利用高性能模擬器件簡(jiǎn)化便攜式醫療設備設計

　　目前，醫療電器 OEM廠(chǎng)商正在開(kāi)發(fā)技術(shù)含量更高的、用于治療和監控常見(jiàn)疾病的個(gè)人保健設備。這些產(chǎn)品價(jià)格合理，極大提高了醫療保健質(zhì)量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監測器等便攜式醫療設備中起著(zhù)重要作用。大多數此類(lèi)產(chǎn)品中的實(shí)際生理信號是模擬信號，在測量、監控或顯示前需要進(jìn)行放大、過(guò)濾等處理。

　　將高性能模擬外設嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實(shí)現便攜式醫療電子設備的片上系統化，而且還可延長(cháng)電池使用壽命。本文將介紹簡(jiǎn)化便攜式電池供電醫療設備的模擬前端設計的多種方法，如將運算放大器、ADC、DAC等高性能外設與低功耗MCU結合使用。MCU 具有數字濾波、處理功能，還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理數據。將上述外設與 MCU 結合使用，不僅可以實(shí)現上述全部功能，而且還可通過(guò)關(guān)閉外設使其進(jìn)入待機模式(電流消耗僅為幾mA)來(lái)滿(mǎn)足功耗要求。

　　MSP430FG4619就是一個(gè)很好的例子，其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類(lèi)應用中的壽命可達數年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12 位 DAC等外設，是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設之外，該器件還具有 120KB的片上閃存及通用串行通信接口(USCI)。 以下為集成模擬外設實(shí)現醫療產(chǎn)品單芯片解決方案的具體介紹。

　　血壓計

　　圖1為血壓計功能結構圖。該應用通常使用橋式壓力變送器作為傳感器，與充氣式袖袋相連。變送器可通過(guò)端口引腳激活，由于僅在壓力測量時(shí)被激活，所以可以顯著(zhù)節省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數字化之前需要放大，然后由ADC進(jìn)行測量。放大后的信號可檢測科羅特科夫 (Korotkoff) 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數。MCU中的3個(gè)運算放大器能夠出色地完成這項工作。幾個(gè)放大器共同組成的高增益差動(dòng)放大器功能塊可消除應用中的共模噪聲。使用 3 個(gè)放大器的差動(dòng)放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號從內部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設可以進(jìn)行高效的數據處理，能夠快速執行Korotkoff音檢測算法，并濾掉影響測量結果的噪聲。16位CPU以較低的MIPS處理能力處理上述算法。該器件還集成了帶有穩壓充電泵的 160 段的 LCD驅動(dòng)器，以提供穩定對比度，從而進(jìn)一步完善了該單芯片解決方案。MCU中的120KB 低功耗閃存可以在現場(chǎng)進(jìn)行軟件升級，由于閃存具有系統內可編程性，所以可以當作數據記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信，以下載記錄的數據。由于 MCU 具有超低功耗架構，在血壓測量模式下，該解決方案的工作電流低于 3mA。在空閑模式下，該器件正常工作并顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘的電流消耗不足 3mA。

　　圖1 血壓計功能結構圖

　　MCU 中PWM 輸出控制的直流電馬達對袖袋進(jìn)行充/放氣。這是該血壓計唯一用到 6V 電源驅動(dòng)馬達的地方。如果不能滿(mǎn)足電源需求，整個(gè)血壓計可以用一節 3V 鋰離子鈕扣電池供電。不過(guò)，目前只有少數馬達可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅動(dòng)，所以，此例可以使用4節普通低成本AAA堿性電池及低壓降穩壓器 (LDO) 為MCU提供 3.3V電源。假設每天測量?jì)纱窝獕?，這些電池可以使用兩年。MCU可以長(cháng)期工作在活動(dòng)顯示計時(shí)模式，原因是該模式的電流消耗非常小。另外，用戶(hù)查看存儲的血壓讀數時(shí)也不會(huì )增加電流消耗。此外，集成的雙通道 DAC能夠產(chǎn)生相移180°的正弦波，從而可以提高變送器性能。