推進(jìn)便攜式醫療設計的嵌入式處理器

便攜式醫療設備的特殊性決定了它們應該是對用戶(hù)友好的、必須工作在無(wú)菌環(huán)境下，并且空間占用小、耗能低。

同時(shí)，便攜式醫療設備還需要足夠的計算能力以便處理醫療數據，能夠連接到無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)接口以便記錄和發(fā)送數據。從設計人員的角度考慮，上述需求需要低功耗的單片機（MCU）和數字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）。

正是有了嵌入式處理器，設計人員才有可能設計出可在各種醫療應用中使用的緊湊而節能的設備，包括植入式設備、便攜式設備、家用設備和安保設備等。應用實(shí)例從可自行在柜臺購買(mǎi)的血壓計，一直到可拍攝病人腸道內部的微型無(wú)線(xiàn)照相機。本文將講述設計人員如何在便攜式醫療應用中使用最新的MCU和DSC。

便攜式醫療電子設備的設計問(wèn)題

在設計緊湊的便攜式醫療電子設備時(shí)，系統設計人員會(huì )面對許多挑戰，如用來(lái)調理醫療信號的資源對醫療儀器的最終成本起著(zhù)關(guān)鍵影響。在高端的應用中，心電圖分析儀（ECG）是一種復雜而昂貴的儀器，要在其刺激心臟的兩房?jì)墒視r(shí)測量心臟的電信號。首先，貼在心臟附近皮膚上的探針檢測電信號，然后電信號經(jīng)過(guò)處理，再用圖形表示出來(lái)。因為探針?lè )胖迷诓∪似つw上，信號容易出現衰減。因此會(huì )放置多個(gè)探針在心臟附近的皮膚上克服衰減，以便獲得更好的信號。然后，通過(guò)使用基于固件的數字濾波技術(shù)，即嵌入式快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）庫中提供的頻譜分析軟件，可以對信號的衰減進(jìn)行估算。ECG上的探針數量取決于控制ECG的DSC上有多少可用的ADC通道數。例如，Microchip最新的各種dsPIC DSC具有6個(gè)~32個(gè)ADC通道并且集成了可處理醫療信號的其他有用外設，采用這些DSC能夠使ECG的成本有實(shí)質(zhì)性的降低。

芯片設計人員已經(jīng)在器件上集成了幾種節能功能特性（圖1），使得醫療設備設計人員能夠控制功耗。就調節功耗而言，諸如空閑、休眠和待機模式等節能特性為設計人員提供了相當大的靈活性。當在醫療應用中使用這些器件時(shí)，系統控制器能夠在大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，只是定期被定時(shí)器中斷喚醒以運行程序代碼。

降低功耗的方法

設計人員應該意識到，在便攜式系統中實(shí)現節能的唯一途徑是讓單片機控制內部和外設的功耗。在系統運行期間，應該試著(zhù)按照具體能耗分別設計。在設計便攜式醫療設備時(shí)，確定所需的運行狀態(tài)，關(guān)閉不需要的電路。如果醫療設備上某個(gè)外設消耗了大部分的功耗，那么減少單片機的功耗不會(huì )對系統總功耗有多大的影響。

當不需要外設時(shí)，應將其關(guān)閉。例如，在電池供電的應用中，就不需要欠壓復位功能（Brown-out Reset，BOR）。另一方面，也可以向Microchip納瓦級PIC18F系列單片機那樣使用空閑指令（圖2）關(guān)閉CPU而讓外設繼續運行。

在節能上甚至還有更進(jìn)一步的措施。通過(guò)進(jìn)入休眠狀態(tài)，功耗可減少近96%。在由一個(gè)傳感器、一個(gè)存儲器和一節電池組成的便攜式醫療系統中，存儲器和傳感器可能一直在供電，這是在耗費系統能耗。在單片機的控制下，使用單片機的I/O接線(xiàn)關(guān)閉這些外設；只是在需要時(shí)，才向存儲器和傳感器供電。

引入可控的時(shí)鐘

對于低功耗應用而言，振蕩器啟動(dòng)時(shí)間對單片機功耗起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在啟動(dòng)期間，一直到振蕩器穩定下來(lái)之前，單片機即使是空閑的也會(huì )持續耗能。振蕩器啟動(dòng)時(shí)間受許多因素影響，包括晶振、負載電容、系統環(huán)境和振蕩器模式等等。在較低的時(shí)鐘速率下，雖然低頻振蕩器運行時(shí)消耗的功率更少，但它需要的啟動(dòng)時(shí)間會(huì )更長(cháng)，這樣就會(huì )對系統功耗產(chǎn)生顯著(zhù)影響。

選用帶有振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器的單片機，這樣會(huì )有助于確保正常啟動(dòng)，確保有足夠的時(shí)間建立振蕩。振蕩器定時(shí)器有助于單片機精確地執行代碼，確保振蕩器平穩起振。但振蕩器定時(shí)器也有不足，因為每個(gè)喚醒周期所需的時(shí)間也相應延長(cháng)。針對振蕩器啟動(dòng)時(shí)間問(wèn)題的解決方案是使用雙速振蕩器啟動(dòng)，這樣就能在啟動(dòng)時(shí)切換到較快的內部振蕩器頻率。運用先進(jìn)的單片機能在兩種內部時(shí)鐘頻率中進(jìn)行選擇，即正常運行時(shí)選擇軟件可配置的8 MHz振蕩器，要保持低功耗時(shí)則選擇31 kHz振蕩器。使用這些單片機能隨時(shí)切換時(shí)鐘頻率（在外部時(shí)鐘和內部振蕩器之間進(jìn)行轉換），同時(shí)不會(huì )有代碼執行延遲，從而節省醫療設備寶貴的“上電（Up）”時(shí)間。

把I/O線(xiàn)配置為模擬或數字線(xiàn)

便攜式設備上的每條信號線(xiàn)都會(huì )耗能，這就需要創(chuàng )造性地處理單片機上的雙向I/O引腳，因為有些I/O引腳能處理模擬輸入。通過(guò)仔細觀(guān)察這些引腳上的信號，設計人員可確保功耗最小。由于模擬輸入提供了高阻抗狀態(tài)，它們消耗的電流非常小。特別是，當施加的電壓處在VDD和VSS中間時(shí)，模擬輸入比數字輸入消耗更少的電流。只要可能，就應通過(guò)強迫數字輸入進(jìn)入低功耗狀態(tài)，把復用的數字/模擬引腳配置成模擬輸入，以節省功耗。另外可嘗試通過(guò)數字輸出驅動(dòng)外部電路，其除了給外部電路供電的電流外，數字輸出引腳不會(huì )產(chǎn)生額外的電流消耗。

把不用的端口引腳配置為輸出引腳（輸出為高電平或低電平均可），或者把它們配置為輸入引腳再連接外部電阻上拉至VDD或VSS，也能節省功耗。當配置為輸入時(shí)，通過(guò)引腳流出的僅僅是引腳輸入泄漏電流；而如果引腳直接連到VDD或VSS，也會(huì )有相同的電流流過(guò)。使用這種方法，能夠靈活地把引腳用作輸入或輸出，而不用作太多的硬件改動(dòng)。

通過(guò)功率預算節能

在便攜式應用中，設計人員能夠通過(guò)使用功率預算這項技術(shù)來(lái)計算電流消耗和估計電池壽命。首先要仔細了解系統的運行情況，設想設備的所有功能狀態(tài)。因此，如果把便攜式醫療應用簡(jiǎn)單地看作數據獲取操作，系統運行的模式顯然有：休眠、獲取數據、處理和存儲數據。

現在，通過(guò)仔細研究控制程序，就能估計出每個(gè)模式的時(shí)間消耗。參考制造商的數據手冊，能夠獲得系統中各器件的電流消耗。接著(zhù)，把每個(gè)狀態(tài)的總電流乘以每個(gè)循環(huán)周期中該狀態(tài)的持續時(shí)間，計算出每個(gè)狀態(tài)的電荷消耗量。根據功率預算，就能很容易地計算出滿(mǎn)足應用需求的電流大小，使用的公式是：平均電流＝總電荷/總時(shí)間。如果設計人員注意到在某個(gè)狀態(tài)消耗了過(guò)多功率，工作就可圍繞降低該狀態(tài)的功耗而進(jìn)行。

便攜式醫療設計中的安全機制

在醫療應用中，安全性的優(yōu)先級很高，系統設計人員必須預防設備因為掉電或程序失控而出現的緊急情況。比如，失去時(shí)鐘源可能會(huì )觸發(fā)錯誤地執行產(chǎn)品的控制程序。單片機供應廠(chǎng)家提供了幾種有效機制，確保系統中的單片機安全運行，并可預測其運行。在某些單片機中，設計人員可以使用故障保護時(shí)鐘監視器功能來(lái)檢測時(shí)鐘源的丟失。當檢測到時(shí)鐘丟失時(shí)，單片機的內部振蕩器將提供系統時(shí)鐘信號從而幫助系統平緩地關(guān)機，或如果不希望關(guān)閉系統的話(huà)，可進(jìn)入“待機（Stay-Alive）”模式。

小結

通過(guò)使用最新的單片機，設計人員可以實(shí)現功耗管理技術(shù)，設計出兼具成本效益的便攜式醫療設備。在醫療設備中功耗越小，就能用更小的電池。此外，通過(guò)使用低成本的控制器，設計使用一定次數后就廢棄的醫療用具已成為可能。

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