基于MAXQ2010的低功耗便攜式醫學數據記錄儀的設計

基于MAXQ2010的數據記錄儀設計實例

像許多用來采集或存儲數據的電子設備一樣，基于MAXQ2010的數據記錄儀采用USB接口與主機（如個人電腦）通信。但是，由于MAXQ2010 自己沒有USB接口，我們利用FTDI公司的芯片FT232R實現USB與UART的轉接。

采用FT232R可以給數據記錄儀設計帶來許多好處。首先，當USB總線活動時，數據記錄儀可以利用FT232R的3.3V穩壓器輸出供電，僅需一對二極管即可實現與電池供電的自動切換，因為穩壓器輸出（減去0.2V二極管前向壓降）電壓總比電池電壓減去二極管壓降后的電壓高，這樣就可保證連接到USB總線時，記錄儀不用電池而通過 USB Vbus供電。采用兩個二極管（圖1）是為了防止給電池充電，輸出電容用來降低負載瞬變對電池的影響。其次，MAXQ2010可以利用兩個串口（UART）中的一個直接與運行在個人電腦上的應用程序通信，不需要任何額外的驅動程序。兩個串口之間通過一個建立在USB接口上的虛擬COM口連接。本設計采用MAXQ2010 基于32kHz 晶體的FLL作為其自身的時鐘源（如果需要還可為RTC提供時基），其成本比其它晶體或諧振電路的成本要低得多。FLL 電路相當于一個倍頻系數為256的倍頻器，將32kHz的晶體振蕩頻率變到8.388MHz作為MAXQ2010的時鐘。

為計算基于MAXQ2010的數據記錄儀究竟會消耗多少電流，可以考慮執行以下操作：首先一個外部信號（如按鍵或傳感器電壓突然升高）將微控制器從停止模式喚醒；系統隨即通過一個單端的ADC通道讀取模擬傳感器電壓，將采集的傳感器電壓值存儲在數據RAM中；此時為了節省功耗，微控制器重回到停止模式，而在約60秒后，微控制器再次被喚醒（ 回到第 1步）。因此，計算平均電流消耗并估算電池壽命需要將微控制器的以下參數代入公式（1）：tActive（完成上述全部操作所需的時間，包括進入停止模式的時間）、iActive（上述操作期間的典型電流值）、tStop（保持停止模式的時間）、iStop（停止模式的典型電流）、tExit（從停止模式被喚醒所需的時間）、iExit（被喚醒時的典型電流）。

　　(tActive × iActive) + (tStop × iStop) + (tExit + iExit)

　　tActive + tStop + tExit

根據以上參數的值可以計算出平均電流大約為202nA；即如果電源是一個普通的CR2032紐扣鋰電池，可以估算出電池壽命為1138小時。不同電池生產廠家生產的電池的特性會有所不同，CR2032電池在90%的放電區間內壓降不超過0.3V，這意味著在電池電壓降到2.7V之前（經過一個二極管壓降后為2.5V，滿足單電源工作時的最低電壓），微控制器可以工作1024個小時。

增加電池容量或數量、用可充電電池，或當連接到 USB時自動充電等許多措施均以用來延長電池壽命。一般平均電流僅略高于停止模式的待機電流，這是因為停止模式的時間遠長于程序運行時間，停止模式的電流起主導作用。程序循環體代碼可以被擴展，如測量多個傳感器值或增加其它功能并不會顯著改變電池壽命。當然，使用其它外設功能，如LCD顯示，LED指示或串口等都會增加功耗，設計者在計算實際電池壽命時需要綜合考慮這些功能可能增加的功耗。