低功耗醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)

 許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用都需要不用外接電源線和數(shù)據(jù)線的便攜式自供電設(shè)備，最明顯的例子是病人隨身攜帶用來測量心率、體溫和其它健康指標(biāo)的便攜式數(shù)據(jù)記錄儀。

當(dāng)然，還有很多復(fù)雜應(yīng)用即使通過外部電源供電，也會(huì)需要一個(gè)小型的電池設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全冗余和設(shè)備監(jiān)控，如醫(yī)院病房、病人居室、環(huán)境受控的實(shí)驗(yàn)室或貯藏設(shè)備環(huán)境參數(shù)(包括溫度和濕度)都需要持續(xù)監(jiān)控;另外便攜設(shè)備的安裝使用比需要外接電源和網(wǎng)線的設(shè)備更方便更靈活。在有些情況下，如需要病人隨身攜帶的醫(yī)療設(shè)備，冷庫的溫度檢測設(shè)備等，根本無法外接電源線和網(wǎng)線。

便攜醫(yī)療設(shè)備要求何種功能?首先，必須自帶電源。通?？赏ㄟ^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(shè)備在不需要滿負(fù)荷工作時(shí)應(yīng)可以進(jìn)入“休眠”模式來盡可能降低功耗，休眠的設(shè)備可以被外部觸發(fā)信號(hào)或定期的被“喚醒”，然后提高運(yùn)算速度(當(dāng)然功耗也會(huì)增加)進(jìn)入正常工作模式。設(shè)備還應(yīng)具備介于滿負(fù)荷工作和“休眠”模式之間的一些工作模式來執(zhí)行一些簡單的任務(wù)(如訪問存儲(chǔ)器或刷新液晶及LED顯示器數(shù)據(jù))，因?yàn)樵O(shè)備通常僅在某些條件下才會(huì)需要滿負(fù)荷運(yùn)算能力(如對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和解碼)，這樣就可以在功耗和運(yùn)算速度之間進(jìn)行某種程度的平衡。

便攜設(shè)備即使支持無線通信，但并不總是保證能夠接入無線網(wǎng)絡(luò)。取決于網(wǎng)絡(luò)條件，某一時(shí)刻設(shè)備在有無線網(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)]有無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，或可能因斷電造成無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)關(guān)閉。在這些情況下，如果設(shè)備本身不支持無線通信，設(shè)備需要將隨時(shí)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，以備將來上傳到上一級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。有一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如環(huán)境安全失效數(shù)據(jù)，配置數(shù)據(jù)或設(shè)備驅(qū)動(dòng))必須保證存儲(chǔ)安全，即使電池故障或被移除也不能丟失。

便攜設(shè)備的其它特性取決于具體應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)可以直接通過模擬傳感器采集，也可以通過局域網(wǎng)絡(luò)訪問子系統(tǒng)讀取，便攜設(shè)備可以僅被動(dòng)地采集數(shù)據(jù)，也可以在特定條件下主動(dòng)地通過聲音報(bào)警或向某人發(fā)信號(hào)告警。一些簡單的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在上傳數(shù)據(jù)前根本無需用戶干預(yù)，而另一些設(shè)備(如手持血糖儀或腕帶式心臟監(jiān)護(hù)儀)也許需要通過另外的輸入輸出設(shè)備而不是主機(jī)系統(tǒng)來更改配置或?yàn)g覽數(shù)據(jù)。

使用MAXQ2010設(shè)計(jì)便攜式數(shù)據(jù)記錄儀

盡管業(yè)內(nèi)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(hào)RISC微控制器MAXQ2010具有的特性非常適合設(shè)計(jì)電池供電的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。MAXQ2010具有極低功耗，極高M(jìn)IPS/mA比值，僅需很小的電池電流支持便攜應(yīng)用，集成的12位8通道ADC可以采集很多類型的傳感器數(shù)據(jù)，另外還支持許多類型的本地串行接口(如I2C, SPI, 同步/異步UART) ，可用來接入主機(jī)系統(tǒng)和串口非易失存儲(chǔ)設(shè)備，或與本設(shè)備中的其它子系統(tǒng)通信。

MAXQ2010可根據(jù)當(dāng)前任務(wù)對運(yùn)算能力的要求通過動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘頻率來改變功耗，并當(dāng)其處理完所有的數(shù)據(jù)和事件，便攜設(shè)備即可進(jìn)入最低功耗的休眠(停止)模式，直到再次被應(yīng)用喚醒。MAXQ2010的核電壓僅1.8V，可以極大的降低功耗，3V獨(dú)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，則可以通過內(nèi)置集成穩(wěn)壓器給核電壓供電。在停止模式下，該穩(wěn)壓器可以被關(guān)閉，以便降低功耗。

MAXQ2010能通過多種途徑從傳感器讀取數(shù)據(jù)，如果采集模擬傳感器數(shù)據(jù)，并可使用內(nèi)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(shù)據(jù)可以根據(jù)需要被存儲(chǔ)在由備份電池供電的RAM中或內(nèi)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(jù)需要為數(shù)據(jù)提供時(shí)標(biāo)。如果需要用戶輸入數(shù)據(jù)或向用戶顯示信息，MAXQ2010都能實(shí)現(xiàn)，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(qū)動(dòng)LED，讀取機(jī)械開關(guān)設(shè)置，或通過行列掃描的方式連接開關(guān)矩陣。MAXQ2010還有一個(gè)LCD控制器，可以直接驅(qū)動(dòng)3V的段式LCD，最多支持1/4周期的復(fù)用(COM1~ COM4)，其最大的封裝提供40個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)引腳，在4倍復(fù)用模式下可以驅(qū)動(dòng)160段LCD顯示。

像許多用來采集或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電子設(shè)備一樣，基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀采用USB接口與主機(jī)(如個(gè)人電腦)通信。但是，由于MAXQ2010自己沒有USB接口，我們利用FTDI公司的芯片F(xiàn)T232R實(shí)現(xiàn)USB與UART的轉(zhuǎn)接。

采用FT232R可以給數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)帶來許多好處。首先，當(dāng)USB總線活動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)記錄儀可以利用FT232R的3.3V穩(wěn)壓器輸出供電，僅需一對二極管即可實(shí)現(xiàn)與電池供電的自動(dòng)切換，因?yàn)榉€(wěn)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總線時(shí)，記錄儀不用電池而通過 USB Vbus供電。 采用兩個(gè)二極管(圖1)是為了防止給電池充電，輸出電容用來降低負(fù)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(yùn)行在個(gè)人電腦上的應(yīng)用程序通信，不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)程序。兩個(gè)串口之間通過一個(gè)建立在USB接口上的虛擬COM口連接。本設(shè)計(jì)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(dāng)于一個(gè)倍頻系數(shù)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(jì)算基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀究竟會(huì)消耗多少電流，可以考慮執(zhí)行以下操作：首先一個(gè)外部信號(hào)(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(tǒng)隨即通過一個(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(chǔ)在數(shù)據(jù)RAM中;此時(shí)為了節(jié)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(jì)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(shù)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(jù)以上參數(shù)的值可以計(jì)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(qū)間內(nèi)壓降不超過0.3V，這意味著在電池電壓降到2.7V之前(經(jīng)過一個(gè)二極管壓降后為2.5V，滿足單電源工作時(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(shù)量、用可充電電池，或當(dāng)連接到USB時(shí)自動(dòng)充電等許多措施均以用來延長電池壽命。一般平均電流僅略高于停止模式的待機(jī)電流，這是因?yàn)橥Ｖ鼓Ｊ降臅r(shí)間遠(yuǎn)長于程序運(yùn)行時(shí)間，停止模式的電流起主導(dǎo)作用。程序循環(huán)體代碼可以被擴(kuò)展，如測量多個(gè)傳感器值或增加其它功能并不會(huì)顯著改變電池壽命。當(dāng)然，使用其它外設(shè)功能，如LCD顯示，LED指示或串口等都會(huì)增加功耗，設(shè)計(jì)者在計(jì)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。