一頻率而產生一計數信號；一第一電路，其被組構來對該電壓控制振盪器之控制電壓輸入進行取樣；一第二電路，其被組構來產生一控制電壓信號以供輸入至該電壓控制振盪器；其中該鎖相迴路電路可被置於一取樣模態之中以接收該反應信號並依據該反應信號之頻率而調整該計數信號的頻率；其中該鎖相迴路電路更可被置於一固持模態之中以將該計數信號的頻率固持常定並維持足以判定該計數信號頻率的時間；且其中該第一電路及該第二電路將該鎖相迴路電路再組構於該取樣模態與該固持模態之間。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該第一電路更包含有類比至數位轉換電路。
- 如申請專利範圍第2項之無線感測器之讀取器，其中由該類比至數位轉換電路之處所獲得的數值被用於將該鎖相迴路電路組構於該固持模態之中。
- 如申請專利範圍第2項之無線感測器之讀取器，其中由該類比至數位轉換電路之處所獲得的數值被用於判定用以估計該計數信號頻率之一點。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該第二電路更包含有數位至類比轉換電路。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其更包含有一切換開關以供由該被產生之控制電壓信號與該鎖相迴路之相位偵測器之輸出，兩者之中選擇對該電壓控制振盪器之輸入。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該讀取器被組構來在該反應信號不存在時的至少一部份時間之期間內將該電壓控制振盪器頻率固持在一被產生之固定頻率上。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該電壓控制振盪器之反應於該計數信號頻率的該控制電壓輸入係直接由該鎖相迴路電路輸出。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該鎖相迴路電路更包含有可供內部調校之電路。
- 如申請專利範圍第9項之無線感測器之讀取器，其中該調校電路可致動該電壓控制振盪器之該控電壓輸入以便與該反應信號頻率產生關聯。
- 如申請專利範圍第10項之無線感測器之讀取器，其中該調校電路可致動以一參考信號取代該反應信號之輸入至該鎖相迴路。
- 如申請專利範圍第10項之無線感測器之讀取器，其中該調校電路可致動以一參考電壓取代該控制電壓輸入之輸入至該電壓控制振盪器，以及該電壓控制振盪器輸出頻率之估計。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該反應信號係為一振鈴信號。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該激發脈波 具有一固定頻率。
- 如申請專利範圍第1項之無線感測器之讀取器，其中該發射電路更被組構來以一固定頻率產生至少一激發脈波，以導致在該無線感測器上之一參考振盪器發射一參考反應信號。
- 如申請專利範圍第15項之無線感測器之讀取器，其中該無線感測器之讀取器更被組構來量測該參考反應信號之頻率，並利用以改進由該無線感測器之處所獲得之讀數的精確度。
- 一種讀取一無線感測器之方法，其包含：對一無線感測器發射至少一激發脈波；反應於該激發脈波而由該無線感測器之處接收至少一反應信號；放大該反應信號；將一振盪器鎖定在相對於該反應信號的一諧波頻率上；以數位方式對該振盪器之控制電壓進行取樣；將該振盪器之數位取樣控制電壓再生；與切換該再生之電壓以控制該振盪器以便判定該振盪器之頻率。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其包含有在該反應信號不存在時的至少一部份時間之期間內以一參考電壓控制該振盪器之一額外 步驟。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其包含有在該反應信號不存在時的至少一部份時間之期間內以供應一參考信號取代該反應信號而進行頻率鎖定之一額外步驟。
- 如申請專利範圍第17項之方法，其中該反應信號係為一振鈴信號。
- 一種讀取一無線感測器之方法，其包含：調校一讀取裝置以在一振盪器控制電壓與該振盪器之振盪頻率之間獲得一個關聯；由該讀取裝置對一無線感測器發射至少一激發脈波；反應於該激發脈波而由該無線感測器之處接收至少一反應信號；放大該反應信號；將一振盪器鎖定在相對於該反應信號的一諧波頻率上；以數位方式對該振盪器之控制電壓進行取樣；與利用該關聯而估計該控制電壓以獲得該範應信號頻率。
- 如申請專利範圍第21項之方法，其中該調校牽涉到該振盪器頻率之計數。
- 如申請專利範圍第21項之方法，其中該調校牽涉到引入具有以已知頻率之一參考信號以取代該反應信號。
- 如申請專利範圍第21項之方法，其更包含有在該反應信號不存在時的至少一部份時間之期間內以一參考電壓控制該電壓控制振盪器的一額外步驟。
- 如申請專利範圍第21項之方法，其包含有在該反應信號不存在時的至少一部份時間之期間內以供應一參考信號取代該反應信號而進行頻率鎖定之一額外步驟。
- 如申請專利範圍第21項之方法，其中該反應信號係為一振鈴信號。
- 一種用於無線感測器之讀取器，其包含：一發射電路，其被組構來產生至少一激發脈波以致使一無線感測器發送出對應於一被感測參數值之至少一反應信號；至少一天線，其被組構來發射該至少一激發脈波並接收該至少一反應信號；一接收電路，可供放大該至少一被接收到之反應信號；一數位取樣電路，可將該至少一被放大之被接收到的反應信號轉 換為數位之表示方式；一頻譜分析電路，可將該至少一反應信號之該數位表示轉換為頻域之表示方式；與一頻域電路，可處理該頻域表示方式以判定該無線感測器所感測到之參數值。
- 如申請專利範圍第27項之無線感測器之讀取器，其中該反應信號之該數位表示方式之轉換為頻域表示方式係至少局部地以硬體執行。
- 如申請專利範圍第27項之無線感測器之讀取器，其中該反應信號之該數位表示方式之轉換為頻域表示方式係至少局部地以軟體執行。
- 如申請專利範圍第27項之無線感測器之讀取器，其中該反應信號係為一振鈴信號。
- 如申請專利範圍第27項之無線感測器之讀取器，其中該無線感測器係為一手持裝置。
- 如申請專利範圍第27項之無線感測器之讀取器，其更包含有一電池以供驅動該無線感測器之讀取器。
- 一種讀取一無線感測器之方法，其包含：對一無線感測器發射至少一激發脈波；反應於該激發脈波而由該無線感測器之處接收至少一反應信號；放大該至少一反應信號；對該至少一反應信號之值進行取樣，以獲得多個時域樣本；將該些時域樣本轉換為頻域，以便獲得頻域之資訊；與估算該頻域資訊，以便獲得該反應信號之頻率。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其包含有處理該頻域資訊之一額外步驟。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其包含有分析該頻域資訊之一額外步驟。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其包含有儲存該頻域資訊之一額外步驟。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其包含有以下之額外步驟：將該時域樣本前送至一遠端處理裝置；以該遠端處理裝置接收該時域資訊；與於該遠端處理裝置之處估算該些時域樣本以獲得該至少一反應信 號之該頻率。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其中該反應信號係為一振鈴信號。
- 如申請專利範圍第33項之方法，其更包含有利用一電池驅動該讀取器之步驟。
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