如何用微控制器有效降低医疗设备的功耗

 

针对便携式嵌入式系统的功耗管理原则是让微控制器能够控制内部和外部外围的功耗。设计便携式医疗设备时，请先确定必需的工作模式或状态，然后对设计进行分解，以便剔除不需要的电路。从众多不同的供货商中选择合适的微控制器可以帮助您省去多余的外部组件并降低成本。如前所述，可在广泛电压范围下工作的微控制器将使您的系统设计变得更加弹性。

 

试着以一个包含微控制器，用来纪录数据的医疗监视器为例，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，传感器可以执行温度、血氧浓度(oxygen saturatiON)、血压、血糖浓度和许多项目的测量。该医疗设备将在几个小时、或者更长的时间内，持续监测病人的相关指数。在该范例中，微控制器每隔2秒读取传感器测得的数据并进行换算、再将数据储存到外部EEPROM中，然后等待传感器输出下一个读数。如果不需要考虑功耗，当然可以一直对 EEPROM、传感器及其偏压电路(biascircuit)供电；然而，对便携式医疗设备而言，有效率地使用电源是非常重要的。因此，为了有效降低这类系统的功耗，设计人员往往在微控制器不需要这些外围时透过程控关闭它们。

 

如图1所示，设计人员可利用微控制器的I/O接脚和一些程序代码，在需要时对EEPROM和传感器供电。由于所选微控制器的I/O接脚最高可以提供20mA的电流，所以不需额外电源。

 

 

在嵌入式应用中常见的节省功耗方法为，当系统对微控制器的资源需求很低时，定时让微控制器进入休眠模式。在范例中，系统每隔2秒进行一次测量；如果实际上需要11ms进行测量和储存结果，则MCU可在两次测量之间休眠1.989ms。微控制器休眠的时间越长，则平均功耗就越低。系统微控制器透过设定中断或由看门狗定时器负责唤醒；因此，确保适合的看门狗定时器相当重要。通常，若应用需要微控制器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；因此，选择能和看门狗定时器周期配合的微控制器也很重要。

 

计算总平均功耗

 

设计人员透过电源预估技术(power budgeting)估算应用中可能的电流消耗和电池寿命。同样以图1为例，数据记录器不断经历各种模式诸如：休眠、传感器预热、检测、数据换算和储存。分析处理回路将协助设计人员确定单个周期中各种模式所占用的时间。然后，再藉助厂商提供的组件数据，更可了解各款组件的电流消耗状态。将各种模式下需要的总电流乘以该模式的持续时间，就可以得到该模式在每个周期中消耗的电荷量。

 

根据表1可知，数据记录器的应用，在每个周期约为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 = 0.009 mA峰值电流=2.048 mA结论：

 

透过MCU的选择，设计人员能成功的管理医疗电子设备、进而降低功耗；功耗的降低在使用产品时能有效减少热能产生，并且缩小电池尺寸，进而延长设备的使用年限、增加设备的可靠度、提高患者的配合度，并缩小整体设备的尺寸。