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如何降低嵌入式醫療電子應用中的功耗

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: 嵌入式醫療電子,功耗,MCU

      摘要:在設計任何電子設備時,低功耗都是追求的目標之一。就便攜式醫療設備而言,實現功耗目標是成功開發產品的關健因素。通過在單個器件中以更高集成度集成多種功能的高級半導體,設計人員可以極大地縮小醫療設備的尺寸,同時通過降低醫療應用(包括植入式設備、便攜式設備、家用設備和安全設備)中的功耗來延長它們的壽命。本文將說明設計人員如何利用單片機(MCU)的高級功耗管理功能來降低醫療應用中的功耗。

      降低功耗所涉及的設計問題系統設計人員面臨著緊湊式和便攜式醫療電子設備提出的許多挑戰。為低功耗器件設計電源可能會非常棘手,因為設計人員需要考慮系統的電壓/電流需求。在許多低功耗應用中,電池是主要電源,在化學性質、性能、容量、尺寸/重量和成本等方面對設計人員提出了許多挑戰。例如,高容量電池的內阻較高,這使它們不適合于大電流應用。而與尺寸類似的高內阻電池相比,適合于大電流應用的電池通常容量較低、重量較大。此外,只能放電的原電池的容量要遠高于可充電電池。由于存在這些限制,設計人員需要針對特定系統來制定策略,以在成本和性能方面達到最佳效果。

      靜態功耗是一項重要的品質指標,可以指示MCU在低功耗應用中的適用情況。對于一些采用高級處理技術的MCU,在休眠模式下耗用的電流可低于50nA。為了能夠適應各種低功耗設計,有一點非常重要,即MCU能在很寬的電壓范圍內工作。例如,在使用堿性電池時,它需要能夠工作于l.SV,因為每節電池的端電壓為0.9v,且在應用中通常使用兩節電池。選擇可在寬電壓范圍內工作的MCU可以延長便攜式設備的使用壽命。但是,MCU的工作電壓范圍并不是唯一的決定因素。整個系統的工作電壓范圍都必須考慮,包括MCU的外設。如果系統中的某個單一外設需要消耗大部分的功率,降低MCU的功耗對系統總功耗幾乎沒有什么影響。

      作為一個設計規則,如果系統使用了MCU的內部外設(如模數轉換器或EEPROM),則必須注意它的工作范圍。如果某些外設無法在MCU的整個工作電壓范圍內工作,則系統的工作電壓范圍將由外設決定。同一設計規則也適用于所有外設。在下面幾節中,將介紹當前市場上推出的一些MCU系列產品如何提供用于功耗管理的特殊功能。

      降低功耗的方法

      控制外設的功耗

      便攜式嵌入式系統功耗管理的核心原則是讓MCU能夠控制內部和外部設備的功耗。設計便攜式醫療設備時,先確定必需的物理模式或狀態,然后對設計進行分割,以關閉不需要的電路。例如,在電池應用中不需要欠壓復位(BOR)功能,因此可以通過禁止該功能來節省功耗。針對這一目標,從許多不同供應商中選擇合適的MCU可以幫助減少外部元件和降低成本。如前面所述,可在寬電壓范圍內工作的MCU可以使系統設計多樣化。

      以一個基于MCU的醫療數據記錄儀為例,它包含了傳感器、EEPROM和電池,如圖1所示。該醫療設備是低功耗嵌人式設計的典型示例,它可以獲取傳感器讀數、換算傳感器數據、將數據存儲到EEPROM,并等待下一個傳感器讀數。在傳統的系統中,可能隨時都在為EEPROM、傳感器及其偏置電路供電,但這樣電源使用效率不高。那么,怎樣節省類似系統的功耗呢?答案在于在不需要這些外設時通過程序控制來關閉它們。在給出的示例中,設計人員可以使用MCU的1/0引腳和幾個字節的代碼根據需要來為EEPROM和傳感器供電。因為1/0引腳可提供最高20mA的電流,不需要提供額外的元件來開關電源。

    如何降低嵌入式醫療電子應用中的功耗

    圖1基于MCU的醫療數據記錄儀應用實例

      功耗管理模式

      在嵌入式應用中,節省功耗的一種常見方式是,在系統對MCU的資源需求很低時,定期將MCU置為休眠模式。然后,要執行有用工作時,通過中斷或在看門狗定時器計時期滿之后喚醒系統的MCU。讓MCU處于休眠模式的時間越長,應用的平均功耗就越低。只需要確保看門狗的延時周期適于應用。通常,工作方式如下:如應用需要MCU每隔一段固定的時間處理一次采樣數據,看門狗定時器應在所需的時間周期內將MCU喚醒一次。使用該功能時,需選擇支持相應看門狗周期的MCU。

      時鐘速度選擇

      對于低功耗應用,設計人員需特別注意振蕩器起振時間,起振在MCU空閑(不執行任何代碼)時發生。在起振期間,振蕩器穩定的過程中,MCU不執行任何操作,但圖2無線接收器雙速啟動階段它會一直消耗功率。在MCu的數據手冊中通常不會提及振蕩器起振時間,因為該時間因晶振、負載電容、系統環境、振蕩器模式等因素而不同。在使用較低時鐘速度的設計中,振蕩器起振時間對功耗的影響非常大。在系統時鐘需要在休眠和喚醒之間切換的應用中,振蕩器起振時間會帶來顯著差異。低頻振蕩器在運行時的功耗較低,但也需要較多的起振時間,這會影響系統的功耗。

      大多數常見的MCU都實現了某種類型的振蕩器起振定時器,用以確保正確起振和提供足夠時間來建立振蕩。該定時器用于防止MCU在振蕩器穩定之前執行代碼這種意外情況的發生,但它也延長了每個喚醒周期需要的時間。對問題的解決方案是使用雙速振蕩器啟動。

      在這種方案中,MCU將使用快速啟動的輔助振蕩器(如RC振蕩器)立即開始執行代碼。當主振蕩器就緒時,將電路切換為使用主振蕩器,而不是使用輔助振蕩器。這對于器件存在頻繁喚醒/休眠事件的應用非常關鍵。一些MCU甚至允許設計人員使用內部振蕩器運行代碼,同時等待振蕩器起振定時器計數完畢。通過使用功能寄存器配置位,可以使能這種雙速啟動功能。這種情況下,MCU先使用內部振蕩器作為時鐘源,直到振蕩器定時器計時期滿。

      多時鐘啟動與運行

      在必要時,還可以在啟動期間切換到內部振蕩器,以加速啟動。最好的方法是,時鐘頻率可以即時更改,可以在外部時鐘和內部種方式,引腳可在以后用作輸人或振蕩器之間切換,而不會造成代碼執行被延時。在實際工作中,這相當于雙速啟動功能。這種情況下,外部時鐘源在起振期間穩定時,MCu可以使用任意一個內部振蕩點,。當外部時鐘源穩定之后,MCU可以進行時鐘切換,從而縮電流。將此引腳配置為模擬輸入短節能型醫療設備中寶貴的啟動時間。

    如何降低嵌入式醫療電子應用中的功耗

      圖2無線接收器雙速啟動階段

      圖2所示為在一個便攜式應用中,對于負責查詢許多發送器的無,線接收器,可實現雙速啟動功能的幾個階段。在正常工作期間,接收器每隔37ms查詢一次消息。假設系統的電流目標為雙向I/o引腳在大多數MCU中很常見,其中有一部分1/0引腳可接受模擬輸入。對于施加到這些引腳的信號,設計人員需要非常小心,以實現最小的功耗。以未用端口引腳為例。如某個端口引腳未用,可將它保留為不連接,但配置為輸出引腳,驅動為任意一種狀態(高電平或低電平);或者,也可將它配置為輸入,使用外部電阻上拉到VDD或Vss。配置為輸入時,只有輸人漏電流會通過引腳。如果引腳直接連接到VDD或Vss,電流將相同。通過這種方式,引腳可在以后用作輸人或輸出,而無需大量的硬件改動。當輸入電壓接近VDD或Vss時,數字輸人引腳的功耗最低。明顯地,如果輸人電壓位于VDD或vss之間的中點,數字輸人器中的晶體管會被偏置于線性區域一消耗更多的電流。將此引腳配置為模擬輸人時,數字緩沖器會被關閉,從而使引腳電流和控制器總電流下降。需要注意的是,模擬輸入具有高阻抗,所以消耗的電流極低這一點非常重要。特別是當施加的電壓位于VDD。和Vss之間的中點時,消耗的電流將低于數字輸入。在可能的情況下,將數字/模擬共用的引腳配置為模擬輸人可以將數字輸入強制為低功耗狀態,從而節省功耗。即使在通過數字輸出驅動外部電路時,除了為外部電路供應的電流,數字輸出引腳不會消耗任何其他電流,也可以最大程度降低電流消耗。在醫療電子設計中,安全性是需要優先考慮的事項。MCU供應商提供了一些機制,用于確保系統中的MCU正常工作,且代碼能夠按預期執行。在一些MCU中(如Microchip采用納瓦技術的pICMCU),可以采用故障保護時鐘監視器功能來檢測是否失去晶振/諧振器或其他外部時鐘源。這是一種極適于醫療應用的重要功能,在晶振發生故障時,故障保護時鐘監視器將切換到內部振蕩器,并允許安全關閉應用或允許它以精簡功能模式繼續運行。

      計算總平均功耗

      以下將通過采用稱為功率預算的技術,說明設計人員如何估算應用中的電流消耗和電池壽命。同樣,以圖l為例列析數據記錄儀應用的各種模式:休眠、傳感器預熱、檢測、數據換算和存儲。通過對處理循環進行分析,可以確定每個周期中在各個模式下花費的時間。然后,從制造商提供的相應器件數據手冊中獲取每個器件的電流消耗數值。將每種模式下需要的總電流乘以該模式的持續時間,就可以得到每個循環周期中,在該模式下消耗的電荷量。根據表1可以得到,數據記錄儀應用的每個循環周期需要Z000ms,需要的總電荷量為18.8e一6A.s。根據表1的數據,可以推算出平均電流為0.009n1A,如下:

      平均電流(mA)=總電荷量(A·s)/總時間(s)=18.8e一6/2000e一3=0.009mA

      峰值電流=2.048mA

      根據表1的功率預算,可以方便地計算滿足應用需求所需的電池大小,如表2所示。如果某種模式下的功耗太大,可以相對容易地采取修正措施來降低該階段的功耗。

      表1數據記錄儀應用的功率預算計算

    如何降低嵌入式醫療電子應用中的功耗

      結語

      本文介紹了通過使用最新的MCU,設計人員如何實現功耗管理技術,以及降低醫療電子設備設計中的功耗。通過最大程度降低醫療設備中的功耗,可減少熱量,并支持使用較小的電池,反過來又可以提高設備的工作壽命,縮小設備的物理尺寸,增進患者對治療的配合。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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