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利用高性能模擬器件簡化便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計
閱讀：2360發(fā)布時間：2016-9-29
便攜醫(yī)療便攜設(shè)備模擬器件
目前，醫(yī)療電器 OEM廠商正在開發(fā)技術(shù)含量更高的、用于治療和監(jiān)控常見疾病的個人保健設(shè)備。這些產(chǎn)品價格合理，極大提高了醫(yī)療保健質(zhì)量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監(jiān)測器等便攜式醫(yī)療設(shè)備中起著重要作用。大多數(shù)此類產(chǎn)品中的實際生理信號是模擬信號，在測量、監(jiān)控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。
將高性能模擬外設(shè)嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化，而且還可延長電池使用壽命。本文將介紹簡化便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的模擬前端設(shè)計的多種方法，如將運算放大器、 ADC、DAC等高性能外設(shè)與低功耗MCU結(jié)合使用。MCU 具有數(shù)字濾波、處理功能，還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理數(shù)據(jù)。將上述外設(shè)與 MCU 結(jié)合使用，不僅可以實現(xiàn)上述全部功能，而且還可通過關(guān)閉外設(shè)使其進入待機模式（電流消耗僅為幾mA）來滿足功耗要求。
MSP430FG4619就是一個很好的例子，其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類應(yīng)用中的壽命可達數(shù)年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12位 DAC等外設(shè)，是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設(shè)之外，該器件還具有 120KB的片上閃存及通用串行通信接口（USCI）。 以下為集成模擬外設(shè)實現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品單芯片解決方案的具體介紹。
血壓計
圖1為血壓計功能結(jié)構(gòu)圖。該應(yīng)用通常使用橋式壓力變送器作為傳感器，與充氣式袖袋相連。變送器可通過端口引腳激活，由于僅在壓力測量時被激活，所以可以顯著節(jié)省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數(shù)字化之前需要放大，然后由ADC進行測量。放大后的信號可檢測科羅特科夫 （Korotkoff） 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數(shù)。MCU中的3個運算放大器能夠出色地完成這項工作。幾個放大器共同組成的高增益差動放大器功能塊可消除應(yīng)用中的共模噪聲。使用 3 個放大器的差動放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號從內(nèi)部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設(shè)可以進行的數(shù)據(jù)處理，能夠快速執(zhí)行Korotkoff音檢測算法，并濾掉影響測量結(jié)果的噪聲。16位CPU以較低的 MIPS處理能力處理上述算法。該器件還集成了帶有穩(wěn)壓充電泵的 160 段的 LCD驅(qū)動器，以提供穩(wěn)定對比度，從而進一步完善了該單芯片解決方案。MCU中的120KB 低功耗閃存可以在現(xiàn)場進行軟件升級，由于閃存具有系統(tǒng)內(nèi)可編程性，所以可以當(dāng)作數(shù)據(jù)記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信，以下載記錄的數(shù)據(jù)。由于 MCU 具有超低功耗架構(gòu)，在血壓測量模式下，該解決方案的工作電流低于 3mA。在空閑模式下，該器件正常工作并顯示實時時鐘的電流消耗不足 3mA。
目前，醫(yī)療電器 OEM廠商正在開發(fā)技術(shù)含量更高的、用于治療和監(jiān)控常見疾病的個人保健設(shè)備。這些產(chǎn)品價格合理，極大提高了醫(yī)療保健質(zhì)量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監(jiān)測器等便攜式醫(yī)療設(shè)備中起著重要作用。大多數(shù)此類產(chǎn)品中的實際生理信號是模擬信號，在測量、監(jiān)控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。
將高性能模擬外設(shè)嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化，而且還可延長電池使用壽命。本文將介紹簡化便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的模擬前端設(shè)計的多種方法，如將運算放大器、 ADC、DAC等高性能外設(shè)與低功耗MCU結(jié)合使用。MCU 具有數(shù)字濾波、處理功能，還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理數(shù)據(jù)。將上述外設(shè)與 MCU 結(jié)合使用，不僅可以實現(xiàn)上述全部功能，而且還可通過關(guān)閉外設(shè)使其進入待機模式（電流消耗僅為幾mA）來滿足功耗要求。
MSP430FG4619就是一個很好的例子，其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類應(yīng)用中的壽命可達數(shù)年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12位 DAC等外設(shè)，是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設(shè)之外，該器件還具有 120KB的片上閃存及通用串行通信接口（USCI）。 以下為集成模擬外設(shè)實現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品單芯片解決方案的具體介紹。
血壓計
圖1為血壓計功能結(jié)構(gòu)圖。該應(yīng)用通常使用橋式壓力變送器作為傳感器，與充氣式袖袋相連。變送器可通過端口引腳激活，由于僅在壓力測量時被激活，所以可以顯著節(jié)省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數(shù)字化之前需要放大，然后由ADC進行測量。放大后的信號可檢測科羅特科夫 （Korotkoff） 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數(shù)。MCU中的3個運算放大器能夠出色地完成這項工作。幾個放大器共同組成的高增益差動放大器功能塊可消除應(yīng)用中的共模噪聲。使用 3 個放大器的差動放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號從內(nèi)部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設(shè)可以進行的數(shù)據(jù)處理，能夠快速執(zhí)行Korotkoff音檢測算法，并濾掉影響測量結(jié)果的噪聲。16位CPU以較低的 MIPS處理能力處理上述算法。該器件還集成了帶有穩(wěn)壓充電泵的 160 段的 LCD驅(qū)動器，以提供穩(wěn)定對比度，從而進一步完善了該單芯片解決方案。MCU中的120KB 低功耗閃存可以在現(xiàn)場進行軟件升級，由于閃存具有系統(tǒng)內(nèi)可編程性，所以可以當(dāng)作數(shù)據(jù)記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信，以下載記錄的數(shù)據(jù)。由于 MCU 具有超低功耗架構(gòu)，在血壓測量模式下，該解決方案的工作電流低于 3mA。在空閑模式下，該器件正常工作并顯示實時時鐘的電流消耗不足 3mA。
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