低功耗醫(yī)療電子設備的設計方案

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因素。一些具有高級處理技術的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。必須考慮整個系統的工作電壓范圍，包括MCU上的外設。如果系統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

便攜式嵌入式系統功耗管理的基本原則是讓MCU能夠控制內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可以增強系統設計的功能性。

圖1：在該醫(yī)療數據記錄器應用中，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的數據記錄醫(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的病情。在該示例中，MCU每隔2秒獲取傳感器讀數、對傳感器數據進行換算、將數據存儲到外部EEPROM存儲器中，然后等待下一個傳感器讀數。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據采樣，那么看門狗定時器應在所要求的時間周期內喚醒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。