低功耗医疗电子设备的设计

      便携式医疗设备设计人员正面临着一些特殊的挑战。他们所涉及的领域因严格的监管审查、持久的设计和使用周期，以及对最终产品的稳健性有非同一般的要求而众所周知。此外，一些对于所有电子设备来说很普通的设计目标，一旦牵涉到医疗设备时就产生了特殊的重要意义。例如，低功耗始终都是便携式电子设备设计人员的目标。功耗越低意味着电池可以变得更小、更轻，这样可以提高产品的便携性。对于医疗设备来说，便携性的提高对患者的生命质量而言意义非凡。甚至患者的生命可能直接依赖于电池寿命。本文将说明设计人员如何利用单片机(MCU)来降低医疗设备的功耗要求。

电压和电池寿命

　　在低功耗应用中，MCU的静态功耗是一个重要的品质因素。一些具有高级处理技术的MCU在休眠模式下消耗的电流可低于50nA。为了适用于各种低功耗设计，MCU能在宽泛的电压范围下工作很重要。例如，在使用碱性电池时，通常指定1.8V的工作电压，因为每节电池的最终电压为0.9V，而在应用中通常使用两节电池。选择可在宽泛电压范围下工作的MCU可以延长便携式设备的工作寿命。但是，MCU的工作电压范围并不是唯一的决定因素。必须考虑整个系统的工作电压范围，包括MCU上的外设。如果系统中的单个外设需要消耗大部分的能耗，那么仅降低MCU的功耗对系统总功耗几乎没有什么影响。

降低功耗的方法

　　1.外设电源切换

　　便携式嵌入式系统功耗管理的基本原则是让MCU能够控制内部和外部外设的功耗。设计便携式医疗设备时，先确定必需的物理模式或状态，然后对设计进行分解，以便关闭不需要的电路。从众多不同的供应商中选择合适的MCU可以帮助您去除外部元件和降低成本。如前所述，可在宽泛电压范围下工作的MCU可以增强系统设计的功能性。

图1：在该医疗数据记录器应用中，MCU的I/O引脚可以用于对EEPROM和传感器供电。

　　让我们以一个基于MCU的数据记录医疗监视器为例来说明如何最大程度地降低整个系统的功耗，这个监视器包含了传感器、EEPROM和电池(见图1)。在实际应用中，传感器可以测量温度、氧饱和度、血压、血糖浓度或许多其他量的测量。该医疗设备将用于监视患者在几个小时或更长时间内的病情。在该示例中，MCU每隔2秒获取传感器读数、对传感器数据进行换算、将数据存储到外部EEPROM存储器中，然后等待下一个传感器读数。如果不需要考虑功耗，则可以一直对EEPROM、传感器及其偏置电路供电。但是，由于它是便携式医疗设备，高效使用可用电源是非常重要的。那么，怎样做才能降低此类系统的功耗呢？解决方案是让MCU在不需要这些外设时通过程序控制关闭它们。如图1所示，设计人员可以利用MCU的I/O引脚和一些代码字节，在需要时对EEPROM和传感器供电。由于所选MCU的I/O引脚最高可以提供20mA的电流，因此切换电源不需要额外的元件。

　　2.MCU功耗管理模式

　　嵌入式应用中节省功耗的一种通用方式是在系统对MCU的资源需求很低时，定期将MCU置为休眠模式。在我们的示例中，系统每隔2秒进行一次测量。如果实际需要11 ms进行测量和存储结果，则MCU可在两次测量之间休眠1989 ms。允许MCU休眠的时间越长，则应用消耗的平均功耗就越低。系统的MCU通过中断或通过看门狗定时器超时事件唤醒。确保应用具有合适的看门狗超时持续时间很重要。通常，按如下方式工作：如果应用需要MCU每隔一段固定时间处理一次数据采样，那么看门狗定时器应在所要求的时间周期内唤醒MCU一次。使用该功能时，需要选择支持相应的看门狗周期的MCU。

　　3.计算总平均功耗

　　通过使用称为功耗预算的技术，我们将说明设计人员如何估算应用中的电流消耗和电池寿命。同样，以图1为例，数据记录器应用不断经历以下各种模式：休眠、传感器预热、检测、数据换算和存储。通过对处理循环的分析，可以确定每个周期中每种模式所占用的时间。然后，从厂商提供的相应器件数据手册中获取备选器件的电流消耗数值。将每种模式下需要的总电流乘以该模式的持续时间，就可以得到每个循环周期中在该模式下消耗的电荷量。根据表1可知，数据记录器应用的每个循环周期需要2000ms，需要的总电荷量为18.8 e-6安培*秒。根据表1的数据，可以推算出平均电流为0.009mA，如下：

　　平均电流（mA） = 总电荷量（安培 * 秒）/总时间（秒）

　　= 18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009mA

　　峰值电流 = 2.048mA

本文小结

　　本文介绍了通过使用最新的MCU，设计人员如何在电子医疗设备的设计中实现功耗管理技术并降低其功耗。通过最大程度降低医疗设备中的功耗，可以减少热量的产生，并支持采用较小的电池。进而，可以延长设备的工作寿命，提高患者的配合度，并减小设备的物理尺寸。

表1：医疗数据记录器应用的功耗预算计算；对于图1中采用的元件，使用数据手册中的典型值来计算电流消耗。