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如何延长无线医疗设备的电池寿命

浏览:821次  发布时间:2018-04-10 16:44:26
关键词标签: SiTime晶振医疗设备电池32.768KHz
导读:无线医疗设备越来越普遍地用于远程监测和记录生命体征,以协助检测和治疗疾病和医疗异常。

无线身体传感器通过互联网集线器或个人服务器(如患者的智能手机)上传生命体征。要持续监控和上传重要数据,无线医疗设备需要保持与云的长期连接。医疗可穿戴设备持续快速增长的关键是缩小设备尺寸,延长电池寿命和智能手机的普及程度。如图1显示了一个例子。



图1U-Healthcare系统概述

可穿戴医疗监控设备旨在收集和压缩数据(元数据),并通过互联网集线器设备以短脉冲串的形式将其发送到云端,然后进入睡眠状态以节省电量。电池寿命部分取决于设计中部署的无线射频和接口协议的功耗。

可穿戴传感器设备的设计者可以从以下PAN(个人区域网络)低功率无线通信标准中进行选择。·ANT ·ZigBee ·蓝牙®低功耗(BLE)

这些无线电标准旨在满足短距离无线应用的需求。使用一些无源组件,这些收发器中的任何一个都可以通过UARTSPIUSB与低成本微控制器连接,并且可以适合小尺寸,非常适合监测人体生命体征。


医疗设备中的BLE

典型的无线医疗设备包括一个与生物识别传感器和射频前端SoC(片上系统)接口的低功耗32MCU,如图2所示。

图2:无线医疗设备的框图

通常用作传感器数据聚合器的低功耗MCU通过I2CUART接口向BLE RF前端发送生命值,并运行以下时钟源:

· o 12 MHz晶振

频率容限:070°C+/- 30 ppm

用于时钟ARM Cortex-M3内核和外设

· o 32.768 kHz晶振

频率容限:070°C时为-200 ppm

用于实时时钟(RTC)和看门狗定时器

BLE RF前端实现了包括GATT配置文件(葡萄糖,温度,血压等)的蓝牙4.0 PHY层和BLE链路层,并运行在两个时钟源之外:

· o24 MHz晶振

频率容限:070°C+/- 20 ppm

用于基带处理和RF 2.5 GHz合成

· o32.768 kHz晶振

频率容限:070°C时为-200 ppm

用于睡眠时钟计时

经验测量表明,BLE医疗设备的功耗与其在“睡眠”状态中花费的时间成反比,并且用于对该“睡眠”状态进行计时的32kHz时钟的睡眠时钟准确度(SCA)具有直接的 影响设备的电池寿命。 为了理解这一点,让我们简要回顾一下BLE奴隶(患者的医疗设备)和“配对的”BLE主(互联网枢纽)如何建立连接事件。如图3所示,BLE从器件动态IDD时序的示波器捕获代表了BLE器件的连接事件时序配置文件。


图3:具有IDD电流示波器测量的TI CC2541 BLE SoC的连接事件时序图

请注意,BLE标准通过术语“连接间隔”调出“睡眠时间”; 范围:7.5毫秒到4秒。 连接事件是设备的某些功能模块被唤醒并保持激活状态的时间的“开启”时间,其范围为0.08毫秒到1.3毫秒,如图5中的缩放范围快照所示。

在每个连接事件期间,BLE从器件与BLE主器件协商以下链路参数:

· o连接间隔(睡眠时间)

· o睡眠延迟

· o监督超时

睡眠延迟值NN <500)将睡眠时间延长N个连接间隔。 例如:连接间隔= 2秒,睡眠等待时间= 5将睡眠时间延长至2 x 5 = 10秒。 如果“成对的”从站在商定的时间段内没有响应,则主站使用链路参数监控超时来终止连接; 范围:100毫秒到32秒。为了进一步了解32 kHz睡眠时钟精度(SCA)的影响,让我们回顾一下在建立连接事件时在“配对”主从设备之间交换的链路层(LL)消息,如图4所示。

图4:建立连接事件时链路参数的BLE/从握手

在每次连接事件期间,主机睡眠时钟精度(主机SCA)都会传送给从机。 从站根据以下各项的组合决定何时在连续的连接事件中唤醒:

· o上次协商的连接间隔

· oSCA

· o它自己的睡眠时钟精度(从SCA)

由于涉及睡眠时钟的不准确性,当从机从睡眠状态唤醒以监听来自主机的数据包时,存在一定程度的不确定性。 由于这种不确定性,从机被唤醒并开始收听(接收机打开),这个过程称为“窗口扩大”。 根据蓝牙4.0规范第6卷,此窗口加宽或提前开启,ΔT由以下公式给出:

ΔT= windowWidening =((masterSCA + slaveSCA/ 1000000*(上次连接间隔))

哪里:

· o masterSCA是主要32 kHz睡眠时钟的睡眠准确度,单位为ppm

· o slaveSCA是从机32 kHz睡眠时钟的睡眠准确度,单位为ppm

· o上次连接间隔是以秒为单位的最后一次成功建立的连接间隔

由于睡眠时钟的不准确性,这个窗口宽度或早期开启时间ΔT如图5所示。


图5:由于睡眠时钟不准确导致的连接事件配置文件

这种“窗口加宽”直接转化为图8所示的从RX窗口的宽度加宽。为了量化不同SCA设置下的RX窗口宽度,我们在测试设置中测量了BLE从设备的当前配置文件(见图 6)与TI BLE应用笔记[3]中引用的类似。

图6:测量具有不同睡眠时钟精度的BLE从机上的RX窗口宽度

链接参数被编入到从站中:

· o连接间隔= 2秒

· o 延迟= 0

· o 监督超时= 32秒

BLE从机上的32 kHz晶振被高精度32 kHz 5 ppm TCXOSiTimeSiT1552)替代; slaveSCA = 5 ppm。 供应商提供的图形用户界面在主机上使用,以扫描masterSCA值:20500 ppm,分八步。 对于每个masterSCA设置,测量连接事件(开启时间)期间的RX宽度。

1:睡眠时钟精度(SCA)对从机RX窗口宽度的影响

1中列出的RX宽度测量值与窗口加宽的等式相关 - 宽度随着组合SCA的增加而成比例地增加。


延长电池寿命

由于使用微功耗MCU在几毫秒的短脉冲期间开启,所以在开启时间期间大部分系统功率由无线医疗设备中的BLE RF前端决定。正如前面所解释的,32 kHz睡眠时钟噪声会导致BLE无线电接收器(RX)更早打开并保持更长时间以避免丢失来自主设备的数据包,从而增加功率损失。

· o  TON = 3 ms(典型值)

· o  5 ppm睡眠时钟(SCA = 5)和20秒睡眠时间,ΔT1= 0.1 ms

· o  对于200 ppm睡眠时钟(SCA = 200)和20秒睡眠时间,ΔT2= 4.0 ms

器件的功耗与总开启时间(ΔT+ TON)成正比。 电池寿命延长率与设备功耗成反比:

P2/P1 = (ΔT2 + TON)/(ΔT1 + TON) = 2.26 times

图7中的图表显示了在70 ppm200 ppm 32 kHz时钟源上的5 ppm睡眠时钟可实现的电池寿命延长。例如,对于睡眠间隔= 20秒,5 ppm 32 kHz睡眠时钟可以在200 ppm睡眠时钟上实现> 2倍的电池寿命延长。

图7SiT1552 5 ppm 32 kHz TCXO100 ppm200 ppm XO上的电池寿命延长率


功率优化的医疗设备

可穿戴医疗设备的设计人员现在可以选择更高精度的32 kHz睡眠时钟,以在延长的睡眠时间之后精确唤醒,并优化无线电接收窗口宽度。 SiTime基于MEMSSiT1552小尺寸(1.5 x 0.8 mm32.768 kHz TCXO-4085°C范围内具有+/- 5 ppm的频率容限,可用作200 ppm 32 kHz晶振睡眠时钟源的替代产品 用于过去的设计[4]。 图8显示了使用SiT1552 TCXO的医疗设备架构的优化版本。


图8:使用SIT1552 TCXO代替传统32 kHz晶体的医疗设备的优化架构


SiT1552 TCXO可以驱动多个CMOS负载,并且显示消除笨重的BLE睡眠时钟晶体和MCU RTC 32 kHz晶振,节省了宝贵的电路板空间。 现在,设计人员只有在需要时才能利用压缩和短时突发传输生命体,同时使设备长时间处于最低功耗睡眠状态,并可能实现延长电池寿命的两倍。

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