利用高性能模擬器件簡化便攜式醫療設備設計

　　目前，醫療電器 OEM廠商正在開發技術含量更高的、用于治療和監控常見疾病的個人保健設備。這些產品價格合理，極大提高了醫療保健質量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監測器等便攜式醫療設備中起著重要作用。大多數此類產品中的實際生理信號是模擬信號，在測量、監控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。

　　將高性能模擬外設嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實現便攜式醫療電子設備的片上系統化，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療設備的模擬前端設計的多種方法，如將運算放大器、 ADC、DAC等高性能外設與低功耗MCU結合使用。MCU 具有數字濾波、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據。將上述外設與 MCU 結合使用，不僅可以實現上述全部功能，而且還可通過關閉外設使其進入待機模式（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，使電池在此類應用中的壽命可達數年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12位 DAC等外設，是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設之外，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實現醫療產品單芯片解決方案的具體介紹。

　　血壓計

　　圖1為血壓計功能結構圖。該應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，所以可以顯著節省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數字化之前需要放大，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。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。放大后的信號從內部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設可以進行高效的數據處理，能夠快速執行Korotkoff音檢測算法，并濾掉影響測量結果的噪聲。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壓充電泵的 160 段的 LCD驅動器，以提供穩定對比度，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場進行軟件升級，由于閃存具有系統內可編程性，所以可以當作數據記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信，以下載記錄的數據。由于 MCU 具有超低功耗架構，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。

　　圖1 血壓計功能結構圖

　　MCU 中PWM 輸出控制的直流電馬達對袖袋進行充/放氣。這是該血壓計唯一用到 6V 電源驅動馬達的地方。如果不能滿足電源需求，整個血壓計可以用一節 3V 鋰離子鈕扣電池供電。不過，目前只有少數馬達可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅動，所以，此例可以使用4節普通低成本AAA堿性電池及低壓降穩壓器 （LDO） 為MCU提供 3.3V電源。假設每天測量兩次血壓，這些電池可以使用兩年。MCU可以長期工作在活動顯示計時模式，原因是該模式的電流消耗非常小。另外，用戶查看存儲的血壓讀數時也不會增加電流消耗。此外，集成的雙通道 DAC能夠產生相移180°的正弦波，從而可以提高變送器性能。?

　　肺活量計

　　肺活量計也稱為肺功能測試 （PFT）設備，在醫療診斷中用于測試肺容量。在該應用中，測量參數是一定呼氣時間內的氣流量，單位為升/分鐘。所用傳感器是氣動變送器，實際上是壓差變送器。除了無需充氣馬達外，該肺活量計與血壓計設計類似。3個MCU運算放大器用作測量氣流的傳感器放大器。肺活量計其他部分的設計比較簡單，12 位 ADC的作用是測量氣流并與存儲的標準化數值進行比較。閃存有助于存儲各種標準化數值，使設計適用于各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計的參考設計（系統所用的變送器比較相似）。請注意，肺活量計無需馬達控制。另外，MCU的低功耗特性延長了電池使用時間，其高集成度降低了成本并提高了系統可靠性。

　　圖2 差動放大器