推进便携式医疗设计的嵌入式处理器

2008-07-13 21:23:37来源: 嵌入式在线
  便携式医疗设备的特殊性决定了它们应该是对用户友好的、必须工作在无菌环境下,并且空间占用小、耗能低。

        同时,便携式医疗设备还需要足够的计算能力以便处理医疗数据,能够连接到无线或有线接口以便记录和发送数据。从设计人员的角度考虑,上述需求需要低功耗单片机(MCU)和数字信号控制器(Digital Signal Controller,DSC)。

  正是有了嵌入式处理器,设计人员才有可能设计出可在各种医疗应用中使用的紧凑而节能的设备,包括植入式设备、便携式设备、家用设备和安保设备等。应用实例从可自行在柜台购买的血压计,一直到可拍摄病人肠道内部的微型无线照相机。本文将讲述设计人员如何在便携式医疗应用中使用最新的MCU和DSC。

  便携式医疗电子设备的设计问题

  在设计紧凑的便携式医疗电子设备时,系统设计人员会面对许多挑战,如用来调理医疗信号的资源对医疗仪器的最终成本起着关键影响。在高端的应用中,心电图分析仪(ECG)是一种复杂而昂贵的仪器,要在其刺激心脏的两房两室时测量心脏的电信号。首先,贴在心脏附近皮肤上的探针检测电信号,然后电信号经过处理,再用图形表示出来。因为探针放置在病人皮肤上,信号容易出现衰减。因此会放置多个探针在心脏附近的皮肤上克服衰减,以便获得更好的信号。然后,通过使用基于固件的数字滤波技术,即嵌入式快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)库中提供的频谱分析软件,可以对信号的衰减进行估算。ECG上的探针数量取决于控制ECG的DSC上有多少可用的ADC通道数。例如,Microchip最新的各种dsPIC DSC具有6个~32个ADC通道并且集成了可处理医疗信号的其他有用外设,采用这些DSC能够使ECG的成本有实质性的降低。

  芯片设计人员已经在器件上集成了几种节能功能特性(图1),使得医疗设备设计人员能够控制功耗。就调节功耗而言,诸如空闲、休眠和待机模式等节能特性为设计人员提供了相当大的灵活性。当在医疗应用中使用这些器件时,系统控制器能够在大部分时间处于低功耗状态,只是定期被定时器中断唤醒以运行程序代码。

        降低功耗的方法

  设计人员应该意识到,在便携式系统中实现节能的唯一途径是让单片机控制内部和外设的功耗。在系统运行期间,应该试着按照具体能耗分别设计。在设计便携式医疗设备时,确定所需的运行状态,关闭不需要的电路。如果医疗设备上某个外设消耗了大部分的功耗,那么减少单片机的功耗不会对系统总功耗有多大的影响。

  当不需要外设时,应将其关闭。例如,在电池供电的应用中,就不需要欠压复位功能(Brown-out Reset,BOR)。另一方面,也可以向Microchip纳瓦级PIC18F系列单片机那样使用空闲指令(图2)关闭CPU而让外设继续运行。

        在节能上甚至还有更进一步的措施。通过进入休眠状态,功耗可减少近96%。在由一个传感器、一个存储器和一节电池组成的便携式医疗系统中,存储器和传感器可能一直在供电,这是在耗费系统能耗。在单片机的控制下,使用单片机的I/O接线关闭这些外设;只是在需要时,才向存储器和传感器供电。

  引入可控的时钟

  对于低功耗应用而言,振荡器启动时间对单片机功耗起着至关重要的作用。在启动期间,一直到振荡器稳定下来之前,单片机即使是空闲的也会持续耗能。振荡器启动时间受许多因素影响,包括晶振、负载电容、系统环境和振荡器模式等等。在较低的时钟速率下,虽然低频振荡器运行时消耗的功率更少,但它需要的启动时间会更长,这样就会对系统功耗产生显著影响。

  选用带有振荡器启动定时器的单片机,这样会有助于确保正常启动,确保有足够的时间建立振荡。振荡器定时器有助于单片机精确地执行代码,确保振荡器平稳起振。但振荡器定时器也有不足,因为每个唤醒周期所需的时间也相应延长。针对振荡器启动时间问题的解决方案是使用双速振荡器启动,这样就能在启动时切换到较快的内部振荡器频率。运用先进的单片机能在两种内部时钟频率中进行选择,即正常运行时选择软件可配置的8 MHz振荡器,要保持低功耗时则选择31 kHz振荡器。使用这些单片机能随时切换时钟频率(在外部时钟和内部振荡器之间进行转换),同时不会有代码执行延迟,从而节省医疗设备宝贵的“上电(Up)”时间。

  把I/O线配置为模拟或数字线

  便携式设备上的每条信号线都会耗能,这就需要创造性地处理单片机上的双向I/O引脚,因为有些I/O引脚能处理模拟输入。通过仔细观察这些引脚上的信号,设计人员可确保功耗最小。由于模拟输入提供了高阻抗状态,它们消耗的电流非常小。特别是,当施加的电压处在VDD和VSS中间时,模拟输入比数字输入消耗更少的电流。只要可能,就应通过强迫数字输入进入低功耗状态,把复用的数字/模拟引脚配置成模拟输入,以节省功耗。另外可尝试通过数字输出驱动外部电路,其除了给外部电路供电的电流外,数字输出引脚不会产生额外的电流消耗。

        把不用的端口引脚配置为输出引脚(输出为高电平或低电平均可),或者把它们配置为输入引脚再连接外部电阻上拉至VDD或VSS,也能节省功耗。当配置为输入时,通过引脚流出的仅仅是引脚输入泄漏电流;而如果引脚直接连到VDD或VSS,也会有相同的电流流过。使用这种方法,能够灵活地把引脚用作输入或输出,而不用作太多的硬件改动。

  通过功率预算节能

  在便携式应用中,设计人员能够通过使用功率预算这项技术来计算电流消耗和估计电池寿命。首先要仔细了解系统的运行情况,设想设备的所有功能状态。因此,如果把便携式医疗应用简单地看作数据获取操作,系统运行的模式显然有:休眠、获取数据、处理和存储数据。

  现在,通过仔细研究控制程序,就能估计出每个模式的时间消耗。参考制造商的数据手册,能够获得系统中各器件的电流消耗。接着,把每个状态的总电流乘以每个循环周期中该状态的持续时间,计算出每个状态的电荷消耗量。根据功率预算,就能很容易地计算出满足应用需求的电流大小,使用的公式是:平均电流=总电荷/总时间。如果设计人员注意到在某个状态消耗了过多功率,工作就可围绕降低该状态的功耗而进行。

  便携式医疗设计中的安全机制

  在医疗应用中,安全性的优先级很高,系统设计人员必须预防设备因为掉电或程序失控而出现的紧急情况。比如,失去时钟源可能会触发错误地执行产品的控制程序。单片机供应厂家提供了几种有效机制,确保系统中的单片机安全运行,并可预测其运行。在某些单片机中,设计人员可以使用故障保护时钟监视器功能来检测时钟源的丢失。当检测到时钟丢失时,单片机的内部振荡器将提供系统时钟信号从而帮助系统平缓地关机,或如果不希望关闭系统的话,可进入“待机(Stay-Alive)”模式。

  小结

  通过使用最新的单片机,设计人员可以实现功耗管理技术,设计出兼具成本效益的便携式医疗设备。在医疗设备中功耗越小,就能用更小的电池。此外,通过使用低成本的控制器,设计使用一定次数后就废弃的医疗用具已成为可能。

关键字:心电图  调理  信号  电信号  低功耗  单片机

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_193.html
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