如何延长无线医疗设备的电OB欧宝体育APP池寿命

　　无线医疗设备越来越普遍，用于远程监测和记录生命体征，以帮助检测和治疗疾病和医疗异常。图1显示了一个示例。无线身体传感器通过互联网中心或个人服务器（如患者的智能手机）上传生命体征。为了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。

　　可穿戴式医疗监控设备旨在收集和压缩数据（元数据），通过互联网中心设备短时间发送到云端，然后进入睡眠状态以节省电力。电池寿命部分取决于设计中部署的无线无线电和接口协议的功耗。

　　可穿戴传感器设备的设计者可以从以下PAN（个人局域网）低功耗无线通信标准中进行选择：

　　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UART、SPI或USB与低成本的微控制器连接，并且可以安装一个非常适合监测人体命脉的小脚印。

　　比较前三大无线标准的独立研究表明，在无线身体传感器网络典型的周期性睡眠场景中，BLE的功耗最低。循环睡眠场景是这些电池供电设备的典型用例，其中设备核心被关闭预设时间，称为“睡眠时间”，通常在2到10秒的范围内，当需要在持续数毫秒的短脉冲期间传输生命体征时，“醒来”。这转化为低占空比活动场景，从而降低平均功耗，如图2所示。

　　在一个实验中，测量了三个无线模块在不同睡眠时间间隔内的平均功耗。图3所示的各种射频模块的功耗结果表明，与ANT和ZigBee相比，无论睡眠间隔如何，BLE协议消耗的功率最小。数据还显示，在周期性睡眠活动场景中，所有三种射频标准的功耗与睡眠间隔成反比。

　　鉴于智能手机的普及性及其对蓝牙4.0的本机支持，BLE是可穿戴医疗设备的理想选择。在某些禁止使用智能手机的医疗环境中，可以使用可连接到Internet的网桥作为替代。

　　典型的无线医疗设备包括一个与生物传感器接口的低功耗32位MCU和一个射频前端SoC（片上系统），如图4所示。

　　低功耗MCU通常用作传感器数据聚合器，通过I2C或UART接口将重要信息发送到BLE RF前端，并运行以下时钟源：

　　BLE RF前端实现Bluetooth-4.0物理层和BLE链路层，包括GATT配置文件（葡萄糖、温度、血压等），并运行两个时钟源：

　　经验测量表明，BLE医疗设备的功耗与处于“睡眠”状态的时间成反比，用于计时该“睡眠”状态的32 kHz时钟的睡眠时钟精度（SCA）直接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从设备（患者的医疗设备）和“配对”BLE主设备（internet集线器）是如何建立连接事件的。BLE从设备的动态IDD定时的范围捕获代表了图5所示的BLE设备的连接事件定时配置文件。

　　注意，BLE标准通过术语“连接间隔”调用“睡眠时间”；范围：7.5 ms至4s。连接事件是设备的某些功能块在0.08 ms到1.3 ms的范围内唤醒并保持活动的“开启”时间，如图5中缩放的范围快照所示。

　　为了进一步了解32 KHz睡眠时钟精度（SCA）的影响，让我们查看“配对”主设备和从设备之间交换的链路层（LL）消息，同时建立连接事件，如图6所示。

　　在每个连接事件期间，主睡眠时钟精度（主SCA）都会传送给从系统。从属服务器根据以下组合确定在连续连接事件期间何时唤醒：

　　由于涉及的睡眠时钟不准确，从机从睡眠中醒来收听主机数据包的时间存在一定程度的不确定性。由于这种不确定性，从机醒来并更早地开始侦听（接收器打开），这一过程称为“窗口加宽”。根据蓝牙4.0规范第6卷，此窗口加宽或提前开启时间ΔT由以下公式给出：

　　此“窗口加宽”直接转换为图8所示的从属RX窗口的宽度加宽。为了量化各种SCA设置中的RX窗口宽度，我们在测试设置（见图8）中测量了BLE从机的当前配置文件，类似于《表格应用说明》中引用的配置文件。

　　表1中列出的RX宽度测量值与窗户加宽方程相关–宽度随组合SCA成比例增加。

　　由于使用了微功率MCU，微功率MCU在几毫秒的短脉冲期间开启，因此开启期间的大部分系统功率由无线医疗设备中的BLE RF前端决定。如前所述，32 kHz睡眠时钟精确度会导致BLE无线电接收器（RX）提前开启并保持更长时间，以避免丢失来自主机的数据包，从而增加功率惩罚。

　　器件功耗与总接通时间（ΔT+TON）成正比。电池寿命延长率与设备功耗成反比：

　　图9中的曲线 ppm睡眠时钟可实现的电池寿命延长。例如，对于睡眠间隔=20秒的情况，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。

　　可穿戴医疗设备的设计者现在有了一种更高精度的32 kHz睡眠时钟，可以在延长睡眠时间后，通过优化的无线电接收窗口宽度准确唤醒。SiTime基于MEMS的SiT1552小尺寸因数（1.5 x 0.8 mm）32.768 kHz TCXO，频率公差为+/-5 ppm，跨越-40至85°C，可作为过去设计中使用的200 ppm 32 kHz晶体睡眠时钟源的替代方案。使用SiT1552 TCXO的医疗设备架构的优化版本如图10所示。

　　SiT1552 TCXO可以驱动多个CMOS负载，并显示消除了笨重的BLE睡眠时钟晶体和MCU RTC 32 KHz晶体，节省了宝贵的电路板空间。设计师现在可以利用压缩功能，仅在需要时才能在短时间内传输重要信息，同时延长设备在最低功耗睡眠状态下的时间，并有可能将电池寿命延长一倍。OB欧宝体育