摘要：在設(shè)計(jì)任何電子設(shè)備時(shí)，低功耗都是追求的目標(biāo)之一。就便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，實(shí)現(xiàn)功耗目標(biāo)是成功開發(fā)產(chǎn)品的關(guān)健因素。通過在單個(gè)器件中以更高集成度集成多種功能的高級(jí)半導(dǎo)體，設(shè)計(jì)人員可以極大地縮小醫(yī)療設(shè)備的尺寸，同時(shí)通過降低醫(yī)療應(yīng)用(包括植入式設(shè)備、便攜式設(shè)備、家用設(shè)備和安全設(shè)備)中的功耗來延長它們的壽命。本文將說明設(shè)計(jì)人員如何利用單片機(jī)(MCU)的高級(jí)功耗管理功能來降低醫(yī)療應(yīng)用中的功耗。

　　降低功耗所涉及的設(shè)計(jì)問題系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著緊湊式和便攜式醫(yī)療電子設(shè)備提出的許多挑戰(zhàn)。為低功耗器件設(shè)計(jì)電源可能會(huì)非常棘手，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員需要考慮系統(tǒng)的電壓/電流需求。在許多低功耗應(yīng)用中，電池是主要電源，在化學(xué)性質(zhì)、性能、容量、尺寸/重量和成本等方面對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了許多挑戰(zhàn)。例如，高容量電池的內(nèi)阻較高，這使它們不適合于大電流應(yīng)用。而與尺寸類似的高內(nèi)阻電池相比，適合于大電流應(yīng)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(yuǎn)高于可充電電池。由于存在這些限制，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)特定系統(tǒng)來制定策略，以在成本和性能方面達(dá)到最佳效果。

　　靜態(tài)功耗是一項(xiàng)重要的品質(zhì)指標(biāo)，可以指示MCU在低功耗應(yīng)用中的適用情況。對(duì)于一些采用高級(jí)處理技術(shù)的MCU，在休眠模式下耗用的電流可低于50nA。為了能夠適應(yīng)各種低功耗設(shè)計(jì)，有一點(diǎn)非常重要，即MCU能在很寬的電壓范圍內(nèi)工作。例如，在使用堿性電池時(shí)，它需要能夠工作于l.SV，因?yàn)槊抗?jié)電池的端電壓為0.9v，且在應(yīng)用中通常使用兩節(jié)電池。選擇可在寬電壓范圍內(nèi)工作的MCU可以延長便攜式設(shè)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(gè)系統(tǒng)的工作電壓范圍都必須考慮，包括MCU的外設(shè)。如果系統(tǒng)中的某個(gè)單一外設(shè)需要消耗大部分的功率，降低MCU的功耗對(duì)系統(tǒng)總功耗幾乎沒有什么影響。

　　作為一個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則，如果系統(tǒng)使用了MCU的內(nèi)部外設(shè)(如模數(shù)轉(zhuǎn)換器或EEPROM)，則必須注意它的工作范圍。如果某些外設(shè)無法在MCU的整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)工作，則系統(tǒng)的工作電壓范圍將由外設(shè)決定。同一設(shè)計(jì)規(guī)則也適用于所有外設(shè)。在下面幾節(jié)中，將介紹當(dāng)前市場(chǎng)上推出的一些MCU系列產(chǎn)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(shè)的功耗

　　便攜式嵌入式系統(tǒng)功耗管理的核心原則是讓MCU能夠控制內(nèi)部和外部設(shè)備的功耗。設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)，先確定必需的物理模式或狀態(tài)，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分割，以關(guān)閉不需要的電路。例如，在電池應(yīng)用中不需要欠壓復(fù)位(BOR)功能，因此可以通過禁止該功能來節(jié)省功耗。針對(duì)這一目標(biāo)，從許多不同供應(yīng)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(nèi)工作的MCU可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)多樣化。

　　以一個(gè)基于MCU的醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄儀為例，它包含了傳感器、EEPROM和電池，如圖1所示。該醫(yī)療設(shè)備是低功耗嵌人式設(shè)計(jì)的典型示例，它可以獲取傳感器讀數(shù)、換算傳感器數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM，并等待下一個(gè)傳感器讀數(shù)。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，可能隨時(shí)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(jié)省類似系統(tǒng)的功耗呢？答案在于在不需要這些外設(shè)時(shí)通過程序控制來關(guān)閉它們。在給出的示例中，設(shè)計(jì)人員可以使用MCU的1/0引腳和幾個(gè)字節(jié)的代碼根據(jù)需要來為EEPROM和傳感器供電。因?yàn)?/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(guān)電源。

圖1基于MCU的醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用實(shí)例

　　功耗管理模式

　　在嵌入式應(yīng)用中，節(jié)省功耗的一種常見方式是，在系統(tǒng)對(duì)MCU的資源需求很低時(shí)，定期將MCU置為休眠模式。然后，要執(zhí)行有用工作時(shí)，通過中斷或在看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)期滿之后喚醒系統(tǒng)的MCU。讓MCU處于休眠模式的時(shí)間越長，應(yīng)用的平均功耗就越低。只需要確保看門狗的延時(shí)周期適于應(yīng)用。通常，工作方式如下：如應(yīng)用需要MCU每隔一段固定的時(shí)間處理一次采樣數(shù)據(jù)，看門狗定時(shí)器應(yīng)在所需的時(shí)間周期內(nèi)將MCU喚醒一次。使用該功能時(shí)，需選擇支持相應(yīng)看門狗周期的MCU。

　　時(shí)鐘速度選擇

　　對(duì)于低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員需特別注意振蕩器起振時(shí)間，起振在MCU空閑(不執(zhí)行任何代碼)時(shí)發(fā)生。在起振期間，振蕩器穩(wěn)定的過程中，MCU不執(zhí)行任何操作，但圖2無線接收器雙速啟動(dòng)階段它會(huì)一直消耗功率。在MCu的數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常不會(huì)提及振蕩器起振時(shí)間，因?yàn)樵摃r(shí)間因晶振、負(fù)載電容、系統(tǒng)環(huán)境、振蕩器模式等因素而不同。在使用較低時(shí)鐘速度的設(shè)計(jì)中，振蕩器起振時(shí)間對(duì)功耗的影響非常大。在系統(tǒng)時(shí)鐘需要在休眠和喚醒之間切換的應(yīng)用中，振蕩器起振時(shí)間會(huì)帶來顯著差異。低頻振蕩器在運(yùn)行時(shí)的功耗較低，但也需要較多的起振時(shí)間，這會(huì)影響系統(tǒng)的功耗。

　　大多數(shù)常見的MCU都實(shí)現(xiàn)了某種類型的振蕩器起振定時(shí)器，用以確保正確起振和提供足夠時(shí)間來建立振蕩。該定時(shí)器用于防止MCU在振蕩器穩(wěn)定之前執(zhí)行代碼這種意外情況的發(fā)生，但它也延長了每個(gè)喚醒周期需要的時(shí)間。對(duì)問題的解決方案是使用雙速振蕩器啟動(dòng)。

　　在這種方案中，MCU將使用快速啟動(dòng)的輔助振蕩器(如RC振蕩器)立即開始執(zhí)行代碼。當(dāng)主振蕩器就緒時(shí)，將電路切換為使用主振蕩器，而不是使用輔助振蕩器。這對(duì)于器件存在頻繁喚醒/休眠事件的應(yīng)用非常關(guān)鍵。一些MCU甚至允許設(shè)計(jì)人員使用內(nèi)部振蕩器運(yùn)行代碼，同時(shí)等待振蕩器起振定時(shí)器計(jì)數(shù)完畢。通過使用功能寄存器配置位，可以使能這種雙速啟動(dòng)功能。這種情況下，MCU先使用內(nèi)部振蕩器作為時(shí)鐘源，直到振蕩器定時(shí)器計(jì)時(shí)期滿。

　　多時(shí)鐘啟動(dòng)與運(yùn)行

　　在必要時(shí)，還可以在啟動(dòng)期間切換到內(nèi)部振蕩器，以加速啟動(dòng)。最好的方法是，時(shí)鐘頻率可以即時(shí)更改，可以在外部時(shí)鐘和內(nèi)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(huì)造成代碼執(zhí)行被延時(shí)。在實(shí)際工作中，這相當(dāng)于雙速啟動(dòng)功能。這種情況下，外部時(shí)鐘源在起振期間穩(wěn)定時(shí)，MCu可以使用任意一個(gè)內(nèi)部振蕩點(diǎn)，。當(dāng)外部時(shí)鐘源穩(wěn)定之后，MCU可以進(jìn)行時(shí)鐘切換，從而縮電流。將此引腳配置為模擬輸入短節(jié)能型醫(yī)療設(shè)備中寶貴的啟動(dòng)時(shí)間。

　　圖2無線接收器雙速啟動(dòng)階段

　　圖2所示為在一個(gè)便攜式應(yīng)用中，對(duì)于負(fù)責(zé)查詢?cè)S多發(fā)送器的無，線接收器，可實(shí)現(xiàn)雙速啟動(dòng)功能的幾個(gè)階段。在正常工作期間，接收器每隔37ms查詢一次消息。假設(shè)系統(tǒng)的電流目標(biāo)為雙向I/o引腳在大多數(shù)MCU中很常見，其中有一部分1/0引腳可接受模擬輸入。對(duì)于施加到這些引腳的信號(hào)，設(shè)計(jì)人員需要非常小心，以實(shí)現(xiàn)最小的功耗。以未用端口引腳為例。如某個(gè)端口引腳未用，可將它保留為不連接，但配置為輸出引腳，驅(qū)動(dòng)為任意一種狀態(tài)(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(shí)，只有輸人漏電流會(huì)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(dòng)。當(dāng)輸入電壓接近VDD或Vss時(shí)，數(shù)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(diǎn)，數(shù)字輸人器中的晶體管會(huì)被偏置于線性區(qū)域一消耗更多的電流。將此引腳配置為模擬輸人時(shí)，數(shù)字緩沖器會(huì)被關(guān)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(diǎn)非常重要。特別是當(dāng)施加的電壓位于VDD。和Vss之間的中點(diǎn)時(shí)，消耗的電流將低于數(shù)字輸入。在可能的情況下，將數(shù)字/模擬共用的引腳配置為模擬輸人可以將數(shù)字輸入強(qiáng)制為低功耗狀態(tài)，從而節(jié)省功耗。即使在通過數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)外部電路時(shí)，除了為外部電路供應(yīng)的電流，數(shù)字輸出引腳不會(huì)消耗任何其他電流，也可以最大程度降低電流消耗。在醫(yī)療電子設(shè)計(jì)中，安全性是需要優(yōu)先考慮的事項(xiàng)。MCU供應(yīng)商提供了一些機(jī)制，用于確保系統(tǒng)中的MCU正常工作，且代碼能夠按預(yù)期執(zhí)行。在一些MCU中(如Microchip采用納瓦技術(shù)的pICMCU)，可以采用故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器功能來檢測(cè)是否失去晶振/諧振器或其他外部時(shí)鐘源。這是一種極適于醫(yī)療應(yīng)用的重要功能，在晶振發(fā)生故障時(shí)，故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)視器將切換到內(nèi)部振蕩器，并允許安全關(guān)閉應(yīng)用或允許它以精簡(jiǎn)功能模式繼續(xù)運(yùn)行。

　　計(jì)算總平均功耗

　　以下將通過采用稱為功率預(yù)算的技術(shù)，說明設(shè)計(jì)人員如何估算應(yīng)用中的電流消耗和電池壽命。同樣，以圖l為例列析數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用的各種模式：休眠、傳感器預(yù)熱、檢測(cè)、數(shù)據(jù)換算和存儲(chǔ)。通過對(duì)處理循環(huán)進(jìn)行分析，可以確定每個(gè)周期中在各個(gè)模式下花費(fèi)的時(shí)間。然后，從制造商提供的相應(yīng)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲取每個(gè)器件的電流消耗數(shù)值。將每種模式下需要的總電流乘以該模式的持續(xù)時(shí)間，就可以得到每個(gè)循環(huán)周期中，在該模式下消耗的電荷量。根據(jù)表1可以得到，數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用的每個(gè)循環(huán)周期需要Z000ms，需要的總電荷量為18.8e一6A.s。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，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(shí)間(s)=18.8e一6/2000e一3=0.009mA

　　峰值電流=2.048mA

　　根據(jù)表1的功率預(yù)算，可以方便地計(jì)算滿足應(yīng)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(duì)容易地采取修正措施來降低該階段的功耗。

　　表1數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用的功率預(yù)算計(jì)算

　　結(jié)語

　　本文介紹了通過使用最新的MCU，設(shè)計(jì)人員如何實(shí)現(xiàn)功耗管理技術(shù)，以及降低醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的功耗。通過最大程度降低醫(yī)療設(shè)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(shè)備的工作壽命，縮小設(shè)備的物理尺寸，增進(jìn)患者對(duì)治療的配合。