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医疗设备/医疗器械 |
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便携式医疗电子系统设计时IC器件的选择 |
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作者：Maxim公司 Dave Voutour 来源：电子工程专辑 |
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随着人们对自身健康状况的日益关注，便携式超声波诊断设备、血压计、血糖计等个人健康监护设备开始获得市场青睐。医疗电子技术不断发展，不同的医疗设备具有不同的技术发展趋势。即便同类设备，也会因为产品的具体应用而有不同的技术要求和发展方向。例如，超声临床设备要求低噪声、宽动态范围等高性能指标；而便携系统则要对性能和功耗进行权衡，为了满足便携性需求，要求器件具有低功耗和高集成度特性。便携式保健产品则要求保持良好的可重复性，产品在整个工作温度范围、工作电压和使用周期内具有极低的漂移。
如何选择恰当的半导体器件实现系统设计，以满足便携式医疗电子产品在功耗、性能和价格等方面的要求，已成为医疗设备制造厂商面临的关键挑战。半导体技术的进步有力促进了医疗电子设备向低功耗、小尺寸、高集成度的方向发展。半导体厂商需要全面分析具体系统的规格要求和不同参数在系统中的重要性，以便提供高性价比的解决方案。
降低系统功耗
图1(图1必须放)所示为通用便携式医疗设备的原理框图，该系统需要大量的功能电路：从采集传感器输出的模拟前端到显示结果的显示器控制、电池充电、电源管理等。基于这种架构的便携式医疗设备要求低功耗和较宽的工作电压范围(直接由电池供电)，为了简化设计、减小产品尺寸，要求器件具有极小的封装外形。
图1. 通用便携式医疗设备原理框图。图中黄色区域可由MAX1359单芯片数据采集子系统实现
为了满足系统功能要求，Maxim开发出多种产品，从基于低功耗微处理器的数据采集器到有效延长电池寿命的低功耗电源管理电路。为了简化系统设计、减少器件数量、降低系统功耗，Maxim推出了高度集成的混合信号微处理器，以及智能化更高的电池和电源管理芯片。
提高测量精度
便携式医疗设备需要频繁测量温度，以便修正传感器的温度特性。温度测量器件有多种选择，例如：热敏电阻、PN结、提供线性输出的集成电路等。器件的选择取决于尺寸、成本、功耗以及精度等多项指标。提高传感器的精度是改善便携式医疗产品设计的关键。
以血糖仪的检验系统为例，该系统利用电化学反应检测病人的血糖度，测试精度对温度的变化非常敏感。因此，需要对环境温度进行测量以修正室温测量参数。另外，还需要避免仪器工作在超出精度范围限制的温度之外，这一点对于便携产品尤其重要，因为这些产品常常工作在炎热或寒冷的室外环境。
图1所示通用系统框图同样适合血糖仪测量，传感器端口用于连接血糖电化学反应测试条，温度传感器用于测量环境温度，该传感器可以采用外部器件，也可以使用芯片内部的传感器，或者对两者的温度都进行测量。
降低系统成本
单芯片温度传感器是低成本应用的理想选择。为了降低系统成本，可以利用芯片的内部温度传感器进行校准，补偿血糖传感器所处位置的外部温度。系统可利用测量值修正传感器温度，提供精确读数。温度读数对应于二极管的实际结温，对于连续监测温度变化的系统，可以直接使用温度读数。对于需要获得封装外部温度的应用，需要对读数进行调整才能得到更准确的数值。
校准的关键因素在于，保证温度传感器测量的是葡萄糖测试反应发生处的温度，即葡萄糖测试条所处位置。测试设备应该考虑到任何影响产品精度的温度偏差。
MAX1359数据采集系统
MAX1359是16位数据采集系统，采用节省空间的40引脚TQFN封装，3.3V供电时仅消耗1.7mA的电流，用于实现模拟接口、信号采集和数据转换功能，非常适合于便携式医疗设备应用。MAX1359数据采集系统可实现图1中黄色标记的功能模块。
MAX1359数据采集系统内部的二极管结可用于校准数据采集子系统，利用二极管的I-V特性测量温度，为了提高测量精度，将校准系数存储在数据采集系统内部，修正读数误差，以获得最高精度。校准系数可以存储在芯片内部，也可以存储在主处理器的非易失存储器中，上电时装载到芯片内。
MAX1359的内部温度检测器可以测量内部二极管结的温度，也可以测量外部温度传感器的温度，存储在芯片内部的两个常数(GS、OS)用于修正内部结温变化以及其他电路偏离理想状态时所产生的误差。
图2. 二极管结温的变化量取决于Vsense+和Vsense-之间的电压变化
图3. IC内部二极管结温和环境温度模型
MAX1359测量的是内部结温(图2)，图3给出了一个常见的与结温Tj相关的模型，图3中TA为环境温度、Tc为管壳温度。该模型中，将温度特性转换成等效电路(注：工厂可以将芯片置于恒温油槽，将TA和Tc强制在相同温度对芯片进行校准)。一旦芯片安装在电路板上(图4)，MAX1359的Tj将取决于以下因素：
* PCB温度
* PCB周围的环境温度
* PCB封装的导热性
* MAX1359的功耗
* PCB的耗散功率
* 产品工作的环境温度
* 产品与周围环境的隔热层
图4. 安装在电路板上的MAX1359的温度模型
上述因素直接影响MAX1359内部温度Tj与MAX359外部测量点温度的差异，这意味着利用器件测量的Tj只是实际温度Text的估算值Test，值得庆幸的是，可以通过一些测试手段缩小Tj与Text之间的误差。
可以利用一个简单流程修正产品规格的偏差，图5所示的工作表给出了修正流程。修正系数(GS、OS)储存在MAX1359内部(TEMP_CAL寄存器)，可通过SPI总线从芯片内部读取这些数值。利用下式计算修正后的数据：
Testimate (℃) = Tmeas (℃) x Gs + Os (℃)
利用修正系数将测量值Tj转换为实际温度的估算值，测量产品的温差需要两个参数：MAX1359估算的温度值(见图5中的C)和产品外部的实际温度(见图5中的A)。实际温度由高精度传感器、测试仪表得到。根据A和C可以计算出D值，产品的温差(通常在0℃~+6℃之间)。
图5. 跟据存储的校准系数计算温差的修正值
需要按照该流程进行重复测试，以确保获得的参数在不同测试环境、同一系列的仪器下保持稳定。如果不能得到稳定的温差值，则需针对每台设备提供定制参数。在能够获得稳定参数的情况下，可以将数值直接存储到硬件电路，以便固件调用。如果不能得到稳定的数值，则需将数值存储到每台设备的非易失性存储器内。利用D值计算经过校准的外部温度(K，产品工作温度)。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/26/2009) |
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