便携式移动监护仪的电池与电源管理

Chinese Journal of Medical Instrumentation 研 究 与 论 著 15 2009 年 33 卷 第 1 期 　　随着现代通信技术的迅速发展，远程监护作为一 种新兴的监护模式，在疾病的早期预警、及时干预和 降低医疗费用、合理配置医疗资源等方面都表现出了 突出的临床应用优势。远程监护系统通常由病人随身 携带的远程监护终端、设在医院或医疗机构的监护中 心和通信网络构成。其中，便携式远程监护终端由电池 供电，主要功能是采集病人的生理及其它信息，并通过 通信网络发送至医院监护中心。 　　远程监护终端的工作模式按监护信息的传输通信 方式不同，分为间断性发送[1][2][3]和连续的有线发送[4] [5]两种。前者实时采集心电信息，当病人感觉身体不适 的时候按下某个按钮，此时的心电信息才通过通信网 络发送到医院监护中心，并由监护中心分析和提供急 救指导。另外一种是连续实时监护，在病人静息的情况 下，实时采集的心电信息通过蓝牙或者其他短距离通 信手段，传输给PC或者手机，再通过Internet或者GPRS 传输到监护中心。可以看到，间断性发送的模式在病人 发生急性心脏病以致丧失自我控制能力时，不再适用； 便携式移动监护仪的电池与电源管理 【作 者】 【摘 要】 【关 键 词】 【中图分类号】 【文献标识码】 【 Writers 】 【 Abstract 】 【Key words】 李维姣，赖大坤， 邬小玫*， 方祖祥 复旦大学电子工程系医学电子学（上海，200433） 基于便携式移动监护仪在临床上要求长期、实时和连续监护的特点，结合移动监护仪各组成模块的工作电压、电流的不 同，设计了一个电池和电源箱管理系统。对该系统初步运行测试结果显示，在4400 mAh的锂电池供电下，电源转换效 率达到了 88%以上，可连续工作20小时，能满足临床使用要求。 便携式移动监护；电池管理；电源管理；电流；电压 TN86 B LI Wei-jiao, LAI Da-kun, WU Xiao-mei, FANG Zu-xiang Biomedical Engineering of Electronic Engineering Deparment, Fudan University Shanghai, 200433 Based on the pulse-coded transmitting and wide-band receiving system, this paper describes A research of phase Design a special power management circuit according to the particular demands of a real-time and continuously monitor system is essential. Combined with the requirement of voltage and current in separated module, three aspect must be considered, that is, how to select the functional component, how to accomplish voltage converting and how to carry on battery management. The test at last shows that, using this circuit and the 4400mAh battery the energy utilization is more than 88%, and the work time is more than 20 hours. portable remote monitor, battery and power management, current voltage Battery and Power Management of Portable TeleMonitoring System 收稿日期：2008-09-03 通信作者：邬小玫，上海复旦大学副教授，xiaomeiwu@fudan.edu.cn 基金项目：本文受上海市重点学科建设项目资助，项目编号：B112 上海市科委“上海-飞利浦研究与发展基金合作基金”资助项 目，项目编号：06SP07002 实时采样连续发送的方式，可以解决这一问题。然而， 目前已经存在的这种连续有线发送模式，需借助其他 辅助通信方式，不仅限制了病人的自由活动，而且需要 增加额外的资源损耗。 　　为了解决这些问题，我们设计了一套新的便携式 远程监护仪。监护仪具有三个优点：对病人进行连 续、实时采集心电，完全掌握病人的身体状况，消除了 间断性发送存在的安全隐患；采用高覆盖率的GPRS 公共无线通信网络，受监护患者具有更大的自由活动 空间，且无需增加新的电路交换模式所需的网络资 源；应用GPS定位系统及时跟踪和定位患者的地理位 置，进一步方便监护中心在发现异常时，能对患者实 施快速救助。 　　本文所述的移动监护终端具体可分为：LCD显示 模块、ARM核心处理模块、通信定位模块、心电采集 模块和电源管理模块五部分，如图1所示。为了保证整 个终端正常工作，实现连续、长期监护，应对GPRS和 LCD高功耗的问题，合理测算系统总体功耗，设计和 实现一套专门的电源管理电路成为整套远程监护系统 的关键点和难点。为此，结合移动监护仪各组成模块 的工作电压、电流的不同，重点探讨供电电源的选择和 文章编号：1671-7104(2009)01-0015-05 Chinese Journal of Medical Instrumentation 研 究 与 论 著 16 2009 年 33 卷 第 1 期 电源管理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计，为移动监护终端的各个功能模 块提供符合要求的电源，从而确保移动监护终端能安 全、高效地工作。 1 电池与电源管理设计 　　一套完整的供电电源方案包括软件动态管理和 硬件电路设计两部分。本文主要从硬件设计的角度考 虑，讨论适用于便携式远程监护仪的供电电源系统设 计。一般而言，供电电源系统分为电池管理和电源管理 两部分[6]，电池管理包括供电电池选择、电池充放电管 理、电池保护等；电源管理主要完成电压转换的功能。 针对所述的便携式移动监护终端各模块对电源的不同 要求，从整体系统的角度将供电电源设计分为电池选 择与电池管理、电源转换两部分，分别进行探讨。 1.1 电池选择与电池管理 正确估算系统的工作功耗，选型确定供电方式和 供电容量，是电池管理的首要任务。 通常，电池供电比交流电直接供电更适用于便携 式设备，使用更加安全，对电路隔离要求相对低很多， 更能满足医疗仪器对于安全性的要求。电池主要包括 一次性电池和可充电的二次电池。锂电池[7]作为二次电 池，可以反复充电，对于降低仪器的维护成本十分有 利，具有其他二次电池不具备的工作电压高、能量体 积比大、自放电率低、无污染以及无记忆效应等诸多优 点。目前，锂电池已成为现有便携式终端的首选供电方 案。本文所述的便携式移动监护终端也采用锂电池作 为系统供电电电源。根据监护终端各工作模块的工作 电压和电流，按各自标称值，初步测算出符合临床应用 工作时程（设定为12小时连续监护）对应所需的电池 总容量。如表1所示，按预定12小时连续运行和监护时 程，理论测算所需总电源功耗为3800 mAh。结合终端 尺寸和商用锂电池规格，确定选用两节AA锂电池芯并 联，实现电池电源供电，总容量选用为4400 mAh。 　　尽管锂电池具有诸多优良特性，但由于其自身的 化学反应原理的限制，在使用过程中依然存在过流、 过温、过压、过度放电等问题，均会引起其内部反应不 正常，导致电池性能恶化，甚至造成不可恢复的电池损 伤，因此需对监护终端中的供电锂电池的充放电进行 严格地管理，主要涉及充放电管理、电量检测、反接保 护和短路保护。 　　电池的充放电管理是整个电池管理系统的重要部 分。本文所述的便携式远程监护仪在使用过程中与人 体直接接触，锂电池充电过程中电流的变化将会引起 其后续电路的不稳定，造成心电采集放大倍数的变化， 并将引入不可预测的噪声。同时，锂电池在充电过程中 会造成系统地和外部交流电源地的互联，存在很大安 全隐患。基于上述考虑，本文所述移动监护终端不包含 充电电路，当病人发现电量不足的时，允许短时断电更 换电池，实现长期、连续监护。 　　根据锂电池放电特性，本文设计和实现了对电池的 电量检测。图2[8]给出了锂电池放电特性曲线。观察图2可 知，锂电池放电特性平稳，在3.5�4.2 V电压范围内，电压 和容量基本上呈线性关系，在此电压范围内放电，可有 80%以上的电能容量得到利用。基于此，我们可以通过电 池电压，间接地反映电池的容量状态，进而简单、快捷地 实现电池电量的实时、准确检测。先将电池电压进行分 压和分档，包括3.6 V以下、3.6�3.72 V、3.72�3.9 V和3.9 VV以上四个档次，继而将实际测得的电池电压与基准电 压相比，根据电池电压档位指示，确定当前电池电量情 况。当出现电池电量低（3.6 V以下）需要更换电池时，将 通过终端的声音或LED显示装置发出告警。 图1 移动监护终端系统框图 Fig.1 System block diagram Chinese Journal of Medical Instrumentation 研 究 与 论 著 17 2009 年 33 卷 第 1 期 反接和短路保护是电池管理中必不可少的功能电 路。本文设计采用低内阻的MOS管，连接至电池电压的 接入电路之前，以实现在系统开启时获得足够小的负载 电压降。只有在连接正常时MOS管才会开通，实现了电 源的反接和短路保护。 1.2 电源管理 在保证系统基本性能的情况下，降低工作频率和 工作电压是实现低功耗的主要手段[9]，也是本文电源管 理电路实现所需功能元器件选择的首要原则。但必须 兼顾系统各模块电源的协调统一。选型应遵循如下几 点原则：（1）选择工作电压相同或相近的器件，多个器 件尽量共用一组电源；（2）选择工作电压与电池电压接 近的器件，降低电压转换的复杂度，减少电源转换芯 片的使用；（3）选择工作模式多变的功能单元元件，在 不使用时可将其转到空闲模式，降低不必要的能量损 耗。基于上述原则，本文选型确定了各功能模块所需的 主要元器件，其各自的工作电源要求如表1所示。 　　电源电压转换是整个电源管理的核心部分，实现 供电电源的有效管理的关键是选择合适、高效的电源 转换芯片。从工作原理上可将电压转换电路分为：线性 稳压器（LDO）、开关稳压器（DC/DC）、电荷泵[10]等三 种，各自优缺点如表2所示。 　　基于表1及表2，在充分考虑各模块所需电压和电 流的情况下，即可合理选择相对应的一种电源电压转 换电路，满足移动监护终端内各模块稳定运行需要。 （1）核心模块处理器对电压稳定性要求较高，其基 本工作电压低于单节电池的电压范围，本文设计选择 LDO电压转换电路来实现。IO部分电压无特殊要求， 但它的外部负载根据外围扩展电路的不同情况，变动 范围比较大。故而，本文设计选择开关式DC/DC负责 IO部分的电压转换，以进一步提高电压转换效率和扩 大电流转换范围。 （2）心电采集模块采用正负两组电压，且需考虑尽 量小的引入干扰，避免给测量电路带来额外噪声，因此 本文对这部分的电压转换选用电荷泵来实现。 （3）对于定位通信模块，考虑到其工作电压范围和 锂电池的电压范围吻合，本文设计直接选用锂电池不 经电压变换接入该模块。同时，也兼顾了其较高的峰值 工作电流（约2A），常规电压转换芯片无法提供这样大 的电流，并且GPS定位和GPRS通信部分各有一根发送 频率在GHz天线，直接电池供电可进一步减少电压转 换和发射电路之间的电磁干扰。 （4）LCD的内部电路可以分为显示和背光两部分， 前者主要包括模拟和数字部分供电电压、偏置电路电 压等，后者主要指内部的一组白光LED。由于显示部分 工作在较高频率，对电磁干扰的要求较苛刻，且需提 供正负两组工作电压，故而本文设计采用电荷泵完成该 部分电压转换。对于背光照明部分，实质是驱动内部的 6只白光LED[11]，点亮LCD显示的内容。均匀的特定范 围的工作电流和正确的电源开启顺序，是背光照明部分 电源设计主要考虑的两个问题。对于第一个问题，考虑 到白光LED的正向电压与流过器件的电流及材料的特 性有关（通常在3.2~3.8 V之间），且与锂电池的电压范 围不完全吻合，本文设计将6只白光LED串联，并使用 DC/DC的电压驱动方式供电，流过每只LED的电流得 到严格匹配，保证整个LCD显示屏的亮度均匀。其次， 对于LCD屏的各组电源开启顺序，本文设计选用集成 芯片（MAX1578）集中产生所需的各组电源，而且获得 如图3所示的电源开启时序，克服把各部分电源单独分 离实现时存在体积大、功耗不易控制的不足。 　　在工作过程中，LCD在持续按键3S后方才开启，防 止误操作引起屏幕点亮，造成不必要的损耗。在持续 变化器 升/降压 效率 外围 噪声 静态电流 LDO 降 较低 较少，实现简单 最低 最低 DC/DC 升、降、逆 高 较多，有电感，体积较大 较高EMI 较低 电荷泵 升、降、逆 较高 少，实现简单 较低EMI 较高 表2 不同电压转换电路比较 Tab.2 Compare of three voltage convert circuits 图2 锂电池放电特性曲线（1600 mAh的锂电池，在不同放电电流 下，放电时间与电压之间的对应关系） Fig.2 Discharge curve (discharging time versus battery voltage in different current of 1600mAh Li-on battery) Chinese Journal of Medical Instrumentation 研 究 与 论 著 18 2009 年 33 卷 第 1 期 点亮10S之后如果没有其他操作，屏幕背光自动关闭， 进一步实现节能管理。 2 移动终端工作电源测试 　　对按照上述的思路设计的电路进行测量，各模块 都能正常工作，系统运行正常。LCD正常点亮，背光电 源可以正常开启，并且可以在LCD上看到流畅的动态 显示的心电图。心电采集数据和位置信息在监护中心 实时显示，说明GPRS发送比较通畅，GPS定位信息可 以及时更新。 　　对系统的各工作模块分别测量其电压、电流，进 一步考察该系统。依次测量各模块的电源，并对电压 情况进行了初步分析，得到如下所示的表3。各部分电 压和标称值之间的误差除LCD负偏置电压VGL外均 在1%以内，远超过各部分模块数据手册中要求的稳 定度。在我们选用的LCD的资料文档里，负偏置电压 VGL在-11~-8V之间，范围很大，正常工作也不会有任 何影响。 　　在供电电源的地端串联一个0.22欧小电阻，测量 其电压波形即可得到相应模块的工作电流。按照先前 统计的资料，最大的耗电应该发生在GPRS/GPS定位通 信双模块。因此，我们首先测量了该模块的工作电流， 其工作情况图4所示。 　　测得在GPRS发送开始后电流变化如图4所示。 GPRS发送以脉冲形式进行，每个脉冲的周期Tpulse为 5 mS，占空比10%（宽度Tpulse为0.5 mS），每个数据包中 包含12个脉冲（PulseNo），之后有10mS的（tidle）间歇， 工作模块 供电电压 /V 误差 备注 通信定位双模块 3.6~4.21 电池电压，与设定的 系统最低工作电压有关 LCD显示 模块 4.97（模拟供电电压Vdd） 0.6% 各部分电压，从示波器看，没有视觉可看的纹波，示波器自动读数 很稳定，每个背光LED上对应的电压为3.195V 3.27 （数字供电电压Vcc） 0.9% 14.88（正偏置电压VGH） 0.8% -9.84 （负偏置电压VGL） 1.6% 19.17（背光开启） 0.15% 心电采集模块 3.31（模拟部分电压） 0.3% 各部分电压，从示波器看，没有视觉可看的纹波，示波器自动读数 很稳定5.01（模拟部分正电压） 0.2%-4.99（模拟部分负电压） 0.2% 核心处理模块 1.804（处理器核心电压） 0.2% 从示波器上看处理器核心电压有较大波动，有明显小方波，（波动 幅度不超过0.1V）IO口数字电压仍然读数很稳定3.27（IO口数字部分电压） 0.9% 表3 各模块供电电压测试 Tab.3 Test of separate modules’voltage 图4 电流波形 Fig.4 Current Curve 图3 LCD 各组电源开启顺序 Fig.3 Turn-on sequence of LCD Source 所有模块同时工作 all modules in working 只有GPRS/GPS双模块工作 GPRS/GPS module working only Chinese Journal of Medical Instrumentation 研 究 与 论 著 19 2009 年 33 卷 第 1 期 为高电平。在不经压缩的情况下，每0.8S发送一次数据 （记为T，表示发送周期），用LCD和GPRS/GPS模块近 似估算电源利用率为88%。 测量随放电时间电池电压变化的情况，如图5所 示。在测量过程中，GPRS/GPS模块始终处于工作状 态，LCD在每次测量电压之前开启一次，模拟正常工 作的情况。图中虚线对应的放电电池品牌为LG，实线 为三星，从充满电压4.21 V开始测量，到监护仪GPRS/ GPS双模块不能正常工作为止，前15个小时每隔一小时 测量一次电压，15-19小时每隔30分钟测量一次，剩余 时间每格10分钟测量一次，将测量结果绘制成如图所 示的曲线。虚线最终放电电压为3.3 V，实线为3.33 V， 而在3.4 V时两电池都能工作，从3.56 V到最后停止工 作，两种电池都至少还能工作40分钟，3.6 V至少可以 工作1.5小时。因此，电量检测部分的电压分档到3.6 V 是合理的。从放电曲线也可以看到，0-18小时之间，放 电曲线都比较平滑，其中三星的电池性能更好一点，因 此采用电压间接反映电量的方法是可行的。 　　两种电池三星工作总时间为20小时，LG工作21.23 小时，都远远超过我们的预先计算的12小时。 3 结论 　　在完成系统电路设计之后，进一步的电源节能管 理成为设计的焦点，从系统上电顺序、主要耗电模块工 作模式转换和缩短该类模块工作时间等方面入手，可 以解决这个问题。 　　GPRS部分是整个系统中最耗能的部分，降低这 部分的功耗虽然可以借助于模块自身的模式转换，但 数据压缩技术是更加有效的方式。如果将3S采集到的 数据进行压缩，打包后在1S内发送完毕，那么需要发送 的数据量大大减少，模块工作时间仅为原来的1/3，该 部分的功耗将得到更有效的控制。 参考文献 [1] 杨雪，等. 家庭心电远程监护系统的应用现状及发展[J].中国组 织工程研究与临床康复，2007, 11(22): 4392-4394 [2] 郑捷文, 吴太虎, 韩昊. 基于CDMA网的GPS心电远程监护系统 的研究[J]. 北京生物医学工程，2006，25（5）: 517-519 [3] 杜芳芳等. 一种基于internet的多生理参数远程监护系统[J]. 医疗卫生装备，2005, 26（12）: 10-12 [4] Hui Wang, and Daming Wei, Performance Evaluation of Twelve- Lead Electrocardiogram Telemonitor Utilizing 3G Cellular Phone，Toshiyuki Sakamoto. 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