低功耗醫療電子設備的設計

便攜式醫療設備設計人員正面臨著(zhù)一些特殊的挑戰。他們所涉及的領(lǐng)域因嚴格的監管審查、持久的設計和使用周期，以及對最終產(chǎn)品的穩健性有非同一般的要求而眾所周知。此外，一些對于所有電子設備來(lái)說(shuō)很普通的設計目標，一旦牽涉到醫療設備時(shí)就產(chǎn)生了特殊的重要意義。例如，低功耗始終都是便攜式電子設備設計人員的目標。功耗越低意味著(zhù)電池可以變得更小、更輕，這樣可以提高產(chǎn)品的便攜性。對于醫療設備來(lái)說(shuō)，便攜性的提高對患者的生命質(zhì)量而言意義非凡。甚至患者的生命可能直接依賴(lài)于電池壽命。本文將說(shuō)明設計人員如何利用單片機(MCU)來(lái)降低醫療設備的功耗要求。

電壓和電池壽命

在低功耗應用中，MCU的靜態(tài)功耗是一個(gè)重要的品質(zhì)因素。一些具有高級處理技術(shù)的MCU在休眠模式下消耗的電流可低于50nA。為了適用于各種低功耗設計，MCU能在寬泛的電壓范圍下工作很重要。例如，在使用堿性電池時(shí)，通常指定1.8V的工作電壓，因為每節電池的最終電壓為0.9V，而在應用中通常使用兩節電池。選擇可在寬泛電壓范圍下工作的MCU可以延長(cháng)便攜式設備的工作壽命。但是，MCU的工作電壓范圍并不是唯一的決定因素。必須考慮整個(gè)系統的工作電壓范圍，包括MCU上的外設。如果系統中的單個(gè)外設需要消耗大部分的能耗，那么僅降低MCU的功耗對系統總功耗幾乎沒(méi)有什么影響。

降低功耗的方法

1.外設電源切換

便攜式嵌入式系統功耗管理的基本原則是讓MCU能夠控制內部和外部外設的功耗。設計便攜式醫療設備時(shí)，先確定必需的物理模式或狀態(tài)，然后對設計進(jìn)行分解，以便關(guān)閉不需要的電路。從眾多不同的供應商中選擇合適的MCU可以幫助您去除外部元件和降低成本。如前所述，可在寬泛電壓范圍下工作的MCU可以增強系統設計的功能性。

圖1：在該醫療數據記錄器應用中，MCU的I/O引腳可以用于對EEPROM和傳感器供電。

讓我們以一個(gè)基于MCU的數據記錄醫療監視器為例來(lái)說(shuō)明如何最大程度地降低整個(gè)系統的功耗，這個(gè)監視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見(jiàn)圖1)。在實(shí)際應用中，傳感器可以測量溫度、氧飽和度、血壓、血糖濃度或許多其他量的測量。該醫療設備將用于監視患者在幾個(gè)小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間內的病情。在該示例中，MCU每隔2秒獲取傳感器讀數、對傳感器數據進(jìn)行換算、將數據存儲到外部EEPROM存儲器中，然后等待下一個(gè)傳感器讀數。如果不需要考慮功耗，則可以一直對EEPROM、傳感器及其偏置電路供電。但是，由于它是便攜式醫療設備，高效使用可用電源是非常重要的。那么，怎樣做才能降低此類(lèi)系統的功耗呢？解決方案是讓MCU在不需要這些外設時(shí)通過(guò)程序控制關(guān)閉它們。如圖1所示，設計人員可以利用MCU的I/O引腳和一些代碼字節，在需要時(shí)對EEPROM和傳感器供電。由于所選MCU的I/O引腳最高可以提供 20mA的電流，因此切換電源不需要額外的元件。

2.MCU功耗管理模式

嵌入式應用中節省功耗的一種通用方式是在系統對MCU的資源需求很低時(shí)，定期將MCU置為休眠模式。在我們的示例中，系統每隔2秒進(jìn)行一次測量。如果實(shí)際需要11 ms進(jìn)行測量和存儲結果，則MCU可在兩次測量之間休眠1989 ms。允許MCU休眠的時(shí)間越長(cháng)，則應用消耗的平均功耗就越低。系統的MCU通過(guò)中斷或通過(guò)看門(mén)狗定時(shí)器超時(shí)事件喚醒。確保應用具有合適的看門(mén)狗超時(shí)持續時(shí)間很重要。通常，按如下方式工作：如果應用需要MCU每隔一段固定時(shí)間處理一次數據采樣，那么看門(mén)狗定時(shí)器應在所要求的時(shí)間周期內喚醒MCU一次。使用該功能時(shí)，需要選擇支持相應的看門(mén)狗周期的MCU。

3.計算總平均功耗

通過(guò)使用稱(chēng)為功耗預算的技術(shù)，我們將說(shuō)明設計人員如何估算應用中的電流消耗和電池壽命。同樣，以圖 1為例，數據記錄器應用不斷經(jīng)歷以下各種模式：休眠、傳感器預熱、檢測、數據換算和存儲。通過(guò)對處理循環(huán)的分析，可以確定每個(gè)周期中每種模式所占用的時(shí)間。然后，從廠(chǎng)商提供的相應器件數據手冊中獲取備選器件的電流消耗數值。將每種模式下需要的總電流乘以該模式的持續時(shí)間，就可以得到每個(gè)循環(huán)周期中在該模式下消耗的電荷量。根據表1可知，數據記錄器應用的每個(gè)循環(huán)周期需要2000ms，需要的總電荷量為18.8 e-6安培*秒。根據表1的數據，可以推算出平均電流為0.009mA，如下：

平均電流（mA） = 總電荷量（安培 * 秒）/總時(shí)間（秒）

= 18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009mA

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