【導(dǎo)讀】醫(yī)療電子技術(shù)不斷發(fā)展，不同的醫(yī)療設(shè)備具有不同的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。如何選擇恰當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品在功耗、性能和價(jià)格等方面的要求，已成為醫(yī)療設(shè)備制造廠商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文就為大家分享如何選擇IC元器件。
隨著人們對(duì)自身健康狀況的日益關(guān)注，便攜式超聲波診斷設(shè)備、血壓計(jì)、血糖計(jì)等個(gè)人健康監(jiān)護(hù)設(shè)備開(kāi)始獲得市場(chǎng)青睞。醫(yī)療電子技術(shù)不斷發(fā)展，不同的醫(yī)療設(shè)備具有不同的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。即便同類(lèi)設(shè)備，也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)品的具體應(yīng)用而有不同的技術(shù)要求和發(fā)展方向。例如，超聲臨床設(shè)備要求低噪聲、寬動(dòng)態(tài)范圍等高性能指標(biāo)；而便攜系統(tǒng)則要對(duì)性能和功耗進(jìn)行權(quán)衡，為了滿(mǎn)足便攜性需求，要求器件具有低功耗和高集成度特性。便攜式保健產(chǎn)品則要求保持良好的可重復(fù)性，產(chǎn)品在整個(gè)工作溫度范圍、工作電壓和使用周期內(nèi)具有極低的漂移。
如何選擇恰當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品在功耗、性能和價(jià)格等方面的要求，已成為醫(yī)療設(shè)備制造廠商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步有力促進(jìn)了醫(yī)療電子設(shè)備向低功耗、小尺寸、高集成度的方向發(fā)展。半導(dǎo)體廠商需要全面分析具體系統(tǒng)的規(guī)格要求和不同參數(shù)在系統(tǒng)中的重要性，以便提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。
降低系統(tǒng)功耗
圖1(圖1必須放)所示為通用便攜式醫(yī)療設(shè)備的原理框圖，該系統(tǒng)需要大量的功能電路：從采集傳感器輸出的模擬前端到顯示結(jié)果的顯示器控制、電池充電、電源管理等。基于這種架構(gòu)的便攜式醫(yī)療設(shè)備要求低功耗和較寬的工作電壓范圍(直接由電池供電)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減小產(chǎn)品尺寸，要求器件具有極小的封裝外形。
圖1. 通用便攜式醫(yī)療設(shè)備原理框圖。圖中黃色區(qū)域可由MAX1359單芯片數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
為了滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求，Maxim開(kāi)發(fā)出多種產(chǎn)品，從基于低功耗微處理器的數(shù)據(jù)采集器到有效延長(zhǎng)電池壽命的低功耗電源管理電路。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、減少器件數(shù)量、降低系統(tǒng)功耗，Maxim推出了高度集成的混合信號(hào)微處理器，以及智能化更高的電池和電源管理芯片。
提高測(cè)量精度
便攜式醫(yī)療設(shè)備需要頻繁測(cè)量溫度，以便修正傳感器的溫度特性。溫度測(cè)量器件有多種選擇，例如：熱敏電阻、PN結(jié)、提供線性輸出的集成電路等。器件的選擇取決于尺寸、成本、功耗以及精度等多項(xiàng)指標(biāo)。提高傳感器的精度是改善便攜式醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
以血糖儀的檢驗(yàn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)利用電化學(xué)反應(yīng)檢測(cè)病人的血糖度，測(cè)試精度對(duì)溫度的變化非常敏感。因此，需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量以修正室溫測(cè)量參數(shù)。另外，還需要避免儀器工作在超出精度范圍限制的溫度之外，這一點(diǎn)對(duì)于便攜產(chǎn)品尤其重要，因?yàn)檫@些產(chǎn)品常常工作在炎熱或寒冷的室外環(huán)境。
圖1所示通用系統(tǒng)框圖同樣適合血糖儀測(cè)量，傳感器端口用于連接血糖電化學(xué)反應(yīng)測(cè)試條，溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，該傳感器可以采用外部器件，也可以使用芯片內(nèi)部的傳感器，或者對(duì)兩者的溫度都進(jìn)行測(cè)量。
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降低系統(tǒng)成本
單芯片溫度傳感器是低成本應(yīng)用的理想選擇。為了降低系統(tǒng)成本，可以利用芯片的內(nèi)部溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，補(bǔ)償血糖傳感器所處位置的外部溫度。系統(tǒng)可利用測(cè)量值修正傳感器溫度，提供精確讀數(shù)。溫度讀數(shù)對(duì)應(yīng)于二極管的實(shí)際結(jié)溫，對(duì)于連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度變化的系統(tǒng)，可以直接使用溫度讀數(shù)。對(duì)于需要獲得封裝外部溫度的應(yīng)用，需要對(duì)讀數(shù)進(jìn)行調(diào)整才能得到更準(zhǔn)確的數(shù)值。
校準(zhǔn)的關(guān)鍵因素在于，保證溫度傳感器測(cè)量的是葡萄糖測(cè)試反應(yīng)發(fā)生處的溫度，即葡萄糖測(cè)試條所處位置。測(cè)試設(shè)備應(yīng)該考慮到任何影響產(chǎn)品精度的溫度偏差。
MAX1359是16位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用節(jié)省空間的40引腳TQFN封裝，3.3V供電時(shí)僅消耗1.7mA的電流，用于實(shí)現(xiàn)模擬接口、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，非常適合于便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。MAX1359數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)圖1中黃色標(biāo)記的功能模塊。
MAX1359數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的二極管結(jié)可用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，利用二極管的I-V特性測(cè)量溫度，為了提高測(cè)量精度，將校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部，修正讀數(shù)誤差，以獲得最高精度。校準(zhǔn)系數(shù)可以存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部，也可以存儲(chǔ)在主處理器的非易失存儲(chǔ)器中，上電時(shí)裝載到芯片內(nèi)。
MAX1359的內(nèi)部溫度檢測(cè)器可以測(cè)量?jī)?nèi)部二極管結(jié)的溫度，也可以測(cè)量外部溫度傳感器的溫度，存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的兩個(gè)常數(shù)(GS、OS)用于修正內(nèi)部結(jié)溫變化以及其他電路偏離理想狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的誤差。
MAX1359測(cè)量的是內(nèi)部結(jié)溫。該模型中，將溫度特性轉(zhuǎn)換成等效電路(注：工廠可以將芯片置于恒溫油槽，將TA和Tc強(qiáng)制在相同溫度對(duì)芯片進(jìn)行校準(zhǔn))。一旦芯片安裝在電路板上(圖2，MAX1359的Tj將取決于以下因素：
* PCB溫度
* PCB周?chē)沫h(huán)境溫度
* PCB封裝的導(dǎo)熱性
* MAX1359的功耗
* PCB的耗散功率
* 產(chǎn)品工作的環(huán)境溫度
* 產(chǎn)品與周?chē)h(huán)境的隔熱層
圖2. 安裝在電路板上的MAX1359的溫度模型
上述因素直接影響MAX1359內(nèi)部溫度Tj與MAX359外部測(cè)量點(diǎn)溫度的差異，這意味著利用器件測(cè)量的Tj只是實(shí)際溫度Text的估算值Test，值得慶幸的是，可以通過(guò)一些測(cè)試手段縮小Tj與Text之間的誤差。
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可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單流程修正產(chǎn)品規(guī)格的偏差，圖5所示的工作表給出了修正流程。修正系數(shù)(GS、OS)儲(chǔ)存在MAX1359內(nèi)部(TEMP_CAL寄存器)，可通過(guò)SPI總線從芯片內(nèi)部讀取這些數(shù)值。利用下式計(jì)算修正后的數(shù)據(jù)：
Testimate (℃) = Tmeas (℃) x Gs + Os (℃)
利用修正系數(shù)將測(cè)量值Tj轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度的估算值，測(cè)量產(chǎn)品的溫差需要兩個(gè)參數(shù)：MAX1359估算的溫度值(見(jiàn)圖5中的C)和產(chǎn)品外部的實(shí)際溫度(見(jiàn)圖3中的A)。實(shí)際溫度由高精度傳感器、測(cè)試儀表得到。根據(jù)A和C可以計(jì)算出D值，產(chǎn)品的溫差(通常在0℃~+6℃之間)。
圖3. 跟據(jù)存儲(chǔ)的校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算溫差的修正值
需要按照該流程進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，以確保獲得的參數(shù)在不同測(cè)試環(huán)境、同一系列的儀器下保持穩(wěn)定。如果不能得到穩(wěn)定的溫差值，則需針對(duì)每臺(tái)設(shè)備提供定制參數(shù)。在能夠獲得穩(wěn)定參數(shù)的情況下，可以將數(shù)值直接存儲(chǔ)到硬件電路，以便固件調(diào)用。如果不能得到穩(wěn)定的數(shù)值，則需將數(shù)值存儲(chǔ)到每臺(tái)設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)。利用D值計(jì)算經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的外部溫度(K，產(chǎn)品工作溫度)。
