基于MAXQ2010的低功耗便攜式醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)

基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)實(shí)例

像許多用來(lái)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(méi)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(lái)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(duì)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(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(fù)載瞬變對(duì)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(guò)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(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(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(guò)0.3V，這意味著在電池電壓降到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(lái)延長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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。