如何延长无线医疗设备的电池寿命

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。

图1:U-Healthcare系统概述

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：

• ANT

• ZigBee

• Bluetooth® low energy (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。

哪种无线标准的功率最低？

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。

图2：周期性睡眠活动场景；平均功率与占空比成正比

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。

图3：三种无线标准的功耗与睡眠间隔

医疗设备中的BLE

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。

图4：无线医疗设备的框图

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：

12 MHz晶体

频率公差：0-70℃时±30 ppm

用于时钟臂Cortex-M3核心和外围设备

32.768 KHz晶体

频率公差：0-70℃时-200 ppm

用于实时时钟（RTC）和看门狗计时器

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：

12 MHz晶体

频率公差：0-70℃时±30 ppm

用于基带处理和射频2.5 GHz合成

32.768 KHz晶体

频率公差：0-70℃时-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。

图5：具有IDD电流范围测量的TI CC2541 BLE SoC的连接事件时序曲线

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。

在每个连接事件期间，BLE从设备与BLE主设备协商以下链路参数：

连接间隔（睡眠时间）

睡眠延迟时间

监控超时

睡眠延迟值N（N<500）将睡眠时间延长N个连接间隔。示例：连接间隔=2秒，睡眠延迟=5将睡眠时间延长到2 x 5=10秒。如果“配对”从属设备在约定的时间段内没有响应，则主设备使用链路参数“监控超时”来终止连接；范围：100 ms至32 s。

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。

图6：建立连接事件时链路参数的BLE主/从握手

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：

上次协商的连接间隔

主SCA

其自身的睡眠时钟精度（从属SCA）

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：

ΔT=窗口加宽=（（masterSCA+slaveSCA）/1000000）*（最后一次连接间隔））

其中：

masterSCA是主32 kHz睡眠时钟的睡眠精度，单位为ppm

Slavesca是从属32 kHz睡眠时钟的睡眠精度，单位为ppm

last connection interval是以秒为单位的最后一次成功建立的连接间隔

图7显示了由于睡眠时钟不准确导致的窗口加宽或提前开启时间ΔT。

图7：睡眠时钟不准确导致的连接事件配置文件

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。

图8：在具有不同睡眠时钟精度的BLE从机上测量RX窗口宽度

编程到从机的链路参数：

连接间隔 = 2s

延迟 = 0

监控超时 = 32s

BLE从机上的32 kHz晶体被高精度32 kHz 5 ppm TCXO（SiTime的SiT1552）替代；slaveSCA=5 ppm。在主机PC上使用供应商提供的GUI来扫描masterSCA值：分八步扫描20到500 ppm。对于每个masterSCA设置，测量连接事件（准时）期间的RX宽度。

表1：睡眠时钟精度（SCA）对从属接收窗口宽度的影响

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。

延长电池寿命

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。

TON = 3 ms（典型）

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

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

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：

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

图9中的曲线图显示了在70 ppm和200 ppm 32 KHz时钟源上使用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。

图9:SiT1552 5-ppm 32 kHz TCXO在100 ppm和200 ppm XO上的电池寿命延长率

电源优化医疗设备

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。

图10：使用SIT1552 TCXO代替传统32 kHz晶体的医疗设备优化架构

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。