如何用微控制器有效降低醫(yī)療設(shè)備的功耗

 

針對便攜式嵌入式系統(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)計便攜式醫(yī)療設(shè)備時，請先確定必需的工作模式或狀態(tài)，然后對設(shè)計進行分解，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)計變得更加彈性。

 

試著以一個包含微控制器，用來紀錄數(shù)據(jù)的醫(yī)療監(jiān)視器為例，說明如何最大程度地降低整個系統(tǒng)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(yīng)用中，傳感器可以執(zhí)行溫度、血氧濃度(oxygen saturatiON)、血壓、血糖濃度和許多項目的測量。該醫(yī)療設(shè)備將在幾個小時、或者更長的時間內(nèi)，持續(xù)監(jiān)測病人的相關(guān)指數(shù)。在該范例中，微控制器每隔2秒讀取傳感器測得的數(shù)據(jù)并進行換算、再將數(shù)據(jù)儲存到外部EEPROM中，然后等待傳感器輸出下一個讀數(shù)。如果不需要考慮功耗，當(dāng)然可以一直對 EEPROM、傳感器及其偏壓電路(biascircuit)供電；然而，對便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，有效率地使用電源是非常重要的。因此，為了有效降低這類系統(tǒng)的功耗，設(shè)計人員往往在微控制器不需要這些外圍時透過程控關(guān)閉它們。

 

如圖1所示，設(shè)計人員可利用微控制器的I/O接腳和一些程序代碼，在需要時對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。

 

 

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

 

計算總平均功耗

 

設(shè)計人員透過電源預(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、數(shù)據(jù)換算和儲存。分析處理回路將協(xié)助設(shè)計人員確定單個周期中各種模式所占用的時間。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)時間，就可以得到該模式在每個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)/總時間(秒)=18.8 e-6/2000 e-3 = 0.009 mA峰值電流=2.048 mA結(jié)論：

 

透過MCU的選擇，設(shè)計人員能成功的管理醫(yī)療電子設(shè)備、進而降低功耗；功耗的降低在使用產(chǎn)品時能有效減少熱能產(chǎn)生，并且縮小電池尺寸，進而延長設(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。