低功耗醫(yī)學數(shù)據(jù)記錄儀的設計

許多醫(yī)學應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，還有很多復雜應用即使通過外部電源供電，也會需要一個小型的電池設備實現(xiàn)安全冗余和設備監(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；另外便攜設備的安裝使用比需要外接電源和網線的設備更方便更靈活。在有些情況下，如需要病人隨身攜帶的醫(yī)療設備，冷庫的溫度檢測設備等，根本無法外接電源線和網線。

　　便攜醫(yī)療設備要求何種功能？首先，必須自帶電源。通?？赏ㄟ^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備在不需要滿負荷工作時應可以進入“休眠”模式來盡可能降低功耗，休眠的設備可以被外部觸發(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。設備還應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（如訪問存儲器或刷新液晶及LED顯示器數(shù)據(jù)），因為設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。
 

　　便攜設備即使支持無線通信，但并不總是保證能夠接入無線網絡。取決于網絡條件，某一時刻設備在有無線網絡的環(huán)境中工作，下一時刻就有可能被移動到沒有無線網絡的環(huán)境中，或可能因斷電造成無線網絡臨時關閉。在這些情況下，如果設備本身不支持無線通信，設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)或設備驅動）必須保證存儲安全，即使電池故障或被移除也不能丟失。
 

　　便攜設備的其它特性取決于具體應用需求，數(shù)據(jù)可以直接通過模擬傳感器采集，也可以通過局域網絡訪問子系統(tǒng)讀取，便攜設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)采集設備在上傳數(shù)據(jù)前根本無需用戶干預，而另一些設備（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設計便攜式數(shù)據(jù)記錄儀
　　盡管業(yè)內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計電池供電的數(shù)據(jù)采集設備。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備，或與本設備中的其它子系統(tǒng)通信。

　　MAXQ2010可根據(jù)當前任務對運算能力的要求通過動態(tài)調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，便攜設備即可進入最低功耗的休眠（停止）模式，直到再次被應用喚醒。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），可以驅動LED，讀取機械開關設置，或通過行列掃描的方式連接開關矩陣。MAXQ2010還有一個LCD控制器，可以直接驅動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個專門的驅動引腳，在4倍復用模式下可以驅動160段LCD顯示。[!--empirenews.page--]

　　基于MAXQ2010的數(shù)據(jù)記錄儀設計實例

　　像許多用來采集或存儲數(shù)據(jù)的電子設備一樣，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F(xiàn)T232R實現(xiàn)USB與UART的轉接。

采用FT232R可以給數(shù)據(jù)記錄儀設計帶來許多好處。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用程序通信，不需要任何額外的驅動程序。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。

　　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。不同電池生產廠家生產的電池的特性會有所不同，CR2032電池在90%的放電區(qū)間內壓降不超過0.3V，這意味著在電池電壓降到2.7V之前（經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，使用其它外設功能，如LCD顯示，LED指示或串口等都會增加功耗，設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。