低功耗醫(yī)療電子設備的設計
Microchip醫(yī)療產(chǎn)品部經(jīng)理Steve Kennelly
摘要： 本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫(yī)療設備的設計中實現(xiàn)功耗管理技術(shù)并降低其功耗。通過最大程度降低醫(yī)療設備中的功耗，可以減少熱量的產(chǎn)生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
Abstract：
Key words :
便攜式醫(yī)療設備設計人員正面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)。他們所涉及的領(lǐng)域因嚴格的監(jiān)管審查、持久的設計和使用周期，以及對最終產(chǎn)品的穩(wěn)健性有非同一般的要求而眾所周知。此外，一些對于所有電子設備來說很普通的設計目標，一旦牽涉到醫(yī)療設備時就產(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(yī)療設備來說，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于電池壽命。本文將說明設計人員如何利用單片機(MCU)來降低醫(yī)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，通常指定1.8V的工作電壓，因為每節(jié)電池的最終電壓為0.9V，而在應用中通常使用兩節(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。必須考慮整個系統(tǒng)的工作電壓范圍，包括MCU上的外設。如果系統(tǒng)中的單個外設需要消耗大部分的能耗，那么僅降低MCU的功耗對系統(tǒng)總功耗幾乎沒有什么影響。
降低功耗的方法
1.外設電源切換
便攜式嵌入式系統(tǒng)功耗管理的基本原則是讓MCU能夠控制內(nèi)部和外部外設的功耗。設計便攜式醫(yī)療設備時，先確定必需的物理模式或狀態(tài)，然后對設計進行分解，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(tǒng)設計的功能性。
圖1：在該醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器應用中，MCU的I/O引腳可以用于對EEPROM和傳感器供電。
讓我們以一個基于MCU的數(shù)據(jù)記錄醫(yī)療監(jiān)視器為例來說明如何最大程度地降低整個系統(tǒng)的功耗，這個監(jiān)視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見圖1)。在實際應用中，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(yī)療設備將用于監(jiān)視患者在幾個小時或更長時間內(nèi)的病情。在該示例中，MCU每隔2秒獲取傳感器讀數(shù)、對傳感器數(shù)據(jù)進行換算、將數(shù)據(jù)存儲到外部EEPROM存儲器中，然后等待下一個傳感器讀數(shù)。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(yī)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系統(tǒng)的功耗呢？解決方案是讓MCU在不需要這些外設時通過程序控制關(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(jié)，在需要時對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(jié)省功耗的一種通用方式是在系統(tǒng)對MCU的資源需求很低時，定期將MCU置為休眠模式。在我們的示例中，系統(tǒng)每隔2秒進行一次測量。如果實際需要11 ms進行測量和存儲結(jié)果，則MCU可在兩次測量之間休眠1989 ms。允許MCU休眠的時間越長，則應用消耗的平均功耗就越低。系統(tǒng)的MCU通過中斷或通過看門狗定時器超時事件喚醒。確保應用具有合適的看門狗超時持續(xù)時間很重要。通常，按如下方式工作：如果應用需要MCU每隔一段固定時間處理一次數(shù)據(jù)采樣，那么看門狗定時器應在所要求的時間周期內(nèi)喚醒MCU一次。使用該功能時，需要選擇支持相應的看門狗周期的MCU。
3.計算總平均功耗
通過使用稱為功耗預算的技術(shù)，我們將說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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)換算和存儲。通過對處理循環(huán)的分析，可以確定每個周期中每種模式所占用的時間。然后，從廠商提供的相應器件數(shù)據(jù)手冊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)時間，就可以得到每個循環(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)記錄器應用的每個循環(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)
本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫(yī)療設備的設計中實現(xiàn)功耗管理技術(shù)并降低其功耗。通過最大程度降低醫(yī)療設備中的功耗，可以減少熱量的產(chǎn)生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
表1：醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器應用的功耗預算計算；對于圖1中采用的元件，使用數(shù)據(jù)手冊中的典型值來計算電流消耗。
本文介紹了通過使用最新的MCU，設計人員如何在電子醫(yī)療設備的設計中實現(xiàn)功耗管理技術(shù)并降低其功耗。通過最大程度降低醫(yī)療設備中的功耗，可以減少熱量的產(chǎn)生，并支持采用較小的電池。進而，可以延長設備的工作壽命，提高患者的配合度，并減小設備的物理尺寸。
表1：醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器應用的功耗預算計算；對于圖1中采用的元件，使用數(shù)據(jù)手冊中的典型值來計算電流消耗。
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