便攜式血糖儀的低功耗設(shè)計(jì)

便攜式血糖儀的低功耗設(shè)計(jì)

功耗設(shè)計(jì)技術(shù)將功耗作為重要的機(jī)器指標(biāo)。在滿足系統(tǒng)測試精度和運(yùn)營速度等主要性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化軟件和硬件設(shè)計(jì)來降低應(yīng)用系統(tǒng)的功耗。將低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)引入到便攜式血糖儀的研制中,可以大大延長電池使用壽命,這不僅方便了用戶,減少了儀器功耗,而且對環(huán)境保護(hù)意義重大。1智能便攜式設(shè)備的耗能設(shè)計(jì)1.1耗軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)通過優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)功耗,是低功耗軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。硬件設(shè)計(jì)降低功耗的主要措施包括集成電路器件選擇、器件工作方式選擇、電源管理設(shè)計(jì)和集成電路優(yōu)化等。1.1.1幾何器件從低功耗角度出發(fā),選擇器件時(shí)主要考慮其功耗與功耗管理性能。開關(guān)功率與工作電壓的平方成正比,所以降低系統(tǒng)功耗最直接的辦法是降低芯片的工作電壓。CMOS電路具有功耗低,電源電壓范圍寬,抗干擾能力強(qiáng),輸出驅(qū)動能力強(qiáng),輸入電流小等優(yōu)點(diǎn),所以應(yīng)盡可能選擇低電壓、低功耗的CMOS器件。CMOS器件中40系列比HC系列功耗低,而HC系列比40系列運(yùn)行速度要快,因此除在總線與傳送高速地址、數(shù)據(jù)操作過程中選用HC系列CMOS器件外,其余器件在滿足運(yùn)行速度的前提下均可采用40系列。選擇具有多種工作模式的單片機(jī),如運(yùn)行模式、空閑模式及掉電模式等,這樣可以讓單片機(jī)有更多時(shí)間以后兩種低功耗模式運(yùn)行。1.1.2晶振頻率的影響CMOS電路中的芯片工作電流與晶振頻率成線性關(guān)系,即電路功耗隨工作速度提高而增大,空閑、掉電模式下也是如此。因此,降低晶振頻率,使單片機(jī)等器件工作在低頻模式下可以降低整機(jī)電流。不過,降低晶振頻率受系統(tǒng)運(yùn)行速度的制約,故應(yīng)在系統(tǒng)運(yùn)行速度和功耗之間尋求折中晶振頻率。1.1.3降低系統(tǒng)能耗器件功耗是工作電壓的函數(shù),較高的工作電壓對應(yīng)有較大的系統(tǒng)功耗。在同等時(shí)鐘頻率下,工作電壓VDD由5V降為3V,系統(tǒng)功耗降低40%以上。所以,可在器件容許的工作電壓范圍內(nèi),設(shè)計(jì)多路電壓輸出供電系統(tǒng),盡可能降低器件工作電壓從而降低系統(tǒng)功耗。另外,與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合,采用動態(tài)供電方式也能降低系統(tǒng)功耗。即對于不是一直處于工作狀態(tài)的功能模塊,只是在其工作時(shí)段提供工作電壓,這樣就避免了不必要的功耗。所以,設(shè)計(jì)帶有智能管理功能的電源模塊能夠顯著降低系統(tǒng)功耗。1.1.4減少系統(tǒng)載荷可以通過優(yōu)化系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)功耗。在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí),減小印制電路板與集成芯片之間的電容,減小布線與過孔之間的寄生電容;另外,優(yōu)化布線結(jié)構(gòu)、減小寄生電容、提高電路密度、縮短信號布線距離等,都可減少系統(tǒng)功耗。另外,CMOS電路是電壓控制器件,輸入阻抗高,如果輸入引腳懸空,則在輸入引腳上會積累電荷,產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢并使輸入引腳電位處于0～1之間導(dǎo)致其反相器P溝道和N溝道都處于導(dǎo)通狀態(tài),從而產(chǎn)生額外功耗。所以,CMOS器件未用的輸入端必須接地或接電源端,以克服引腳懸空帶來的異常功耗。1.1.5電池型號的選擇采用電池供電時(shí),應(yīng)從工作電壓范圍、電流消耗、重量及尺寸等方面來選擇電池型號。鋰金屬電池性能優(yōu)良,自放電率極低,常溫下一個(gè)月內(nèi)的自放電僅為1%-1.5%,電池能量與重量比大,可連續(xù)大電流長時(shí)間工作,性能優(yōu)于鎳氫電池,在相對成本較低時(shí),可優(yōu)先選用鋰電池。1.2延長系統(tǒng)固定時(shí)段,降低系統(tǒng)能耗對于具有多種工作模式的單片機(jī),可由軟件控制使其盡可能處于待機(jī)和掉電模式,縮短CPU的運(yùn)行時(shí)間。單片機(jī)測試完成后,受指令控制進(jìn)入功耗極低的待機(jī)睡眠模式,由外部按鍵中斷喚醒后回到正常測試狀態(tài)。軟件對單片機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行動態(tài)管理可以降低系統(tǒng)功耗。一方面,CPU處于待機(jī)模式下,對主時(shí)鐘分頻來降低CPU的運(yùn)行時(shí)鐘;另一方面,當(dāng)CPU不需高速運(yùn)行時(shí),由軟件對高速時(shí)鐘進(jìn)行整數(shù)倍分頻,這些都將使系統(tǒng)進(jìn)入功耗較低的低速運(yùn)行狀態(tài)。另外,讓不工作的外圍芯片進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),減少功耗。對可編程的器件,設(shè)置低功耗方式位使其進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),對非可編程的器件,可由單片機(jī)I/O口指令來關(guān)斷供電電源。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中,遵循硬件軟件化原則:盡量壓縮硬件,用軟件來替代以往用硬件實(shí)現(xiàn)的功能,這樣可以通過減少硬件組成來降低功耗。2便攜式血糖儀的耗竭設(shè)計(jì)2.1低能耗的及其設(shè)計(jì)便攜式血糖儀采用多種低功耗技術(shù)來設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊,主要包括:單片機(jī)、存儲器、時(shí)鐘管理器、液晶顯示器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器、穩(wěn)壓器、電源管理器、電壓監(jiān)視器、恒電位激勵模塊及測試傳感器等。硬件實(shí)現(xiàn)框圖見圖1。如圖1所示,便攜式血糖儀中的單片機(jī)采用了EM78P458,它片內(nèi)資源豐富,包括OTP型ROM、SRAM、可編程計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、比較器、PWM模塊,內(nèi)/外部中斷和雙向三態(tài)I/O口。作為一款低功耗、高速CMOS技術(shù)的單片機(jī),EM78P458的工作電壓范圍為2.2V～6.0V,工作電流在5V/4MHz小于1.5mA,3V/32kHz為15μA,在睡眠模式為1μA,非常適合于應(yīng)用在各種低功耗設(shè)計(jì)場合。A/D轉(zhuǎn)換器采用了12位轉(zhuǎn)換精度,帶SPI串行數(shù)據(jù)接口的MCP3201。MCP3201基于低功耗CMOS技術(shù),其主要特點(diǎn)是:單電源工作,工作電壓范圍寬,為2.7V～5.5V;功耗低,5V電壓下的激活工作電流僅為400μA,典型維持電流僅為0.5μA。實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理芯片采用了帶秒、分、時(shí)、日、月和年的串行時(shí)鐘保持芯片HT1380。它基于低功耗CMOS技術(shù),與TTL電平兼容,其主要工作特點(diǎn)是:工作電壓范圍寬,為2.0V～5.5V;功耗低,2V工作電壓時(shí)工作電流不大于0.3μA,5V工作電壓時(shí)不大于1μA。采用串行E2PROM芯片HT24LC08使之具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能。它是基于CMOS技術(shù)的8kbit容量電可擦除數(shù)據(jù)存儲器,具有I2C總線協(xié)議的串行數(shù)據(jù)接口。HT24LC08工作電壓范圍寬,為2.4V～5.5V;功耗低,工作時(shí)電源電流不超過5mA,待機(jī)狀態(tài)下的電源電流不超過5μA,適合于掉電時(shí)保存數(shù)據(jù)和采用電池供電的場合。液晶顯示器采用了帶串行數(shù)據(jù)接口的HT1621,它是基于CMOS技術(shù)的可編程多功能LCD驅(qū)動器,可驅(qū)動占空比為1/2、1/3或1/4,偏置比為1/2或1/3的LCD顯示器,芯片內(nèi)置32×4位顯示RAM,具有低功耗運(yùn)行模式選擇功能。HT1621的工作電壓范圍寬,為2.4V～5.2V;功耗低,3V工作電壓下,工作電流為150μA,5V時(shí)為300μA?？梢?圖1中的主要器件都采用了低功耗CMOS型芯片。圖1中的電源管理器是雙電壓輸出智能電源。雙電壓輸出中的一路輸出3.3V給單片機(jī)、E2PROM存儲器、串行時(shí)鐘保持芯片、液晶顯示器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器,另一路輸出5V給放大器、電平極性轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器和電壓監(jiān)視器,從而通過降低半數(shù)以上芯片的工作電壓來降低功耗。EM78P458的最高晶振頻率為16MHz,但為降低系統(tǒng)功耗,這里采用了低功耗工作狀態(tài)下的4MHz。在集成電路設(shè)計(jì)優(yōu)化方面,可加粗電源線、鋪設(shè)地線層,縮短信號布線距離等來減小功耗。CMOS器件輸入引腳均未懸空,由性能優(yōu)良的兩節(jié)3V鈕扣鋰金屬電池作為系統(tǒng)供電電源。2.2睡眠模式下的用戶電源首先,利用EM78P458的睡眠工作模式來降低系統(tǒng)功耗。便攜式血糖儀完成測試后,進(jìn)入低功耗睡眠模式,再由外部按鍵中斷喚醒以重新開始測試。軟件主程序流程圖如圖2所示。執(zhí)行SLEEP指令進(jìn)入睡眠模式后,如果由EM78P458的PORT6輸入口按鍵中斷來喚醒單片機(jī),則進(jìn)入SLEEP模式之前除了使能全局中斷和PORT6輸入變化中斷外,還要禁止看門狗定時(shí)器(WDT)溢出中斷,讀PORT6口以讓其工作在輸入狀態(tài),但程序燒寫軟件的代碼選擇寄存器中WDT仍應(yīng)設(shè)為enable。只有在睡眠模式下WDT的片內(nèi)RC振蕩器仍然維持運(yùn)行,才使EM78P458能從睡眠狀態(tài)被喚醒。測試完成后,進(jìn)入睡眠模式之前,由單片機(jī)I/O引腳控制智能電源管理模塊來切斷系統(tǒng)中絕大部分器件的工作電源,只給單片機(jī)和串行時(shí)鐘保持芯片供電,下次測試開始時(shí),再由軟件控制智能電源管理模塊給各器件供電,這種動態(tài)供電策略降低了系統(tǒng)功耗。另外,根據(jù)以軟代硬的原則,測試結(jié)果校準(zhǔn)由特有的軟件自校準(zhǔn)模塊完成,可減少硬件投入,降低系統(tǒng)功耗。2.3系統(tǒng)模型的測試結(jié)果,根據(jù)初在恒電位激勵下,酶電極催化下的葡萄糖氧化還原反應(yīng)存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,在宏觀下表現(xiàn)為一響應(yīng)電流,經(jīng)過一定的滯后期,響應(yīng)電流與葡萄糖濃度呈線性關(guān)系。檢測反應(yīng)中的響應(yīng)電流,經(jīng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算就能得到血糖濃度值。便攜式血糖儀操作簡便,測試耗時(shí)在30s以內(nèi),測量范圍為2-27mmol/L,覆蓋了正常血糖濃度和高、低血糖濃度范圍,測試結(jié)果的平均相對誤差為2.3%。實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)后,整機(jī)耗電性能在測試狀態(tài)下的工作電流為3.85mA;在睡眠模式下的電流為2.7μA。在不用更換電池的情況下,本便攜式血糖儀可以連續(xù)使