采用 MAXQ2010的低功耗醫學(xué)數據記錄儀的設計

許多醫學(xué)應用都需要不用外接電源線(xiàn)和數據線(xiàn)的便攜式自供電設備，最明顯的例子是病人隨身攜帶用來(lái)測量心率、體溫和其它健康指標的便攜式數據記錄儀。
　　當然，還有很多復雜應用即使通過(guò)外部電源供電，也會(huì )需要一個(gè)小型的電池設備實(shí)現安全冗余和設備監控，如醫院病房、病人居室、環(huán)境受控的實(shí)驗室或貯藏設備環(huán)境參數（包括溫度和濕度）都需要持續監控；另外便攜設備的安裝使用比需要外接電源和網(wǎng)線(xiàn)的設備更方便更靈活。在有些情況下，如需要病人隨身攜帶的醫療設備，冷庫的溫度檢測設備等，根本無(wú)法外接電源線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)。
　　便攜醫療設備要求何種功能？首先，必須自帶電源。通?？赏ㄟ^(guò)可充電的或不可充電的電池供電，盡管還有其它方式（如太陽(yáng)能供電），但這取決于對電壓和電流的要求。不管采用何種電源，電源的效率必須足夠高，而且電池供電的便攜設備在不需要滿(mǎn)負荷工作時(shí)應可以進(jìn)入“休眠”模式來(lái)盡可能降低功耗，休眠的設備可以被外部觸發(fā)信號或定期的被“喚醒”，然后提高運算速度（當然功耗也會(huì )增加）進(jìn)入正常工作模式。設備還應具備介于滿(mǎn)負荷工作和“休眠”模式之間的一些工作模式來(lái)執行一些簡(jiǎn)單的任務(wù)（如訪(fǎng)問(wèn)存儲器或刷新液晶及LED顯示器數據），因為設備通常僅在某些條件下才會(huì )需要滿(mǎn)負荷運算能力（如對傳感器數據進(jìn)行濾波和解碼），這樣就可以在功耗和運算速度之間進(jìn)行某種程度的平衡。
　　便攜設備即使支持無(wú)線(xiàn)通信，但并不總是保證能夠接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。取決于網(wǎng)絡(luò )條件，某一時(shí)刻設備在有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境中工作，下一時(shí)刻就有可能被移動(dòng)到?jīng)]有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境中，或可能因斷電造成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )臨時(shí)關(guān)閉。在這些情況下，如果設備本身不支持無(wú)線(xiàn)通信，設備需要將隨時(shí)采集的數據存儲起來(lái)，以備將來(lái)上傳到上一級系統進(jìn)行數據處理。有一些關(guān)鍵數據（如環(huán)境安全失效數據，配置數據或設備驅動(dòng)）必須保證存儲安全，即使電池故障或被移除也不能丟失。
　　便攜設備的其它特性取決于具體應用需求，數據可以直接通過(guò)模擬傳感器采集，也可以通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)子系統讀取，便攜設備可以?xún)H被動(dòng)地采集數據，也可以在特定條件下主動(dòng)地通過(guò)聲音報警或向某人發(fā)信號告警。一些簡(jiǎn)單的數據采集設備在上傳數據前根本無(wú)需用戶(hù)干預，而另一些設備（如手持血糖儀或腕帶式心臟監護儀）也許需要通過(guò)另外的輸入輸出設備而不是主機系統來(lái)更改配置或瀏覽數據。
使用MAXQ2010設計便攜式數據記錄儀
　　盡管業(yè)內有很多可供選擇的微控制器，但Maxim公司的 MAXQ系列低功耗混合信號RISC微控制器MAXQ2010具有的特性非常適合設計電池供電的數據采集設備。MAXQ2010具有極低功耗，極高 MIPS/mA比值，僅需很小的電池電流支持便攜應用，集成的12位8通道ADC可以采集很多類(lèi)型的傳感器數據，另外還支持許多類(lèi)型的本地串行接口（如 I2C, SPI, 同步/異步UART） ，可用來(lái)接入主機系統和串口非易失存儲設備，或與本設備中的其它子系統通信。
　　MAXQ2010可根據當前任務(wù)對運算能力的要求通過(guò)動(dòng)態(tài)調整時(shí)鐘頻率來(lái)改變功耗，并當其處理完所有的數據和事件，便攜設備即可進(jìn)入最低功耗的休眠（停止）模式，直到再次被應用喚醒。MAXQ2010的核電壓僅1.8V，可以極大的降低功耗，3V獨立供電的I/O可以同外部高壓邏輯通信。如果希望使用像3V紐扣鋰電池這樣的單電源供電而不希望使用雙電源，則可以通過(guò)內置集成穩壓器給核電壓供電。在停止模式下，該穩壓器可以被關(guān)閉，以便降低功耗。
　　MAXQ2010能通過(guò)多種途徑從傳感器讀取數據，如果采集模擬傳感器數據，并可使用內置的12位多通道ADC，支持8通道單端輸入。 MAXQ2010從外部傳感器采集的數據可以根據需要被存儲在由備份電池供電的RAM中或內部閃存中。片上基于32kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）在停止模式下也能工作，根據需要為數據提供時(shí)標。如果需要用戶(hù)輸入數據或向用戶(hù)顯示信息，MAXQ2010都能實(shí)現，它有一組通用輸入/輸出引腳（在最大的封裝中有 56個(gè)），可以驅動(dòng)LED，讀取機械開(kāi)關(guān)設置，或通過(guò)行列掃描的方式連接開(kāi)關(guān)矩陣。MAXQ2010還有一個(gè)LCD控制器，可以直接驅動(dòng)3V的段式 LCD，最多支持1/4周期的復用(COM1~ COM4)，其最大的封裝提供40個(gè)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)引腳，在4倍復用模式下可以驅動(dòng)160段LCD顯示。
基于MAXQ2010的數據記錄儀設計實(shí)例
　　像許多用來(lái)采集或存儲數據的電子設備一樣，基于MAXQ2010的數據記錄儀采用USB接口與主機（如個(gè)人電腦）通信。但是，由于 MAXQ2010自己沒(méi)有USB接口，我們利用FTDI公司的芯片FT232R實(shí)現USB與UART的轉接。
采用FT232R可以給數據記錄儀設計帶來(lái)許多好處。首先，當USB總線(xiàn)活動(dòng)時(shí)，數據記錄儀可以利用FT232R的3.3V穩壓器輸出供電，僅需一對二極管即可實(shí)現與電池供電的自動(dòng)切換，因為穩壓器輸出（減去0.2V二極管前向壓降）電壓總比電池電壓減去二極管壓降后的電壓高，這樣就可保證連接到 USB總線(xiàn)時(shí)，記錄儀不用電池而通過(guò) USB Vbus供電。 采用兩個(gè)二極管（圖1）是為了防止給電池充電，輸出電容用來(lái)降低負載瞬變對電池的影響。其次，MAXQ2010可以利用兩個(gè)串口（UART）中的一個(gè)直接與運行在個(gè)人電腦上的應用程序通信，不需要任何額外的驅動(dòng)程序。兩個(gè)串口之間通過(guò)一個(gè)建立在USB接口上的虛擬COM口連接。本設計采用MAXQ2010 基于32kHz 晶體的FLL作為其自身的時(shí)鐘源（如果需要還可為RTC提供時(shí)基），其成本比其它晶體或諧振電路的成本要低得多。FLL 電路相當于一個(gè)倍頻系數為256的倍頻器，將32kHz的晶體振蕩頻率變到8.388MHz作為MAXQ2010的時(shí)鐘。

　　為計算基于MAXQ2010的數據記錄儀究竟會(huì )消耗多少電流，可以考慮執行以下操作：首先一個(gè)外部信號（如按鍵或傳感器電壓突然升高）將微控制器從停止模式喚醒；系統隨即通過(guò)一個(gè)單端的ADC通道讀取模擬傳感器電壓，將采集的傳感器電壓值存儲在數據RAM中；此時(shí)為了節省功耗，微控制器重回到停止模式，而在約60秒后，微控制器再次被喚醒（ 回到第 1步）。因此，計算平均電流消耗并估算電池壽命需要將微控制器的以下參數代入公式（1）：tActive（完成上述全部操作所需的時(shí)間，包括進(jìn)入停止模式的時(shí)間）、iActive（上述操作期間的典型電流值）、tStop（保持停止模式的時(shí)間）、iStop（停止模式的典型電流）、tExit（從停止模式被喚醒所需的時(shí)間）、iExit（被喚醒時(shí)的典型電流）。
　　(tActive × iActive) + (tStop × iStop) + (tExit + iExit)
　　tActive + tStop + tExit
　　根據以上參數的值可以計算出平均電流大約為202nA；即如果電源是一個(gè)普通的CR2032紐扣鋰電池，可以估算出電池壽命為1138小時(shí)。不同電池生產(chǎn)廠(chǎng)家生產(chǎn)的電池的特性會(huì )有所不同，CR2032電池在90%的放電區間內壓降不超過(guò)0.3V，這意味著(zhù)在電池電壓降到2.7V之前（經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管壓降后為2.5V，滿(mǎn)足單電源工作時(shí)的最低電壓），微控制器可以工作1024個(gè)小時(shí)。
　　增加電池容量或數量、用可充電電池，或當連接到USB時(shí)自動(dòng)充電等許多措施均以用來(lái)延長(cháng)電池壽命。一般平均電流僅略高于停止模式的待機電流，這是因為停止模式的時(shí)間遠長(cháng)于程序運行時(shí)間，停止模式的電流起主導作用。程序循環(huán)體代碼可以被擴展，如測量多個(gè)傳感器值或增加其它功能并不會(huì )顯著(zhù)改變電池壽命。當然，使用其它外設功能，如LCD顯示，LED指示或串口等都會(huì )增加功耗，設計者在計算實(shí)際電池壽命時(shí)需要綜合考慮這些功能可能增加的功耗。