低功耗醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)

便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員正面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)。他們所涉及的領(lǐng)域因嚴(yán)格的監(jiān)管審查、持久的設(shè)計(jì)和使用周期，以及對(duì)較終產(chǎn)品的穩(wěn)健性有非同一般的要求而眾所周知。此外，一些對(duì)于所有電子設(shè)備來(lái)說(shuō)很普通的設(shè)計(jì)目標(biāo)，一旦牽涉到醫(yī)療設(shè)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(shè)備設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)。功耗越低意味著電池可以變得更小、更輕，這樣可以提高產(chǎn)品的便攜性。對(duì)于醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)，便攜性的提高對(duì)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于電池壽命。本文將說(shuō)明設(shè)計(jì)人員如何利用單片機(jī)(MCU)來(lái)降低醫(yī)療設(shè)備的功耗要求。

電壓和電池壽命

　　在低功耗應(yīng)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(jí)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(shè)計(jì)，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?yàn)槊抗?jié)電池的較終電壓為0.9V，而在應(yīng)用中通常使用兩節(jié)電池。選擇可在寬泛電壓范圍下工作的MCU可以延長(zhǎng)便攜式設(shè)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(tǒng)的工作電壓范圍，包括MCU上的外設(shè)。如果系統(tǒng)中的單個(gè)外設(shè)需要消耗大部分的能耗，那么僅降低MCU的功耗對(duì)系統(tǒng)總功耗幾乎沒(méi)有什么影響。

降低功耗的方法

1.外設(shè)電源切換

　　便攜式嵌入式系統(tǒng)功耗管理的基本原則是讓MCU能夠控制內(nèi)部和外部外設(shè)的功耗。設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)，先確定必需的物理模式或狀態(tài)，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分解，以便關(guān)閉不需要的電路。從眾多不同的供應(yīng)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(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能性。

圖1：在該醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器應(yīng)用中，MCU的I/O引腳可以用于對(duì)EEPROM和傳感器供電。

　　讓我們以一個(gè)基于MCU的數(shù)據(jù)記錄醫(yī)療監(jiān)視器為例來(lái)說(shuō)明如何較大程度地降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，這個(gè)監(jiān)視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見(jiàn)圖1)。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器可以測(cè)量溫度、氧飽和度、血壓、血糖濃度或許多其他量的測(cè)量。該醫(yī)療設(shè)備將用于監(jiān)視患者在幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的病情。在該示例中，MCU每隔2秒獲取傳感器讀數(shù)、對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部EEPROM存儲(chǔ)器中，然后等待下一個(gè)傳感器讀數(shù)。如果不需要考慮功耗，則可以一直對(duì)EEPROM、傳感器及其偏置電路供電。但是，由于它是便攜式醫(yī)療設(shè)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系統(tǒng)的功耗呢？解決方案是讓MCU在不需要這些外設(shè)時(shí)通過(guò)程序控制關(guān)閉它們。如圖1所示，設(shè)計(jì)人員可以利用MCU的I/O引腳和一些代碼字節(jié)，在需要時(shí)對(duì)EEPROM和傳感器供電。由于所選MCU的I/O引腳較高可以提供 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(yīng)用中節(jié)省功耗的一種通用方式是在系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)每隔2秒進(jìn)行一次測(cè)量。如果實(shí)際需要11 ms進(jìn)行測(cè)量和存儲(chǔ)結(jié)果，則MCU可在兩次測(cè)量之間休眠1989 ms。允許MCU休眠的時(shí)間越長(zhǎng)，則應(yīng)用消耗的平均功耗就越低。系統(tǒng)的MCU通過(guò)中斷或通過(guò)看門狗定時(shí)器超時(shí)事件喚醒。確保應(yīng)用具有合適的看門狗超時(shí)持續(xù)時(shí)間很重要。通常，按如下方式工作：如果應(yīng)用需要MCU每隔一段固定時(shí)間處理一次數(shù)據(jù)采樣，那么看門狗定時(shí)器應(yīng)在所要求的時(shí)間周期內(nèi)喚醒MCU一次。使用該功能時(shí)，需要選擇支持相應(yīng)的看門狗周期的MCU。

3.計(jì)算總平均功耗

　　通過(guò)使用稱為功耗預(yù)算的技術(shù)，我們將說(shuō)明設(shè)計(jì)人員如何估算應(yīng)用中的電流消耗和電池壽命。同樣，以圖 1為例，數(shù)據(jù)記錄器應(yīng)用不斷經(jīng)歷以下各種模式：休眠、傳感器預(yù)熱、檢測(cè)、數(shù)據(jù)換算和存儲(chǔ)。通過(guò)對(duì)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，從廠商提供的相應(yīng)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取備選器件的電流消耗數(shù)值。將每種模式下需要的總電流乘以該模式的持續(xù)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(jù)表1可知，數(shù)據(jù)記錄器應(yīng)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(jù)表1的數(shù)據(jù)，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
　　峰值電流 = 2.048mA

本文小結(jié)

　　本文介紹了通過(guò)使用較新的MCU，設(shè)計(jì)人員如何在電子醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)功耗管理技術(shù)并降低其功耗。通過(guò)較大程度降低醫(yī)療設(shè)備中的功耗，可以減少熱量的產(chǎn)生，并支持采用較小的電池。進(jìn)而，可以延長(zhǎng)設(shè)備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設(shè)備的物理尺寸。

表1：醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器應(yīng)用的功耗預(yù)算計(jì)算；對(duì)于圖1中采用的元件，使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型值來(lái)計(jì)算電流消耗。

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