潘佚

（南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

2007-2008年的調(diào)查顯示，我國20歲以上人群中男性和女性糖尿病的患病率分別達10.6%和8.8%，總體患病率已達9.7%，同期糖尿病前期的患病率高達15.5%[1]。因此，糖尿病已成為我國面臨的一個重大的公共衛(wèi)生問題，其防治具有極其重要的意義。糖尿病防治過程中最重要的步驟是進行血糖監(jiān)測。利用快速血糖儀測血糖，可以很快獲得結(jié)果，及時調(diào)整治療[2-6]，動態(tài)血糖監(jiān)測則可以提供血糖連續(xù)變化的信息。動態(tài)血糖儀使用電池供電，在系統(tǒng)設(shè)計中功耗問題顯得尤為重要。集成度高、低功耗的微處理器是降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。本文采用了混合信號片上系統(tǒng)級單片機C8051F040達到了低功耗的目的。

1 血糖儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動態(tài)血糖監(jiān)測系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括模擬模塊和數(shù)字模塊。模擬模塊的功能是對生物傳感器（葡萄糖氧化酶電極）的輸出信號進行采集、放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字模塊的核心是微處理器，負責對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、處理、與上位機通訊、液晶顯示、發(fā)現(xiàn)異常信號時報警。系統(tǒng)的外圍器件較多，在滿足設(shè)計指標的條件下應(yīng)選用低功耗特性的產(chǎn)品。動態(tài)血糖監(jiān)測需要在一段長時間內(nèi)進行間斷的、定時的（如30分鐘）連續(xù)測量，意味著微處理器不能同其他設(shè)備一樣，為了省電在不工作時完全關(guān)斷，而必須一直處于監(jiān)控狀態(tài)，因此微處理器的功耗在系統(tǒng)平均功耗中占有相當大的比例，微處理器本身功耗的大小對系統(tǒng)整體功耗的影響很大[7]。

2 幾種低功耗處理器比較

目前在系統(tǒng)設(shè)計中廣泛應(yīng)用的低功耗單片機已有多種。表1給出了TI、ATMEL和Silabs公司的三種典型的低功耗微處理器的功耗比較[8]。表中正常模式電流消耗數(shù)據(jù)指MCU工作主頻在1 MHz時，節(jié)能模式數(shù)據(jù)指各廠商微處理器適用于本系統(tǒng)的低功耗模式。

表1 三種常用低功耗微處理器的功耗參數(shù)Tab.1 Power consumption parameter of common MCUs

雖然MSP430F16x和ATMEGA16L系列微處理器的功耗也很低，但綜合考慮A/D、D/A轉(zhuǎn)換器精度、各接口類型和數(shù)量、存儲器、PGA等可用資源情況，C8051F040更利于減少外圍器件的數(shù)量，減小系統(tǒng)的體積，從而達到降低整個系統(tǒng)功耗的目的。C8051F040采用了流水線處理構(gòu)架，集成12位ADC和DAC模塊，芯片溫度傳感器，3個史密斯比較器模塊，一個SPI串行外圍設(shè)備接口控制器，一個SMBUS總線控制器 （與I2C完全兼容），64K Flash Rom，256 BYTE片內(nèi)存儲器和4K BYTE外部存儲器，兩個外部事件中斷（中斷源可高達20個），5個定時器。高集成度和多中斷源使得C8051F040在低功耗系統(tǒng)設(shè)計中有很大的優(yōu)勢[8]。本設(shè)計中通過對微處理器的工作電壓、晶振頻率和軟件優(yōu)化實現(xiàn)最大限度地降低功耗。

3 低功耗策略

影響CMOS數(shù)字邏輯器件功耗的因素主要有兩方面：供電電壓和系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）頻率。其中功耗與系統(tǒng)時鐘的關(guān)系用下式來表達：

式中，C為CMOS的負載電容，V是電源電壓，f是系統(tǒng)時鐘頻率。由上式可以看出，CMOS邏輯電路中的電流與電源電壓成正比，功耗與電源電壓的平方成正比，降低器件的供電電壓可以減小功耗。C8051F040所要求的電源電壓為2.7～3.6 V，為了減小功耗，設(shè)計中使用3.0 V的穩(wěn)壓器而不采用3.3 V的穩(wěn)壓器。外圍器件均使用3 V的電源供電，并具有關(guān)斷或待機功能。

C8051F040的系統(tǒng)時鐘可以來自內(nèi)部振蕩器，也可以來自一個外部時鐘源。內(nèi)部可編程振蕩器可提供最高24.5 MHz的時鐘頻率；外部時鐘源可以是一個CMOS時鐘、RC電路電容或晶體振蕩器。

動態(tài)血糖測量是一種“猝發(fā)”操作，即測量要求高速度，但只是在很短的時間間隔發(fā)生。對C8051F040來說，SYSCLK頻率可在任何時刻改變，因此器件平時可工作在較低的頻率，直至某個需要高速操作的條件發(fā)生（如定時器中斷）。

本設(shè)計中，C8051F040使用一個實時時鐘提供時間戳來進行高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，一個內(nèi)部振蕩器和外部晶體的組合是最理想的方案：在采樣和數(shù)據(jù)處理操作期間使用高速內(nèi)部振蕩器，操作結(jié)束后使用一個外部32 kHz晶體以維持實時時鐘，一旦重新需要高速操作，微處理器將切換到內(nèi)部振蕩器，如圖2所示。

圖2 內(nèi)部和外部振蕩器配置方案Fig.2 Configuration scheme of internal and external oscillators

4 低功耗系統(tǒng)的軟件設(shè)計與優(yōu)化

C8051F040的可編程內(nèi)部振蕩器最高可達24.5 MHz，根據(jù)血糖監(jiān)測的需要，本設(shè)計中使用其8分頻作為高速模式已經(jīng)足夠，外部則使用32 kHz晶振待機。系統(tǒng)時鐘的初始化代碼如下：

C8051F040通過IO口控制各個外圍設(shè)備和電源管理芯片；用高速模式進行采樣、計算、存儲和顯示，完成一次測量后，系統(tǒng)進入待機，關(guān)閉AD及所有外設(shè)，切換到外部晶振，直到下一次被定時器中斷喚醒。C8051F040有5個定時/計數(shù)器，在系統(tǒng)設(shè)計中用定時器3中斷提供測量所需的時間戳。代碼如下：

在這樣的設(shè)計下，可以通過計算平均電流來估算功率需求。微處理器在正常方式（用于采樣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理）和等待方式（兩個采樣處理操作之間）之間切換。等待方式下，外部時鐘頻率32 kHz，外圍器件關(guān)閉。僅考慮微處理器的話，等待方式下的模擬外設(shè)被禁止，模擬電流消耗（電源監(jiān)視模塊）約為0.6 μA；數(shù)字部件的電流消耗約為 0.65 mA/MHz，計算可得20.8 μA。微處理器在等待時的總消耗電流約為21 μA。

理論上來說，高速模式運行的時間是ADC跟蹤/轉(zhuǎn)換時間并將樣本保存到存儲器的時間。C8051F040的ADC模塊在低功耗跟蹤方式下，有3個SAR時鐘用于跟蹤，16個SAR時鐘用于轉(zhuǎn)換。這19個SAR時鐘在頻率為3 MHz時需要6.3 μs；存儲采樣值需要兩個 SYSCLK 周期即 0.083 μs。進入正常方式需要執(zhí)行一條MOV指令，消耗3個SYSCLK周期即0.125 μs。因此，在高速模式一次采樣需要的總時間為6.5 μs。

實際情況要復(fù)雜得多。微處理器在啟動DC-DC時，往往會出現(xiàn)一個瞬時電流峰值，因此到DC-DC輸出穩(wěn)定之前系統(tǒng)需要等待幾毫秒；為了提高信噪比，系統(tǒng)需要在每次測量時進行多次采樣和數(shù)字濾波；存儲測量結(jié)果時，對外圍器件（鐵電）的讀寫也包含較多的等待周期等等，這些都增加了系統(tǒng)實際功耗，計算也比較復(fù)雜。雖然如此，本設(shè)計中動態(tài)血糖監(jiān)測要求每30分鐘對電極輸出進行一次采樣，系統(tǒng)高速運行時間比等待時間仍然少得多。

在軟件優(yōu)化上，應(yīng)用定時中斷的方式減少CPU的工作時間、應(yīng)用片內(nèi)定時/計數(shù)器的定時計數(shù)功能進行定時測量或?qū)π盘栍嫈?shù)，盡可能不使用查詢或等待方式，有利于減小系統(tǒng)功耗。

表2 動態(tài)血糖監(jiān)測系統(tǒng)電流消耗Tab.2 The current consumption of continuous glucosemonitoring system

通過硬件和軟件的優(yōu)化設(shè)計，測得系統(tǒng)在高速（含采樣）工作態(tài)的電流為12 mA左右，在待機模式下工作電流降低至5.4 mA。該系統(tǒng)各部分在不同工作模式下的電流消耗如表2所示。實際測試中，利用2 500 mAh的5號電池供電時，系統(tǒng)可以工作450 h左右，滿足設(shè)計要求，便于隨身攜帶。

5 結(jié)束語

文中比較了多種低功耗單片機，從動態(tài)血糖監(jiān)測系統(tǒng)需求出發(fā)，使用集成度高、功耗低、具備高精度ADC的C8051F040單片機作為微處理器，采用了內(nèi)部振蕩器和外部晶體組合的系統(tǒng)時鐘，充分利用各種中斷源和低功耗模式，選用低功耗的外圍器件，有效降低了系統(tǒng)總功耗，實現(xiàn)400小時以上的連續(xù)血糖監(jiān)測。各種工作模式均在基于C8051F040的動態(tài)血糖監(jiān)測系統(tǒng)上得到驗證。

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