從家用心電儀實(shí)例闡述便攜產(chǎn)品電池續(xù)航提升的方法

深圳訊豐通醫(yī)療股份有限公司研究院　廖中華

隨著人們生活水平的提高，各種便攜、手持、可穿戴電子產(chǎn)品都因各種豐富的需求，陸續(xù)的開發(fā)出來，極大的滿足了人們的日常應(yīng)用、健康監(jiān)測(cè)、疾病康復(fù)的需要。但是，由于電池的容量瓶頸，和產(chǎn)品體積的日益小巧化，電池續(xù)航能力，已成為用戶體驗(yàn)提升的重要指標(biāo)。本文從家用心電儀的研發(fā)實(shí)例，以實(shí)際遇到并解決的問題，針對(duì)性的闡述電池續(xù)航能力提升的方法，供廣大電子產(chǎn)品研發(fā)人員在工作中參考。

1.全面節(jié)能降耗

電源管理首先就是要降低能耗，每個(gè)能省電的地方都不要放過，但我們往往都會(huì)從主要耗能器件著手，畢竟這里是最容易取得成果的部分。

1.1　降低單片機(jī)能耗

本實(shí)例中使用的是ARM7 架構(gòu)、支持實(shí)時(shí)仿真的32 位單片機(jī)，最高頻率可以到60MHz。為了省電，第一，盡量讓單片機(jī)進(jìn)入空閑模式。第二，在時(shí)序允許時(shí)，使用較低的時(shí)鐘頻率。第三，單片機(jī)的I/O、RTC、IIC、SPI、UART、A/D 等功能，不用時(shí)軟件中及時(shí)設(shè)置關(guān)閉，未用的部分都參照相關(guān)手冊(cè)給予低耗電設(shè)置。

1.2　降低顯示屏能耗

本實(shí)例選用3.5 寸240*160 灰度屏，是能耗大戶。降低能耗的方法有：第一，通過調(diào)節(jié)輸出占空比實(shí)現(xiàn)7 級(jí)背光亮度可調(diào)，出廠默認(rèn)4 級(jí)，設(shè)置級(jí)別關(guān)機(jī)保存；第二，改定時(shí)刷屏為有變化時(shí)才刷屏；第三，遵循待機(jī)自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉背光和屏幕的原則。

1.3　減少flash能耗

Flash 數(shù)據(jù)讀取指令，實(shí)測(cè)V3.3 電壓跌落0.2V，單個(gè)刪除指令，跌落0.4V，整塊刪除指令，時(shí)間較長(zhǎng)，跌落0.6V。由此，我們從兩個(gè)方面降低flash 能耗：第一，盡量減少flash 讀寫操作。改設(shè)置參數(shù)的及時(shí)讀寫為開機(jī)讀關(guān)機(jī)寫：開機(jī)時(shí)一次性讀出，開機(jī)后的參數(shù)修改都在內(nèi)存中記錄，關(guān)機(jī)時(shí)一次性寫入。第二，盡量減少整塊刪除，只對(duì)需要改動(dòng)的地址執(zhí)行操作。

1.4　其他細(xì)節(jié)部分

解決了耗能大戶的問題后，其他細(xì)節(jié)部分也不要放過。比如：放大、按鍵檢測(cè)、RTC 和關(guān)機(jī)電路，以及A/D、導(dǎo)聯(lián)脫離檢測(cè)、聲音調(diào)節(jié)部分等等。放大電路耗電雖不到10mA，如果用戶只是查閱歷史數(shù)據(jù)，了解一段時(shí)間心率數(shù)據(jù)情況，這樣的操作可能有較長(zhǎng)時(shí)間的翻閱、對(duì)比、停留，此時(shí)10mA 電流一直白白浪費(fèi)，非?？上В瑧?yīng)關(guān)閉供電；按鍵電路雖然正常按下時(shí)間很短，但便攜產(chǎn)品隨身攜帶，非預(yù)期長(zhǎng)時(shí)間壓住的情況存在，如果這時(shí)有較多的電流消耗，用戶體驗(yàn)肯定是電池續(xù)航莫名其妙的變短，應(yīng)盡量使用更大的上拉電阻，降低上拉電流；RTC 和關(guān)機(jī)電流已經(jīng)很小，因?yàn)榈菚r(shí)間長(zhǎng)，所以影響不容小視，MCU 內(nèi)部RTC 耗電較多，可使用nA 級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RX-8564CF 外擴(kuò)代替，并配備紐扣電池做備份供電，即可保證時(shí)鐘掉電不停止，又讓關(guān)機(jī)時(shí)MCU 可完全斷電，最大限度降低關(guān)機(jī)電流；等等。

2.有序管理“錯(cuò)峰用電”

“錯(cuò)峰用電”不是直接省電，而是通過有序的管理，讓電池可以從容的、均衡的應(yīng)對(duì)負(fù)載。因?yàn)楦吆哪芷骷耐瑫r(shí)使用，常常導(dǎo)致電壓瞬間過多跌落，電池低壓時(shí)容易引起復(fù)位電路動(dòng)作，“錯(cuò)峰用電”可針對(duì)性的規(guī)避這種情況，從而延長(zhǎng)電池使用壽命、有效提高電池續(xù)航時(shí)間、提升用戶體驗(yàn)。

開關(guān)機(jī)屏幕顯示與 fl ash 參數(shù)讀寫“錯(cuò)峰”。前面已經(jīng)實(shí)行了設(shè)置參數(shù)的“開機(jī)讀、關(guān)機(jī)寫”，進(jìn)一步，“開機(jī)讀”安排在顯示屏還沒點(diǎn)亮之前，“關(guān)機(jī)寫”安排在顯示屏已經(jīng)關(guān)閉以后，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主要耗能大戶的“錯(cuò)峰用電”。實(shí)例中， fl ash 寫入時(shí)，也讓MCU 進(jìn)入空閑模式，寫入完成，MCU 再轉(zhuǎn)入其他工作的處理。這樣子，更進(jìn)一步保證 fl ash 寫入的可靠！

心電算法和測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)“錯(cuò)峰”。心電算法MCU全速運(yùn)行，短時(shí)間引起較大耗電；30秒心電測(cè)試完成，MCU在做完心電算法以后，延時(shí)幾十ms，等已經(jīng)跌落的電壓回升，再將測(cè)試數(shù)據(jù)寫入flash，同時(shí)設(shè)置MCU 進(jìn)入空閑模式。低壓時(shí)還可同時(shí)配合臨時(shí)降低2級(jí)亮度、更低電壓時(shí)可直接關(guān)閉背光。

3.人性化處理提升用戶電池續(xù)航體驗(yàn)

3.1　顯示屏軟啟動(dòng)

本實(shí)例在未實(shí)施電源管理優(yōu)化前，舊電池頻繁發(fā)生開機(jī)“屏閃即關(guān)”現(xiàn)象。用多蹤示波器同步監(jiān)測(cè)V3.3、V1.8、RST 腳波形，結(jié)合軟件時(shí)序，查明為顯示屏初始化時(shí)，疊加了0.4V 電壓跌落，觸發(fā)了RST 復(fù)位MCU。通過研究顯示屏供應(yīng)商提供的初始化函數(shù)，修改顯示屏一次性點(diǎn)亮為梯度漸增的“軟啟動(dòng)”，不僅實(shí)現(xiàn)電壓跌落改善50%，同一舊電池開機(jī)“屏閃即關(guān)”問題消失，而且視覺效果更好，讓人有一種早晨太陽“冉冉升起”的過程享受，給開機(jī)的枯燥等待一個(gè)賞心悅目的消遣。

3.2　低電時(shí)適當(dāng)降低性能延長(zhǎng)使用時(shí)間

電池電壓低時(shí)，內(nèi)阻增大，帶載能力大大降低；放電曲線變陡，電壓掉的也更快，優(yōu)化前低電報(bào)警沒一會(huì)，就自動(dòng)關(guān)機(jī)，用戶體驗(yàn)很差。為了提高用戶體驗(yàn)，可以提前低電報(bào)警，并將顯示屏亮度自動(dòng)調(diào)低2 級(jí)，減少能耗，一來提醒用戶，二來用戶能有充分的時(shí)間更換電池。另外，低電報(bào)警時(shí)軟件延緩心電算法過程，從600mS 延長(zhǎng)到960mS，電壓跌落改善35%，電池續(xù)航的用戶體驗(yàn)又得到加分。

4.取得的效果

通過以上改進(jìn)方案，實(shí)例的家用心電儀與市售歐姆龍的家用心電儀HCG-801 對(duì)比，電池續(xù)航性能更優(yōu)。實(shí)測(cè)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)比了低電壓狀態(tài)下，產(chǎn)品性能表現(xiàn)。

4.1　新電池電壓3.0V

在最高亮度待機(jī)狀態(tài)，本實(shí)例家用心電儀比歐姆龍的HCG-801省電13mA。

4.2　舊電池電壓2.6V

歐姆龍的HCG-801設(shè)置最高亮度開機(jī)，測(cè)試1次30秒心電波形后，算法分析時(shí)報(bào)低電壓關(guān)機(jī)。本實(shí)例家用心電儀相同設(shè)置開機(jī)，連測(cè)5次30 秒心電波形，仍工作正常。

4.3　低電壓電池2.4V

歐姆龍的HCG-801 開機(jī)關(guān)背光，測(cè)試1 次30秒心電波形后，報(bào)低電壓關(guān)機(jī)；開機(jī)最高亮度，2秒鐘內(nèi)報(bào)低電壓關(guān)機(jī)。本實(shí)例家用心電儀開機(jī)關(guān)背光，測(cè)試7次30秒心電波形后報(bào)低電壓關(guān)機(jī)；開機(jī)最高亮度，10秒后報(bào)低電壓關(guān)機(jī)。

5.結(jié)語

本實(shí)例取得比較滿意的電池續(xù)航體驗(yàn)，除運(yùn)用了一些簡(jiǎn)單常用的省電方法外，“錯(cuò)峰用電”、顯示屏軟啟動(dòng)是基于對(duì)硬件供電波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)電壓瞬間跌落情況，對(duì)軟件做優(yōu)化調(diào)試，解決異常關(guān)機(jī)問題。這種“軟件設(shè)計(jì)充分配合硬件特點(diǎn)”的方法，我們可在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中多下功夫。開機(jī)“屏閃即關(guān)”問題，正如一個(gè)手動(dòng)擋汽車的駕駛新手，對(duì)離合、聯(lián)動(dòng)情況不熟悉，或者訓(xùn)練還不夠，起步常常熄火，只有下足了功夫，熟練了汽車油離配合，才能自信的平穩(wěn)起步！另外，具體產(chǎn)品還應(yīng)該針對(duì)使用的堿性電池、碳性電池、充電電池不同的放電曲線，以及考慮充電電池的容量、使用次數(shù)、老化效應(yīng)和安全因素，智能判斷、給出不同的電源管理方案，從而更大的挖掘電池的壽命，以給用戶更好的續(xù)航體驗(yàn)。

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