如何有效降低醫(yī)療電子設(shè)備的功耗

便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)人員正面臨著一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。醫(yī)療照護(hù)領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的審查控管相當(dāng)嚴(yán)格，尤其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的壽命、使用周期、還有使用上的穩(wěn)定性，皆有高規(guī)格的要求。此外，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)用途，一旦與醫(yī)療設(shè)備相關(guān)時(shí)，就產(chǎn)生了非常重大的意義。

舉例來(lái)說(shuō)，低功耗為所有設(shè)計(jì)人員共同的追求目標(biāo)，低功耗意味電池可以變得更小、更輕，藉以提高產(chǎn)品的可移植性；對(duì)于醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)，可移植性的提高改善患者的生活質(zhì)量，且患者的生命更需直接仰賴電池的壽命。

在本文中，我們將說(shuō)明設(shè)計(jì)人員如何利用微控制器(MCU)進(jìn)行設(shè)計(jì)、并符合醫(yī)療設(shè)備的低功耗要求。

電壓和電池壽命

在低功耗應(yīng)用中，微控制器的靜態(tài)功耗是很重要的選擇指標(biāo)；一些具備高階處理技術(shù)的微控制器在休眠模式下消耗的電流可低于50 nA。為了適用于各種低功耗設(shè)計(jì)，微控制器必須能在廣泛的電源范圍下運(yùn)作。例如，在使用堿性電池時(shí)，通常指定1.8 V的工作電壓，因?yàn)閼?yīng)用中通常使用兩顆終止電壓(end voltage)皆為0.9V的堿性電池。選擇可在廣泛電壓范圍下運(yùn)作的微控制器，便可以延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的使用年限。除了微控制器的工作電壓范圍表1：利用圖1中列出的部件及其表定的電流消耗值可得出醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器的電源預(yù)估值以外，設(shè)計(jì)人員也必須考慮整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓范圍，包括微控制器內(nèi)部的外圍。如果系統(tǒng)中的外圍非常耗電，那么光降低微控制器的功耗對(duì)系統(tǒng)總功耗則幾乎沒(méi)有什么影響。

圖1：在該醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器的應(yīng)用中，微控制器的I/O接腳可以用于對(duì)EEPROM和傳感器供電

表1：利用圖1中列出的部件及其表定的電流消耗值可得出醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄器的電源預(yù)估值

降低功耗的方法

外圍電源切換

針對(duì)便攜式嵌入式系統(tǒng)的功耗管理原則是讓微控制器能夠控制內(nèi)部和外部外圍的功耗。設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)，請(qǐng)先確定必需的工作模式或狀態(tài)，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分解，以便剔除不需要的電路。從眾多不同的供貨商中選擇合適的微控制器可以幫助您省去多余的外部組件并降低成本。如前所述，可在廣泛電壓范圍下工作的微控制器將使您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加彈性。

試著以一個(gè)包含微控制器，用來(lái)紀(jì)錄數(shù)據(jù)的醫(yī)療監(jiān)視器為例，說(shuō)明如何最大程度地降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗：這個(gè)監(jiān)視器包含了傳感器、EEPROM和電池(見(jiàn)圖 1)。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器可以執(zhí)行溫度、血氧濃度(oxygen saturatiON)、血壓、血糖濃度和許多項(xiàng)目的測(cè)量。該醫(yī)療設(shè)備將在幾個(gè)小時(shí)、或者更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)監(jiān)測(cè)病人的相關(guān)指數(shù)。在該范例中，微控制器每隔2秒讀取傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)并進(jìn)行換算、再將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到外部EEPROM中，然后等待傳感器輸出下一個(gè)讀數(shù)。如果不需要考慮功耗，當(dāng)然可以一直對(duì) EEPROM、傳感器及其偏壓電路(biascircuit)供電；然而，對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，有效率地使用電源是非常重要的。因此，為了有效降低這類(lèi)系統(tǒng)的功耗，設(shè)計(jì)人員往往在微控制器不需要這些外圍時(shí)透過(guò)程控關(guān)閉它們。

如圖1所示，設(shè)計(jì)人員可利用微控制器的I/O接腳和一些程序代碼，在需要時(shí)對(duì)EEPROM和傳感器供電。由于所選微控制器的I/O接腳最高可以提供20mA的電流，所以不需額外電源。

微控制器功耗管理模式

在嵌入式應(yīng)用中常見(jiàn)的節(jié)省功耗方法為，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)微控制器的資源需求很低時(shí)，定時(shí)讓微控制器進(jìn)入休眠模式。在范例中，系統(tǒng)每隔2秒進(jìn)行一次測(cè)量；如果實(shí)際上需要11ms進(jìn)行測(cè)量和儲(chǔ)存結(jié)果，則MCU可在兩次測(cè)量之間休眠1.989ms。微控制器休眠的時(shí)間越長(zhǎng)，則平均功耗就越低。系統(tǒng)微控制器透過(guò)設(shè)定中斷或由看門(mén)狗定時(shí)器負(fù)責(zé)喚醒；因此，確保適合的看門(mén)狗定時(shí)器相當(dāng)重要。通常，若應(yīng)用需要微控制器每隔一段固定時(shí)間處理一次數(shù)據(jù)采樣，那么看門(mén)狗定時(shí)器應(yīng)在所要求的時(shí)間周期內(nèi)喚醒MCU；因此，選擇能和看門(mén)狗定時(shí)器周期配合的微控制器也很重要。

計(jì)算總平均功耗

設(shè)計(jì)人員透過(guò)電源預(yù)估技術(shù)(power budgeting)估算應(yīng)用中可能的電流消耗和電池壽命。同樣以圖1為例，數(shù)據(jù)記錄器不斷經(jīng)歷各種模式諸如：休眠、傳感器預(yù)熱、檢測(cè)、數(shù)據(jù)換算和儲(chǔ)存。分析處理回路將協(xié)助設(shè)計(jì)人員確定單個(gè)周期中各種模式所占用的時(shí)間。然后，再藉助廠商提供的組件數(shù)據(jù)，更可了解各款組件的電流消耗狀態(tài)。將各種模式下需要的總電流乘以該模式的持續(xù)時(shí)間，就可以得到該模式在每個(gè)周期中消耗的電荷量。

根據(jù)表1可知，數(shù)據(jù)記錄器的應(yīng)用，在每個(gè)周期約為2000ms，需要的總電荷量為18.8 e-6安培*秒。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可以推算出平均電流為0.009mA，如下：

平均電流(mA)=總電荷量(安培*秒)/總時(shí)間(秒)=18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009 mA峰值電流=2.048 mA結(jié)論：

透過(guò)MCU的選擇，設(shè)計(jì)人員能成功的管理醫(yī)療電子設(shè)備、進(jìn)而降低功耗；功耗的降低在使用產(chǎn)品時(shí)能有效減少熱能產(chǎn)生，并且縮小電池尺寸，進(jìn)而延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限、增加設(shè)備的可靠度、提高患者的配合度，并縮小整體設(shè)備的尺寸。