低功耗醫(yī)學數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計

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　　許多醫(yī)學應(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的便攜式數(shù)據(jù)記錄儀。

　　當然，還有很多復雜應(yīng)用即使通過外部電源供電，也會需要一個小型的電池設(shè)備實現(xiàn)安全冗余和設(shè)備監(jiān)控，如醫(yī)院病房、病人居室、環(huán)境受控的實驗室或貯藏設(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。通常可通過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)備在不需要滿負荷工作時應(yīng)可以進入“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)信號或定期的被“喚醒”，然后提高運算速度(當然功耗也會增加)進入正常工作模式。設(shè)備還應(yīng)具備介于滿負荷工作和“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)(如訪問存儲器或刷新液晶及LED顯示器數(shù)據(jù))，因為設(shè)備通常僅在某些條件下才會需要滿負荷運算能力(如對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波和解碼)，這樣就可以在功耗和運算速度之間進行某種程度的平衡。

　　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，某一時刻設(shè)備在有無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中工作，下一時刻就有可能被移動到?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)備需要將隨時采集的數(shù)據(jù)存儲起來，以備將來上傳到上一級系統(tǒng)進行數(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)必須保證存儲安全，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)備可以僅被動地采集數(shù)據(jù)，也可以在特定條件下主動地通過聲音報警或向某人發(fā)信號告警。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)護儀)也許需要通過另外的輸入輸出設(shè)備而不是主機系統(tǒng)來更改配置或瀏覽數(shù)據(jù)。

　　使用MAXQ2010設(shè)計便攜式數(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RISC微控制器MAXQ2010具有的特性非常適合設(shè)計電池供電的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。MAXQ2010具有極低功耗，極高MIPS/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) ，可用來接入主機系統(tǒng)和串口非易失存儲設(shè)備，或與本設(shè)備中的其它子系統(tǒng)通信。

　　MAXQ2010可根據(jù)當前任務(wù)對運算能力的要求通過動態(tài)調(diào)整時鐘頻率來改變功耗，并當其處理完所有的數(shù)據(jù)和事件，便攜設(shè)備即可進入最低功耗的休眠(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的實時時鐘(RTC)在停止模式下也能工作，根據(jù)需要為數(shù)據(jù)提供時標。如果需要用戶輸入數(shù)據(jù)或向用戶顯示信息，MAXQ2010都能實現(xiàn)，它有一組通用輸入/輸出引腳(在最大的封裝中有56個)，可以驅(qū)動LED，讀取機械開關(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LCD控制器，可以直接驅(qū)動3V的段式LCD，最多支持1/4周期的復用(COM1~ COM4)，其最大的封裝提供40個專門的驅(qū)動引腳，在4倍復用模式下可以驅(qū)動160段LCD顯示。

　　基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計實例

　　像許多用來采集或存儲數(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(如個人電腦)通信。但是，由于MAXQ2010自己沒有USB接口，我們利用FTDI公司的芯片FT232R實現(xiàn)USB與UART的轉(zhuǎn)接。

　　采用FT232R可以給數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計帶來許多好處。首先，當USB總線活動時，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現(xiàn)與電池供電的自動切換，因為穩(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，記錄儀不用電池而通過 USB Vbus供電。 采用兩個二極管(圖1)是為了防止給電池充電，輸出電容用來降低負載瞬變對電池的影響。其次，MAXQ2010可以利用兩個串口(UART)中的一個直接與運行在個人電腦上的應(yīng)用程序通信，不需要任何額外的驅(qū)動程序。兩個串口之間通過一個建立在USB接口上的虛擬COM口連接。本設(shè)計采用MAXQ2010基于32kHz 晶體的FLL作為其自身的時鐘源(如果需要還可為RTC提供時基)，其成本比其它晶體或諧振電路的成本要低得多。FLL 電路相當于一個倍頻系數(shù)為256的倍頻器，將32kHz的晶體振蕩頻率變到8.388MHz作為MAXQ2010的時鐘。

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　　為計算基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀究竟會消耗多少電流，可以考慮執(zhí)行以下操作：首先一個外部信號(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在數(shù)據(jù)RAM中;此時為了節(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間，包括進入停止模式的時間)、iActive(上述操作期間的典型電流值)、tStop(保持停止模式的時間)、iStop(停止模式的典型電流)、tExit(從停止模式被喚醒所需的時間)、iExit(被喚醒時的典型電流)。

　　(tActive × iActive) + (tStop × iStop) + (tExit + iExit)

　　tActive + tStop + tExit

　　根據(jù)以上參數(shù)的值可以計算出平均電流大約為202nA;即如果電源是一個普通的CR2032紐扣鋰電池，可以估算出電池壽命為1138小時。不同電池生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池的特性會有所不同，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)過一個二極管壓降后為2.5V，滿足單電源工作時的最低電壓)，微控制器可以工作1024個小時。

　　增加電池容量或數(shù)量、用可充電電池，或當連接到USB時自動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電流，這是因為停止模式的時間遠長于程序運行時間，停止模式的電流起主導作用。程序循環(huán)體代碼可以被擴展，如測量多個傳感器值或增加其它功能并不會顯著改變電池壽命。當然，使用其它外設(shè)功能，如LCD顯示，LED指示或串口等都會增加功耗，設(shè)計者在計算實際電池壽命時需要綜合考慮這些功能可能增加的功耗。