如何设计一款低功耗无线智能温度计

2019年06月26日 作者:Teardown

对于医疗服务提供者和患者而言,监测患者体温是必要的,但这种做法会造成干扰。无线温度计能够在临床环境和家中,以非侵入方式定期测量体温,这种功能会深受医疗服务提供者和患者的欢迎。然而,对于开发人员来说,相应的解决方案往往无法满足对高精度以及长时间低功耗无线操作的需求,因而难以确保满意的用户体验。

本文将介绍临床级温度计的关键要求,并说明开发人员如何结合使用 Texas Instruments 的高精度数字温度传感器与无线微控制器,来满足这些似乎完全矛盾的要求。

临床级温度计要求

在医疗保健领域,体温与心率、血压和呼吸频率一起并列为四大主要生命体征。体温除了可用来辨别感冒或流感等疾病以外,也是一种重要的临床指标。体温的微小变化,可以是判断患者对用药或输血等治疗有不良反应的最早指征。因此,若要确保持续护理以及在出现并发症时发出需要干预的信号,精确的体温测量必不可少。

体温微小变化的意义非常重要,因此临床级温度计必须满足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 标准中规定的精度和校准要求。ASTM E1112 标准由 ASTM International(前身为美国检测与材料协会)制定,要求用于临床应用的温度计必须满足以下各温度范围的最大误差率要求:

  • 在 37.0˚C 至 39.0°C 温度范围内(通常表明轻微至中度发热),最大误差为 ±0.1°C
  • 在 35.8˚C 至 36.9°C 温度范围内(在某些个体中可能表明体温过低),最大误差为 ±0.2°C
  • 在 39.1˚C 至 41.0°C 温度范围内(表明更严重的身体状况,包括高烧或体温过高),最大误差为 ±0.2°C
  • 在体温低于 35.8°C 或高于 41.0°C 时,最大误差为 ±0.3°C

尽管临床级体温监测在临床上非常重要,但它过去依赖昂贵的床边监护仪来提供所需的精度级别。为持续监测体温,医疗服务提供者不得不给患者接上电缆,而在某些环境(如新生儿病房)中,这样做至少是不方便的,甚至是不可能的。无线温度监测可以是一种有效的替代方案,但开发人员一直很难创建能够同时满足诸多要求的无线设计。除了要满足临床级精度和低功耗电池工作的基本要求外,此类无线监测器的设计还必须确保患者的舒适度,在持续几小时甚至几天的工作期间始终不会对患者造成干扰,并且确保电池寿命可保证长时间的可靠工作。对于可满足这些要求的设计,Texas Instruments 的 TMP117MAIDRVT 温度传感器可用作关键的支持组件。

临床级温度传感器

TMP117MAIDRVT(下文简称 TMP117)将模拟温度传感子系统与 I2C 串行接口、EEPROM 和控制逻辑组合在一起,还具有可编程的警报功能,能够在温度超出指定范围时发出信号。在该温度传感子系统中,传感器调节电路将双极结型晶体管 (BJT) 硅带隙温度传感器的输出,提供给 16 位片上模数转换器 (ADC)(图 1)。

TMP117 专为支持临床应用而设计,能够完全满足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 标准对临床用电子温度计的要求。该器件不仅可在 37.0°C 至 39.0°C 范围内满足 ±0.1°C 最大误差要求,而且能在 -20°C 至 50°C 范围内实现该精度水平,而无需任何校准。TMP117 在建议的 -55°C 至 150°C 整个工作范围内具有出色的精度性能,因此甚至可以充当 AA 类电阻温度检测器 (RTD) 的替代品(图 2)。

TMP117 采用 2 mm x 2 mm 尺寸的 6 引脚封装,工作电压为 1.8 至 5.5 伏,平均电流消耗只需 3.5 微安 (µA)(转换速率为 1 赫兹 (Hz)),而在关断模式下只需 150 纳安 (nA)。此外,开发人员可以使用该器件的单次转换功能,最大限度地延长 TMP117 处于超低功耗关断模式的时间。

单次模式可使器件在活动转换阶段后立即进入关断模式。相比之下,该器件默认的连续转换模式可使其在一段可编程时间内,在 1.25 μA 待机模式下保持活动状态。在单次模式下,每次温度测量都涉及一个活动转换阶段,大约持续 15.5 毫秒 (ms),共消耗约 135 μA 电流。

这两种模式使开发人员能够通过牺牲功耗换取更高的转换速率,而平均模式让他们能够通过牺牲功耗换取更高的噪声抗扰度。在平均模式下,该器件会自动执行 8 次连续的转换,生成平均结果。使用这种模式时,器件能够在转换后的数字结果中实现最低有效位 (LSB) 为 ±1 的可重复性,而在非平均模式下 LSB 为 ±3。

设计挑战

借助单次模式和平均模式等集成功能,TMP117 可在 2 mm x 2 mm WSON(小型超薄无铅)封装中提供完整的数字温度测量传感器,并且仅采用 6 个引脚: V+ 电源、接地、串行数据、串行时钟、串行总线地址选择和警报功能。因此,硬件接口设计所需的工作量不会超过任何典型 I2C 串行器件所需的工作量。然而在实践中,相对而言,这种或任何其他高精度温度传感器的设计挑战,更多存在于为热管理而优化的物理布局设计中,而不是硬件接口的设计中。

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