專利名稱：用于微型醫學溫度計的數字傳感器和體溫監控器的制作方法
相關申請的交叉引用本申請要求2000年12月12日申請的臨時申請No.60/254,879的優先權。
背景技術：
在第一個方面中，本發明涉及一種電子溫度計，尤其是，然而并非僅僅涉及一種對測量人類或者動物受驗者的體溫，或者對于測量環境溫度有用的溫度計。在第二個方面中，本發明涉及一種由一個發射測量設備(最好是一個體溫溫度計)和一個便攜式接收單元組成的遙測系統，該便攜式接收單元顯示感知的參數的測量值。
若干現有技術的發明利用一個隨溫度而變的電阻性的部件與一個振蕩器電路一起去形成一個數字式溫度計。在現有技術中，熱敏電阻時常被用作隨溫度而變、可變阻抗器件，其與一個充電電容器串聯去形成該振蕩器網絡的頻率控制單元。該方程式f=1(2πRC)]]>確定振蕩頻率，這里R是該電阻性元件(熱敏電阻)的阻抗，并且C是該串聯充電電容器的電容量。當溫度變化之時，該熱敏電阻的阻抗變化，并且從而頻率變化。通過測量該頻率，并且已知該電容的值，可以確定R的值。因為R是唯一地與溫度有關系的，同樣可以確定該溫度。對于一個熱敏電阻，該阻抗經由Steinhart-Hart方程式是與溫度有關的。多諧振蕩器作為振蕩器電路用于低功率海洋學應用的使用被在Washburn的美國專利4,359,285中公開。頒布給Hanaoka的美國專利4,602,871和4,464,067公開了基于熱敏電阻控制的振蕩器的溫度計，其參數強調小型化、輕量化，并且使用修正電路改善精確度。這后者的二個專利涉及其中傳感器可以隨低功率的手表裝置使用的應用。
測量該振蕩器頻率的一個缺點是人們必須非常精確地知道該電容器的值，以便精確地推導出該電阻的值。通常，很難精確地進行電容測量，并且此外，該電容值已知是一個隨溫度而變的參數。該電容可以隨溫度變化提高或者降低，并且變化的程度與在該電容器(Y5V，X7R，NPO等等)中使用的材料的精密類型有關。這個方法的另一個缺點是在該振蕩器電路中的有源電路元件可以本身具有溫度依賴性。這些依賴性對于推算是幾乎不可能的，并且可以從電路到電路改變。
某些現有技術試圖通過校正技術降低該不受歡迎的溫度依賴性。作為一個現有技術的例子，美國專利4,150,573公開了使用一個熱敏電阻去控制脈沖振蕩器電路。在此專利中，該脈沖振蕩器輸入端被在熱敏電阻和一個固定電阻器之間切換。在由該熱敏電阻產生的頻率和由該固定電阻器產生的頻率之間的比值被形成。這個比值分配與電路元件值和電源變化有關的不確定性。這提供了降低對高精確度部件的需要和降低電源變化影響的優點。但是，這個原理是復雜不必要的，并且其不能精確地測量該振蕩器電路非理想的性能，其也不能使在該振蕩器電路中的有源部件無效溫度依賴性。由于在該開關裝置中的溫度變化，這個原理還可能引進誤差。
對于醫學溫度計，或者需要極端精確度的其他的應用(小于0.05度C誤差)，不能容忍由電容變化和由有源電路元件變化引進的誤差。需要一種方法，其降低這些對于小于0.01度C的電平的影響。此外，對于一個低功率應用，諸如微型可吸收的溫度傳感器，使用改進的、計算機控制的校正技術是不可允許的，因為該溫度計必須是微型的，并且期望從1.5伏電源或者3.0伏電源供電。
目前存在可利用的可吸收的對溫度敏感的發射機，或者可吸收的溫度監測器藥丸。頒布給Kleinberg的美國專利No.4,689,621和頒布給Lesho等的美國專利No.4,844,076描述了供可吸收的膠囊中使用的對溫度敏感的發射機。兩個裝置都公開了采用晶體控制振蕩器，其在由該裝置的溫度確定的單一頻率上連續地發送。Lesho等等也公開了一種采用頻率計數器的接收機以確定該發射機的頻率，并且執行計算去確定由該藥丸感知的溫度。
但是，這些裝置都具有嚴格的應用限制，因為它們是純粹的模擬裝置，連續地在單一頻率上發射。這妨礙在單個受驗者上或者在彼此非常接近于的受驗者上使用多個裝置，因為來自獨立裝置的信號彼此干擾，并且無法被區別。此外，該現有技術使用晶體的溫度特性去改變該發射機的振蕩頻率，在該接收機中需要一個頻率計數器或者其他的相干檢測器去確定該絕對頻率，以及從而確定溫度。使用晶體去確定振蕩頻率也需要一個大規模校正過程，并且在使用之前需要該裝置的用戶去輸入其校正值進入該接收機。
為了防止在該可吸收的膠囊中使用的電池在儲藏期間被消耗，該現有技術在該電池和該電路之間設置一個磁簧開關。因此，該裝置必須以一個非常接近去保持該裝置不工作的磁性被儲存，或者其必須使用可充電電池，以及一個如在Lesho等中公開的再充電器。
發明內容
在第一個方面中，本發明的基礎是一個包括一個隨溫度而變的電阻性元件的電路，該隨溫度而變的電阻性元件控制一個多諧振蕩器的充電和放電時間。通過測量該充電和放電時間，并且以一個公式轉換這些時間成分，可以確定該電阻性元件的阻抗值。因為該電阻性元件的電阻是唯一地與溫度有關系的，該溫度可以唯一地被確定。
與現有技術一樣，我們的發明也利用一個熱敏電阻控制的多諧振蕩器，通過RC組合該熱敏電阻電阻和該充電電容器的值確定該熱敏電阻控制的多諧振蕩器的振蕩頻率。但是，該優選實施例包括若干在現有技術中未介紹的獨特的構思。這些構思提供新穎的方法(1)無效通過該多諧振蕩器電路的非理想的行為引進的誤差；和(2)通過無效在無源和有源電路元件之內不受歡迎的溫度感應效應大大地改善精確度。
我們的發明在該優選實施例中利用一個CMOS 555定時器作為多諧振蕩器電路。但是，在其他的應用中也可以使用其他的振蕩器結構。例如，當更高的電壓供電是可利用的時候，我們的方法可以利用一個雙極5伏555定時器使用。
本發明第一個方面優選實施例的第一個新穎的特點是，通過測量該傳感器數字波形的充電和放電時間確定溫度。通過測量放電時間對充電時間的比值，可以獲得傳感器響應，即由溫度唯一地確定，該溫度是該傳感器與例如，體溫、皮膚溫度、環境溫度等等處于平衡的溫度。
本發明第一個方面優選實施例的第二個新穎的特點是，通過代入一個精密固定基準電阻而不是熱變電阻測量該傳感器的單元常數，并且當該固定電阻器就位的時候，測量該傳感器的響應。當就位的該熱變電阻被該單元常數標準化的時候，隨后完全測量該傳感器響應，從而無效該不穩定多諧振蕩器和該無源電路元件的非理想的影響，該無源電路元件控制該多諧振蕩器頻率。
本發明第一個方面優選實施例的第三個新穎的特點是，當在一個特征溫度上該熱變電阻是穩定的時候，該固定基準電阻是一個精密的多重值熱變電阻。對于一個熱敏電阻，這個特征溫度被稱為“基準溫度”，并且該熱敏電阻在特征溫度的電阻被稱為基準電阻。理論上，該多重值是一個正整數，并且最好是一。
本發明第一個方面優選實施例的第四個新穎的特點是，在通過替換該基準電阻的已知值而不是該熱變電阻組合該傳感器期間可以測量該單元常數，并且這個過程不需要使用一個溫度穩定的沉浸池或者腔。
按照本發明的第二個方面，一個溫度測量系統由一個基于微控制器的測量設備和一個人佩帶的接收單元組成，基于微控制器的測量設備發送溫度數據，人佩帶的接收單元譯碼該發送并且顯示該溫度。
該測量設備包括三個電氣輔助系統一個熱敏電阻控制的多諧振蕩器傳感器電路，一個低功率微控制器，以及一個調制的發射機。一個精密熱敏電阻提供一個用于連接在一個不穩定多諧振蕩器結構中集成的定時電路的可變充電元件。該多諧振蕩器產生脈沖，該脈沖的工作周期隨該熱敏電阻充電元件的變化而變化。該脈沖是由一個低功率微控制器計數的，并且由相同的微控制器轉換為一個數字編號，其被臨時儲存在存儲器中。一旦已經確定了該數字編號，該微控制器使對該多諧振蕩器的不供電以節省電池電源。
使用其自己的時鐘和一個參見值，該微控制器計算一個偽隨機數，并且確定下一個數據傳輸的開始。然后該微控制器構成一個數據字，該數據字由當前的基準時鐘值、來自多諧振蕩器計數的數字量、在制造期間預先地儲存在該微控制器中的一個唯一的序列號，以及一個由在該數據字中另一個值計算的錯誤檢測數目組成。該數據字被以非常特殊的比特值交錯，并且附著于一個前同步碼和同步字以生成一個數據分組。當該是下一個發送時候了的時候，該微控制器啟動該RF發射機，并且開始發送該數據分組給該RF發射機的調制部分。
該RF發射機由一個晶體穩定的振蕩器和一個可變電容器組成，該晶體穩定振蕩器提供一個載波頻率，該可變電容器頻率調制該載波。一旦其已經被啟動，該RF發射機調制來自該微控制器的該數據分組到該載波上，并且發射該調制的載波。在已經發射該數據之后，該微控制器使該RF發射機無效，并且進入睡眠方式以節省電池電源。僅僅在下一個發送之前該微控制器脫離睡眠方式，重新激活該多諧振蕩器，并且再次開始溫度測量周期。
該整個電子學測量設備被設計成能用一個或者二個氧化銀電池工作。該裝置和電池被封裝在一個可以被吞食的生物相容的殼體中。
該接收單元包括三個操作的輔助系統數據解調器和翻譯器、帶有傳感器跟蹤和數據變換算法的微控制器，以及起動機構。該數據解調器由一個無線電設備組成，其解調該載波為數據。一個機載的微控制器除去該交錯的比特，并且查驗該錯誤檢測字以確定是否該輸入數據未被該RF信道破壞。對于完好的數據字，該微控制器轉換來自該多諧振蕩器計數的數字為溫度。來自存儲在插件板上存儲器中的該數據字的溫度和序列號被顯示在一個LCD上，和/或經由一個直接線路連接或者一個輔助無線電頻率鏈路轉發給一個遠端站。
在發射機中用于確定下一個傳送時間的相同的偽隨機算法被編程輸入該接收單元微控制器中。使用這個算法，該接收機可以推算什么時候每個傳感器將發射一個數據分組，以及哪個傳感器可能發射該數據分組。如果該接收單元被移動到離該測量設備足夠遠，以至無線電通信被丟失，基于該算法，該接收機仍然可以推算什么時候特定的發射機應該被發射。
對于要正確地啟動的該偽隨機算法，該接收單元具有一個嵌入的起動機構。一個在該接收機殼體內的空腔容納該測量設備膠囊。該接收機的微控制器發送一個包括在該空腔內的IR LED脈沖。一個在該裝置膠囊中的IR敏感光電檢測器啟動該膠囊的微控制器。來自該接收機的后續的消息經由該IR LED確認該膠囊的使用，并且推動一個從該測量設備的發送。來自該測量設備的這個第一傳送包括該裝置的序列號、時鐘值以及一個在制造期間存儲的校正值。該序列號標識在所有后續的傳送期間的該裝置。包括在該序列號中的是一個傳感器標識符，其表示該傳感器測量哪個類型的生理學參數。反饋被提供給用戶以表示該傳感器已經被標識并且可供使用。該溫度監控系統能夠支持其他的生理學參數(包括但是不局限于心率、血壓SPO2等等)、動作的參數(諸如活動、睡眠等等)、環境條件(諸如溫度、運動等等)、以及探測條件(諸如毒藥或者其他所考慮的材料的濃度水位)。
該時鐘值被用作傳感器跟蹤算法的一部分，并且該校正值被用于轉換來自多諧振蕩器的數字數量為溫度。
使用該機載的起動機構，若干裝置可以由相同的接收單元監控，由于每個具有唯一的序列號，并且在傳感器跟蹤算法中被給出不同的時間序列。
本發明第二個方面優選實施例的第一個新穎的特點是，使用一個多諧振蕩器去轉換該熱敏電阻阻抗為具有變化的工作周期的脈沖，由一個單板的微控制器計數這些脈沖，并且在存儲器中作為數字數量存儲一個結果值。
本發明第二個方面優選實施例的第二個新穎的特點是，一個唯一的序列號被存儲在該裝置微控制器存儲器中，并且以測量的溫度準數發送去明確地標識該裝置。該序列號包括一個表示生理學的(心率、血壓、溫度等等)、動作、環境或者正在測量的檢測參數的傳感器標識符。
本發明第二個方面優選實施例的第三個新穎的特點是，該傳感器/發射機微控制器通過計算一個基于其自己的時鐘和一個參見數字的偽隨機數確定何時將會傳輸下一個數據。該相同的算法被包含在該接收單元中，使得該接收機可以從每個裝置推算何時將會下一個傳送。
本發明第二個方面優選實施例的第四個新穎的特點是，該測量的溫度數字、該時鐘周期，以及該唯一的序列號被合成在一個具有一個錯誤檢測編號的數據字中。這個數據字被使用位填充編碼，并且與一個前同步碼和同步字相結合去形成一個數據分組。
本發明第二個方面優選實施例的第五個新穎的特點是，該RF發射機拓撲結構包括一個用于調制該載波的機構。此外，該RF傳送是定期的而不是連續的，并且直到由該微控制器計算的時間才起動。
本發明第二個方面優選實施例的第六個新穎的特點是，該微控制器控制該多諧振蕩器和該RF發射機的起動，并且利用一個睡眠方式去將在該電池上抽取的平均電流減到最少。這允許使用超微型氧化銀電池。
本發明第二個方面優選實施例的第七個新穎的特點是，一個利用一個IR LED和一個IR敏感光電檢測器的起動機構。該機構啟動在該測量設備中的該微控制器復位，允許其在使用之前被延期處理很長時間。該IR通信鏈路也使該接收單元去發送指令給該裝置，并且提示該裝置信息，諸如序列號和校正值。該IR通信鏈路還使該接收單元確定是否該傳感器正在某極限范圍內工作，以便可以提供關于該傳感器滿意的工作的反饋給用戶。
為了更好地理解本發明，現在將參考例如伴隨的附圖進行展示如何實現本發明，其中圖1是在其第一個方面中按照本發明的溫度敏感電路的示意圖；圖2是一個在描述在圖1中示出的電路操作有用的圖形；圖3是一個示出電子器件結構的方框圖，該電子器件在其第二個方面中包括在一個本發明優選實施例的溫度測量裝置的發射機單元內；圖4是一個包括在該發射機單元中的RF發射機電路的電路示意圖；和圖5是一個示出包括在該溫度測量裝置的接收單元中的電子器件結構的方框圖。
具體實施例方式
在圖1示出的溫度敏感電路是一個經典的555定時電路，其充電時間是由電阻RT和R1以及電容器C2控制的，并且其放電時間是由該電阻R1和該電容器C2控制的。經典的555定時電路使用外部網絡去控制頻率，并且在變換器中各種用途的555定時器是為大家所熟知的。
在本發明的一個實施例中，RT是一個在25℃具有大約100kohm電阻的精密熱敏電阻，并且R1是一個100kohm精密固定電阻器。這將產生一個555脈沖波形，其充電時間tc大約是放電時間td的兩倍，如圖2所不。
當溫度增加高于25℃之時，該熱敏電阻阻抗將降低，由于該熱敏電阻具有一個負溫度系數。在溫度高于25℃產生的信號波形將具有減小的工作系數和更高的頻率。因此，頻率和工作系數將特別地與環境溫度有關系。對于低功率工作，該熱敏電阻的阻抗必須很大，理論上在25℃為100kohm。如果這樣一個很大的值是不可用的，增加一個串聯電阻器Rs可能是必要的，使得RT＝Rth+Rs，這里Rth是熱敏電阻，并且RT是Rth和Rs的總的串聯電阻。
代替測量頻率，我們測量該系統充電和放電時間。這是時域測量，而不是頻域測量。在這種型式中，該充電時間由下面廣義方程給出tc＝AC2(RT+R1)＝AC2(Rth+Rs+R1)并且該放電時間由td＝BC2(R1)給出。
這些方程式中，A和B是取決于電容器C2值及其他表示該555定時器特征的因素。
為了簡化結構，適宜于選擇Rs＝n*R1，這里n是一個整數。此外，如果熱敏電阻被選擇使得在其基準溫度上其阻抗等于R1，其簡化該結構。然后，注意到Rth是一個隨溫度而變的數值，讓Rth＝θRl，這里θ是一個隨溫度而變的函數，當該溫度等于熱敏電阻的基準溫度的時候，其值是一。為了消除在電容和有源電路單元中的溫度依賴性，我們形成tc對td的比值tctd=AC2(Rth+Rs+R1)BC2(R1)=AB(1+n+RthR1)]]>我們引用該常數A/B作為單元常數(cell constant)μ。
該比值由希臘字母“伽馬”指示，我們引用這個函數作為該傳感器方程式，γ(T)=μ(1+n+RthR1)=μ[1+n+Θ(T)]]]>對于醫學熱敏電阻，該基準溫度通常是25℃。在這個基準溫度上，T＝T0＝25℃，θ＝1并且γ＝γ0，以及先前的方程式歸納為γ0＝μ[2+n]。
對于一個理想的555定時器，μ＝In(2)＝0.69作為一個理論數值。但是，實際的集成電路版本的555定時器，尤其是適合于低功率應用的該CMOS定時器可能不正好具有μ＝0.69，并且為了使這個方法更精確，必須確定該U值。原則上，如果我們在基準溫度25℃ 測量tc/td的值，我們可以從該方程式確定該單元常數μμ=γ02+n]]>只要在其基準溫度該熱敏電阻的值恒等于R1。實際上，這是容易的，因為存在若干醫學級熱敏電阻的制造商，該熱敏電阻的基準溫度電阻以具有非常窄的容限不同的值是可利用的。此外，固定精密電阻器是可利用的，其實測值可以是接近于其額定值的0.1％。
一種更直接非常準確地確定該單元常數的方法是代替固定電阻器而不是該熱敏電阻。這個固定電阻器的值應該在其基準溫度等于該熱敏電阻的值，并且與該R1的值相同。這個替換在25℃ 模擬該熱敏電阻電阻。當該固定電阻器被該熱敏電阻代替的時候，該傳感器方程式變為γ(T0)＝μ0[1+n+Θ(T)]＝μ0[1+n+1]＝μ0[2+n]因此，該單元常數等于td/tc比值的測定值除以(2+n)。一旦該單元常數被測定，該固定電阻器被除去并且該熱敏電阻被設置。當該單元被構造的時候，這個測量僅需要進行一次，并且這個過程可以借助于一個個人計算機和一個小型探頭裝置容易地自動操作。一旦該單元常數為已知，其可以被存儲在底板上傳感器微控制器的存儲器中。
對于實際溫度測量，該單元方程式可以被反轉為提供熱函數θ(T)。在溫度T該熱函數是在溫度T的熱敏電阻阻抗與在其基準溫度25℃熱敏電阻阻抗的比值。我們具有，Θ(T)=γ(T)μ-(1+n)]]>在該溫度計的優選實施例中，該傳感器網絡被與一個微控制器電路結合以形成該微型溫度計。這個溫度計的尺寸被制作的盡可能很小，使得其可以裝入一個可吸收的藥丸，用于測量人體內部溫度；可以裝入一個小的皮膚碎片，用于測量皮膚溫度；可以裝入一個膠囊中，該膠囊可以被放入人體的孔中，諸如耳道，或者植入在人或者動物受驗者的別處，或者以一個小型發射機的形式供測量周圍溫度使用。在制造過程期間，該電路首先被安裝，并且一個固定電阻器被安裝代替該熱敏電阻。當該固定電阻器在適當位置的時候，一個外部探頭裝置被用于接通該傳感器并且記錄該tc和td值。從這些值中，一個外部計算機(個人計算機)被用于計算該單元常數。該外部PC然后編程該單元常數的值進在底板上傳感器的該微控制器。當這個過程完成的時候，該固定電阻器被除去，并且該熱敏電阻被設置。從這點上，當該溫度計電路被啟動的時候，該微控制器測量tc和td，并且使用該單元常數計算該溫度。
對于一個熱敏電阻，該熱函數是經由該Steinhart-Hart方程式特別地與該溫度有關系的1T=a+bln(R)+C[ln(R)]3]]>其系數a、b和c是常數，并且表示用于制造該熱敏電阻的材料的特征。對于最高級的精確度，使用醫學等級熱敏電阻，其系數已知是非常精確的，并且由該熱敏電阻的供應者提供。
在實際的實施中，可能該溫度不能經由該Steinhart-Hart方程式由該熱敏電阻阻抗獲得。這是因為該電路可以具有導致與該Steinhart-Hart曲線擬合不符合的熱特性。獲得一個相關該熱敏電阻阻抗Rth與在很寬的溫度范圍內溫度T的溫度函數仍然是可允許的。通過進行該限定，Re=RthR1]]>Re是該熱敏電阻相對于在基準溫度25℃(因為Rth(25)＝R1)其值的“有效電阻”。對于溫度大于25℃，Re小于一。對于溫度小于25℃，Re大于一。這是因為Rth具有一個負溫度系數。我們已經發現一種多項式函數形式T(Re)=A0+A1Re+A2Re2+A3Re3+A4Re4+A5Re5]]>足以在很寬的溫度范圍內相關該溫度與該熱敏電阻的有效電阻。因此，我們基于這個多項式而不是該Steinhart-Hart方程式計算溫度。
在一個實際的實施中，該溫度計能夠以良好的精確度和分辯率水位測量在100C變動范圍之上的溫度，例如，從-30℃到+70℃。
圖3中示出按照本發明第二個方面的方框圖，示出溫度測量裝置的發射機單元電子器件的結構。該電子設備包括一個作為用于多諧振蕩器2可變充電單元連接的精密熱敏電阻1；一個微控制器3，包括計數器4、時鐘振蕩器5、數據輸入和輸出10、窗口帶阻濾波器14以及功率控制輸入/輸出8；一個紅外線(IR)敏感光電檢測器7，以及一個包括調制器和天線的RF發射機6。
該多諧振蕩器可以包括一個以根據圖1描述的方式連接到該熱敏電阻1和該電容器的555定時器。該多諧振蕩器的輸出端OUTPUT被連接到該微控制器的計數器電路的輸入端口。該微控制器定時器計數器計算在一個放電周期期間時鐘周期的數目，和在一個相鄰的充電周期期間時鐘周期的數目，并且存儲這二個數目。用于該放電周期的數字被與一個窗口帶阻濾波器的限制相比。如果用于該放電周期的數字大于或者小于該窗口濾波器限制，其被連同用于該充電周期相應的數字一起濾去。這個帶阻濾波器消除由該定時器計數器的觸發失誤所引起的虛假的計數。如果對于該放電周期的計數是在窗口濾波器限制范圍之內，其除以相應對于該充電周期的計數，并且采樣數目的計數器被增加1。該放電充電計數的比值然后被存儲在存儲器中去起動一個運算總和。在放電和充電周期期間，該計算時鐘的過程被重復固定次數，隨著每對計數或者被濾去，或者被分解，并且該比值被增加給存儲器中的該運算總和。當該計數過程已經完成的時候，該比值的運算總和除以采樣計數器的數目，給出放電∶充電計數對于其采樣間隔的平均比。該平均比被對于若干采樣間隔采集，并且這些值也被平均，產生最后的放電∶充電計數的比值，其具有微乎其微的噪聲。該最后的比值被作為數字數量存儲在該微控制器存儲器中，直到該時間被發送為止。
在該校正過程期間，一個精密電阻器被代替該熱敏電阻Rth使用。放電∶充電計數的平均比由在前一段落描述的相同的過程確定，并且被作為一個校正值存儲在該微控制器存儲器中。
在制造期間，一個唯一的序列號也被存儲在該微控制器存儲器中。
為了避免與鄰近的裝置串音，該微控制器使用一個偽隨機的算法去確定什么時候可能會發送下一個。未來的時間被分成1個由48個第二‘有效’間隔和12個第二‘警戒’間隔組成的詳細的代碼。該12個第二警戒間隔緩存每個有效間隔，提供在連續不斷的發送之間的時間推移。
每個48個第二有效間隔被分成256個發送時隙，對于每個時隙由一個特定的時間點限定。在該48個第二有效間隔之內，基于一個偽隨機數生成(PNG)函數，一個特定的時間點被計算。該PNG函數是以多項式形式p(x)＝x24+x4+x3+x+1為基準的。該隨機數是通過一個程序循環產生的，該程序循環基于該多項式p(x)，該參見值，消逝的代碼的數目以及用于該時間點比特的數目(在這個例子的情況下為8個，這里存在256個發送時隙)構成一系列1s和0s。對于每個裝置該初始參見值是不同的，并且一個新的參見值是連同用于每個傳送代碼的隨機比特一起產生的。結果是該順序的發送以可預測的、隨機序列發送時隙出現。
回到參考圖3，集成在該微控制器中的時鐘振蕩器5提供具有一個基準時間的偽隨機算法。來自該偽隨機算法的時間點被用于計算當下一個發送將出現的時候該基準時鐘的值。
恰好在下一個發送的時間之前，該微控制器啟動該多諧振蕩器溫度測量程序。在該測量之后，該微控制器使該多諧振蕩器不活動，并且構成一個由以下組成的數據字9該發送時間點；在該制造過程期間預先地存儲在存儲器中的該裝置的序列號；來自該多諧振蕩器的該數字數量；和一個錯誤檢測字節。該裝置的序列號包括一個表示其是溫度傳感器的傳感器標識符。該傳感器標識符辨別是否該傳感器是一個溫度計或者別的生理學的傳感器(諸如，一個心率傳感器)，或者如上所述別的參數或者條件的傳感器。該錯誤檢測字節被使用循環冗余碼(CRC)算法以及以該數字數量、該裝置的序列號以及該發送時間點和該校正值為基準計算。該數據字通過交織一個4b/8b比特填充列表被編碼10，以平衡發送給該RF發射機6的1和0的數目。該編碼器也附加一個前同步碼12和一個同步字11給該數據分組的前部。該接收單元使用該前同步碼去自動跟蹤該載波頻率。
一旦已經構成該數據分組，該微控制器啟動該RF發射機。圖4示出一個該RF發射機的示意圖。
該發射機是一個具有X1、D1、C3是諧振器以及Q1、L1和C2是放大器的皮爾斯(Pierce)振蕩器結構(U.S.專利1,789,496)。本申請人已經選擇了一個用于X1的基頻晶體，以使該發射機的載波穩定在±100ppm。該電感L1起天線作用。電容器C2與L1形成一個諧振電路，推進來自發射機的輸出功率。電阻R2提供附加的相移以確保穩定振蕩并且從該諧振器隔離該諧振電路。來自該微控制器的數據通過改變在該變容二極管D1上的電壓頻率調制該載波，該變容二極管D1依次改變該諧振器的諧振頻率。該結果是一個頻移鍵控載波。替換的實施例可以直接地在Q1的基極或集電極上改變該電壓，產生振幅移動鍵控或者振幅鍵控。該RF發射機的拓撲結構適用于電池V1從或者1.5V或者3V開始的工作。
參考圖3，允許該裝置在使用之前被延期處理一個持續期，IR敏感光電檢測器7被用作一個起動開關。雖然供選擇的實施例可以使用光電二極管，本申請人已經選擇一個光敏晶體管作為該光電檢測器。該光電晶體管被連接到該復位腿和該微控制器輸入端口的一個，其控制到該多諧振蕩器的電源，和該RF發射機。在起動期間，該裝置包殼被存放在接收單元上的一個空腔中，其非常接近于一個IR發光二極管。當該光電晶體管感知足夠的光的時候，其觸發該微控制器的復位，啟動該時鐘5，以及啟動一個喚醒程序。該微控制器然后等待一個從該接收單元經由該IR鏈路發送的預先確定的消息。如果該消息未在預先分配的時間內接收，該微控制器重新輸入睡眠方式。如果接收到該消息，該RF發射機被啟動，并且存儲在該微控制器存儲器中的該校正值，該裝置序列號以及該當前的時鐘計數被經由該RF發射機發送。以這種方法，該接收單元和該溫度測量裝置被同步，并且包括相同的參見值。即使當RF通信已經丟失時候，該接收單元可以使用該參見值和該裝置時鐘作為給該PNG函數的輸入，以確定下一個發送的預計執行時間。該裝置通過隨一個預先確定的溫度數字發送一個采樣數據包完成該激活過程，并且開始該測量程序。
如果在該激活過程期間有通信被丟失或者破壞的話，包括采樣數據包，該接收單元顯示一個表示該裝置未工作和可允許的行動過程的警告給該用戶。
圖5示出一個該接收單元功能的方框圖。該微控制器14啟動該超外差式無線電設備1，其從溫度測量裝置接收該信號并且解調該數據。一旦該全部的數據分組被接收和存儲在存儲器中，該接收機無線電設備1由該微控制器14停用。該微控制器使用在數據分組中的同步字作為起動指示符，然后從該數據字3中除去交織的比特。該錯誤檢測字節然后被查驗以確保該數據字有效。無效數據字被濾去。一個ID表征碼功能2從有效發送給一系列由接收機初始化的裝置的序列號中比較該序列號。具有不相配序列號的傳感器數據流被忽略。具有和序列號相配的傳感器數據流的該多諧振蕩器數字編號被用于使用在初始化期間存儲的該校正值計算有效電阻的值，并且該有效電阻被基于用于T(Re)的該多項式函數轉換成溫度值。該溫度被連同一個來自實時時鐘4的時間戳一起存儲在存儲器6中。每當可利用時，該新的溫度數據被顯示在該LCD8上。該小鍵盤16被用于改變裝置選項，實施初始化，輸入用戶數據，以及執行其他的系統功能。該溫度數據可以稍后使用串行接口7和一個PC被從存儲器中恢復，或者經由一個直接連接或者一個輔助射頻鏈路發送到一個遠端站。
該PNG序列發生器10使用該微控制器時鐘17去跟蹤用于若干專用傳感器的傳輸間隔，其可以是熱敏的裝置，但是做為選擇可以是對其他參數敏感的裝置。編程進每個傳感裝置中的相同的偽隨機的算法被編程進該PNG序列發生器。使用該偽隨機的算法，和從該傳感裝置傳送的該參見值，該PNG序列發生器可以推算什么時候可能發送下一個，以及哪個傳感裝置可能被發送。恰好在發送下一個期望的之前，該接收機無線電設備1被該微控制器啟動。
可以是該小鍵盤16的一部分的一個按鈕開始起動新的溫度測量裝置(或者其他的傳感裝置)。在該起動程序期間，該微控制器經由IR LED9發送一個消息給溫度測量裝置。在一個簡短延遲之后，該微控制器14使用相同的IR LED請求該校正值和該裝置的序列號。該無線電設備1被啟動，并且接收從溫度測量裝置發送的消息。該PNG序列發生器10使用該序列號去計算一個唯一的參見值，并且經由IR LED輸出該參見值給溫度測量裝置。該裝置以一個預先確定的數據分組響應。該接收單元驗證數據分組的有效性。該數據分組的有效性(或者無效)被顯示在該LCD 8上。
電源開關12允許當該接收單元延期處理的時候主電池13被保持，電源開關12在該小鍵盤16上可以具有一個動作單元。當該主電池13被交換時，一個后備電池15保持實時時鐘裝置和數據易失性存儲器。
概括地說，本發明第二個方面的優選實施例是一個為了測量溫度或者其他生理參數、動作參數、環境條件等等起見的溫度計。該溫度計由一個基于微控制器的溫度測量裝置和一個接收單元組成，該溫度測量裝置獲取和發送溫度數據，該接收單元可以由該受驗者佩帶，并且譯碼該數據以及顯示溫度。
該測量設備包括三個電氣輔助系統一個熱敏電阻控制多諧振蕩器傳感器電路，一個低功率微控制器，以及一個調制VHF發射機。該電子設備從二個氧化銀電池操作，并且是足夠小的以安裝在一個可吸收的生物相容的殼體之內。來自該裝置的發送是定期的，并且遵循一個特定的模式以降低在專用裝置之間的串音。
該接收單元解調來自測量設備的該數據，并且使用一個特定的校正值轉換其為溫度數據。該溫度被數字地顯示在一個LCD顯示器上，并且被存儲在存儲器中。
該溫度計包括一個起動機制，其允許該裝置無需消耗電池被長壽命的延期處理。
該接收單元包括一個紅外線(IR)發光二極管(LED)和一個用于容納該測量設備的空腔。該測量設備包括一個IR敏感光電晶體管，其被那時設置在該空腔中在該接收單元上的該IR LED啟動。一個來自接收單元的消息啟動在測量設備中的微控制器，并且啟動該多諧振蕩器傳感器電路。
應該理解，本發明不局限于已經描述的特定實施例，而且無需脫離如在所附權利要求限定的和其等效的本發明的范圍，可以在其中進行變化。除非上下文指出，否則在權利要求中對一個部件例子的數目引證是一個或者一個以上例子的引證，其需要至少該部件例子的狀態數目，但是不意欲排斥在該權利要求的范圍之外具有部件比狀態更多的例子的結構或者方法。
權利要求
1.一種包括一個多諧振蕩器的溫度計，該多諧振蕩器包括一個具有與之相關的第一和第二導電通路的電容器，所述第一和第二路徑的一個是用于該電容器的充電路徑，以及所述第一和第二路徑的另一個是用于該電容器的放電路徑，該多諧振蕩器還至少包括第一和第二電阻，其中該第一和第二電阻在所述第一路徑是串聯連接的，并且該第一電阻而不是該第二個電阻被連接在所述第二路徑中，以及其中第一電阻具有一個大體上與溫度無關的阻抗值，并且該第二電阻具有一個隨著溫度而變化的阻抗值，并且該阻抗值是溫度的函數。
2.根據權利要求1的溫度計，其中該多諧振蕩器包括一個第三電阻，該第三電阻具有一個大體上與溫度無關的阻抗值，并且大體上等于第一電阻阻抗值的整數倍數，以及其中在所述第一路徑中第一、第二和第三電阻是串聯連接的，并且該第一電阻而不是該第二或者第三電阻被連接在所述第二路徑中用于該電容器。
3.根據權利要求1的溫度計，其中該第二電阻的阻抗值在其基準溫度上大體上等于第一電阻的阻抗值。
4.根據權利要求1的溫度計，其中該多諧振蕩器包括一個555型定時電路。
5.根據權利要求1的溫度計，其中所述第一路徑是該充電路徑，以及所述第二路徑是該放電路徑。
6.一種制造溫度計的方法，包括提供一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器包括一個具有與之相關的第一和第二導電通路的電容器，所述第一和第二路徑的一個是用于該電容器的充電路徑，以及所述第一和第二路徑的另一個是用于該電容器的放電路徑，該多諧振蕩器還至少包括第一和第二電阻，其中該第一和第二電阻在所述第一路徑是串聯連接的，并且該第一電阻而不是該第二個電阻被連接在所述第二路徑中，以及其中該第一和第二電阻具有大體上與溫度無關相應的阻抗值，測量該電容器的充電和放電時間，并且基于所述充電和放電時間計算單元函數的參考值，和以一個隨溫度而變的電阻替換該第二電阻。
7.根據權利要求6的方法，進一步包括在一個要測量的溫度上，在該隨溫度而變的電阻和一個區域之間建立熱平衡，測量該電容器的充電和放電時間，并且計算該單元函數的第二個值，和基于該單元函數的參考值和該單元函數的第二個值計算溫度值。
8.根據權利要求6的方法，進一步包括記錄該單元函數的參考值。
9.根據權利要求8的方法，進一步包括記錄該單元常數的附加值。
10.一種制造溫度計的方法，包括提供一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器包括一個具有與之相關的第一和第二導電通路的電容器，所述第一和第二路徑的一個是用于該電容器的充電路徑，以及所述第一和第二路徑的另一個是用于該電容器的放電路徑，該多諧振蕩器還至少包括第一和第二電阻，其中該第一和第二電阻在所述第一路徑是串聯連接的，并且該第一電阻而不是該第二個電阻被連接在所述第二路徑中，以及其中該第一電阻具有一個大體上與溫度無關的阻抗值，并且該第二電阻具有一個隨著溫度而變化的阻抗值，并且該阻抗值是溫度的函數，該第二電阻的阻抗值在一個基準溫度上大體上等于第一電阻的阻抗值，在該基準溫度上測量該電容器的充電和放電時間，并且計算單元函數的值，和記錄該單元函數的值。
11.一種溫度計，包括一個多諧振蕩器，該多諧振蕩器包括一個具有與之相關的第一和第二導電通路的電容器，所述第一和第二路徑的一個是用于該電容器的充電路徑，以及所述第一和第二路徑的另一個是用于該電容器的放電路徑，該多諧振蕩器還至少包括第一和第二電阻，其中該第一和第二電阻在所述第一路徑是串聯連接的，并且該第一電阻而不是該第二個電阻被連接在所述第二路徑中，以及其中該第一電阻具有一個大體上與溫度無關的阻抗值，并且該第二電阻具有一個隨著溫度而變化的阻抗值，并且該阻抗值是溫度的函數，一個用于測量該電容器的充電持續時間和放電持續時間，并且計算該放電時間對該充電時間比值的裝置，和一個用于發送所述比值給接收機，用于計算相應溫度值的裝置。
12.一種用于測量溫度的裝置，包括一個脈沖發生器和一個工作循環的測量電路，該脈沖發生器包括一個電阻，使得取決于該電阻的阻抗該脈沖發生器產生工作循環的脈沖，該工作循環的測量電路用于測量該脈沖的工作周期，并且取決于該工作周期的測量值輸出一個值，以及其中該電阻具有一個非零溫度阻抗系數。
13.根據權利要求12的裝置，包括一個用于存儲該裝置唯一的序列號的裝置，和一個用于合成該裝置的序列號和該工作周期的測量值以產生一個輸出數據字的裝置。
14.根據權利要求12的裝置，包括一個用于存儲該裝置唯一的序列號的裝置，一個用于計算一個錯誤檢測編號的裝置，和一個用于合成該裝置的序列號和該工作周期的測量值以及該錯誤檢測編號以產生一個輸出數據字的裝置。
15.根據權利要求12的裝置，包括一個用于分解未來的時間為一連串的傳輸間隔并且用于分解每個傳輸間隔為多個傳送時隙的裝置，一個基于預先確定的算法用于計算偽隨機數的裝置，一個用于基于該計算的偽隨機數選擇所述傳送時隙之一的裝置，以及一個用于在該選擇的傳送時隙期間發送所述值的裝置。
16.根據權利要求15的裝置，在與接收機結合方面，該接收機包括一個用于基于所述預先確定的算法計算所述偽隨機數的裝置，借此該接收機能夠推算所述值的傳送時間。
17.根據權利要求12的裝置，包括一個用于基于所述測量值產生一個數據字的裝置，所述裝置是與一個RF發射機聯合在一起的，該RF發射機用于按照所述數據字調制一個載波，以及一個用于以周期方式操作該RF發射機的裝置。
18.根據權利要求12的裝置，包括一個用于控制該脈沖發生器起動的裝置。
19.一種用于測量參數值的測量系統，包括一個發射機單元，其包含一個傳感器設備、一個測量設備、一個發射機設備以及一個光電檢測器，并且還包括一個包含光發射設備的接收機單元，以及其中該接收機的光發射設備可以被激發去發射一個起動信號，并且該光電檢測器響應該起動信號去激活該發射機單元。
20.一種包括一個發射機和一個接收機的測量系統，該發射機用于接收表示參數值的數據并且發送所述值，該接收機用于接收來自該發射機的該發送，其中該發射機包括一個用于分解未來的時間為一連串的傳輸間隔并且用于分解每個傳輸間隔為多個傳送時隙的裝置，一個用于基于預先確定的算法計算一個數字的裝置，一個用于基于該計算的數字選擇所述傳送時隙之一的裝置，以及一個用于在該選擇的傳送時隙期間發送所述值的裝置，以及其中該接收機包括一個用于推算何時該發射機將會發射所述值并且用于使該接收機去在所述選擇的發送時隙期間從該發射機接收該發送的裝置。
21.根據權利要求20的測量系統，其中基于所述預先確定的算法，所述用于計算的裝置計算一個偽隨機數，以及該用于推算的裝置計算該相同的偽隨機數。
22.根據權利要求20的測量系統，其中所述用于計算的裝置基于一個參見值計算所述數字。
23.根據權利要求20的測量系統，包括至少第一和第二敏感裝置，該第一和第二敏感裝置提供表示相應的值的數據給該發射機，以及該用于計算的裝置基于所述預先確定的算法計算第一和第二不同的號碼。
24.根據權利要求23的測量系統，其中第一和第二識別數字是分別與第一和第二敏感裝置有關的，所述用于計算的裝置基于第一和第二參見值分別計算所述第一和第二數字，以及所述第一和第二參見值是分別與所述第一和第二識別數字有關的。
25.根據權利要求23的測量系統，其中所述第一和第二敏感裝置是對不同的相應的參數敏感的。
26.根據權利要求25的測量系統，其中所述參數的至少一個是溫度。
27.根據權利要求20的測量系統，其中所述參數是溫度。
28.根據權利要求20的測量系統，其中該發射機包括一個RF電路，并且該發射機進一步包括一個控制器，在所述選擇的發送時隙期間其間歇性地激活該RF電路。
29.根據權利要求20的測量系統，包括一個用于提供所述數據給該發射機的敏感裝置，并且其中該控制器周期性地激活該敏感裝置。
全文摘要
本發明公開了一種溫度計，其利用一個熱敏電阻(1)作為溫度傳感器去控制該時間和多諧振蕩器電路(2)的工作周期。一個由微控制器(3)控制的第二個電路，測量該振蕩的充電和放電時間兩者。從這些參數的比值中可以獲得一個溫度的精確指示，其不取決于在該有效部件和該多諧振蕩器電路的充電電容器內的溫度變化。該方法也與該充電電容器的值無關。此外，當一個固定電阻器被熱敏電阻代替的時候，通過測量該相同的比值，可以推導出一個單元常數。該單元常數被用于校正該多諧振蕩器電路非理想的響應，因此，提供溫度更精確的測量。
文檔編號A61B5/01GK1479860SQ01820417
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月12日 優先權日2000年12月12日
發明者F·G·貝爾, D·K·巴頓, J·S·萊爾德, C·T·瓊斯, F G 貝爾, 巴頓, 瓊斯, 萊爾德 申請人:迷你米特公司