從家用心電儀實例闡述便攜產品電池續航提升的方法

深圳訊豐通醫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、可穿戴電子產品都因各種豐富的需求，陸續的開發出來，極大的滿足了人們的日常應用、健康監測、疾病康復的需要。但是，由于電池的容量瓶頸，和產品體積的日益小巧化，電池續航能力，已成為用戶體驗提升的重要指標。本文從家用心電儀的研發實例，以實際遇到并解決的問題，針對性的闡述電池續航能力提升的方法，供廣大電子產品研發人員在工作中參考。

1.全面節能降耗

電源管理首先就是要降低能耗，每個能省電的地方都不要放過，但我們往往都會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　降低單片機能耗

本實例中使用的是ARM7 架構、支持實時仿真的32 位單片機，最高頻率可以到60MHz。為了省電，第一，盡量讓單片機進入空閑模式。第二，在時序允許時，使用較低的時鐘頻率。第三，單片機的I/O、RTC、IIC、SPI、UART、A/D 等功能，不用時軟件中及時設置關閉，未用的部分都參照相關手冊給予低耗電設置。

1.2　降低顯示屏能耗

本實例選用3.5 寸240*160 灰度屏，是能耗大戶。降低能耗的方法有：第一，通過調節輸出占空比實現7 級背光亮度可調，出廠默認4 級，設置級別關機保存；第二，改定時刷屏為有變化時才刷屏；第三，遵循待機自動延時關閉背光和屏幕的原則。

1.3　減少flash能耗

Flash 數據讀取指令，實測V3.3 電壓跌落0.2V，單個刪除指令，跌落0.4V，整塊刪除指令，時間較長，跌落0.6V。由此，我們從兩個方面降低flash 能耗：第一，盡量減少flash 讀寫操作。改設置參數的及時讀寫為開機讀關機寫：開機時一次性讀出，開機后的參數修改都在內存中記錄，關機時一次性寫入。第二，盡量減少整塊刪除，只對需要改動的地址執行操作。

1.4　其他細節部分

解決了耗能大戶的問題后，其他細節部分也不要放過。比如：放大、按鍵檢測、RTC 和關機電路，以及A/D、導聯脫離檢測、聲音調節部分等等。放大電路耗電雖不到10mA，如果用戶只是查閱歷史數據，了解一段時間心率數據情況，這樣的操作可能有較長時間的翻閱、對比、停留，此時10mA 電流一直白白浪費，非常可惜，應關閉供電；按鍵電路雖然正常按下時間很短，但便攜產品隨身攜帶，非預期長時間壓住的情況存在，如果這時有較多的電流消耗，用戶體驗肯定是電池續航莫名其妙的變短，應盡量使用更大的上拉電阻，降低上拉電流；RTC 和關機電流已經很小，因為但是時間長，所以影響不容小視，MCU 內部RTC 耗電較多，可使用nA 級實時時鐘RX-8564CF 外擴代替，并配備紐扣電池做備份供電，即可保證時鐘掉電不停止，又讓關機時MCU 可完全斷電，最大限度降低關機電流；等等。

2.有序管理“錯峰用電”

“錯峰用電”不是直接省電，而是通過有序的管理，讓電池可以從容的、均衡的應對負載。因為高耗能器件的同時使用，常常導致電壓瞬間過多跌落，電池低壓時容易引起復位電路動作，“錯峰用電”可針對性的規避這種情況，從而延長電池使用壽命、有效提高電池續航時間、提升用戶體驗。

開關機屏幕顯示與 fl ash 參數讀寫“錯峰”。前面已經實行了設置參數的“開機讀、關機寫”，進一步，“開機讀”安排在顯示屏還沒點亮之前，“關機寫”安排在顯示屏已經關閉以后，這樣就實現了兩個主要耗能大戶的“錯峰用電”。實例中， fl ash 寫入時，也讓MCU 進入空閑模式，寫入完成，MCU 再轉入其他工作的處理。這樣子，更進一步保證 fl ash 寫入的可靠！

心電算法和測試數據存儲“錯峰”。心電算法MCU全速運行，短時間引起較大耗電；30秒心電測試完成，MCU在做完心電算法以后，延時幾十ms，等已經跌落的電壓回升，再將測試數據寫入flash，同時設置MCU 進入空閑模式。低壓時還可同時配合臨時降低2級亮度、更低電壓時可直接關閉背光。

3.人性化處理提升用戶電池續航體驗

3.1　顯示屏軟啟動

本實例在未實施電源管理優化前，舊電池頻繁發生開機“屏閃即關”現象。用多蹤示波器同步監測V3.3、V1.8、RST 腳波形，結合軟件時序，查明為顯示屏初始化時，疊加了0.4V 電壓跌落，觸發了RST 復位MCU。通過研究顯示屏供應商提供的初始化函數，修改顯示屏一次性點亮為梯度漸增的“軟啟動”，不僅實現電壓跌落改善50%，同一舊電池開機“屏閃即關”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，給開機的枯燥等待一個賞心悅目的消遣。

3.2　低電時適當降低性能延長使用時間

電池電壓低時，內阻增大，帶載能力大大降低；放電曲線變陡，電壓掉的也更快，優化前低電報警沒一會，就自動關機，用戶體驗很差。為了提高用戶體驗，可以提前低電報警，并將顯示屏亮度自動調低2 級，減少能耗，一來提醒用戶，二來用戶能有充分的時間更換電池。另外，低電報警時軟件延緩心電算法過程，從600mS 延長到960mS，電壓跌落改善35%，電池續航的用戶體驗又得到加分。

4.取得的效果

通過以上改進方案，實例的家用心電儀與市售歐姆龍的家用心電儀HCG-801 對比，電池續航性能更優。實測時，重點對比了低電壓狀態下，產品性能表現。

4.1　新電池電壓3.0V

在最高亮度待機狀態，本實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設置最高亮度開機，測試1次30秒心電波形后，算法分析時報低電壓關機。本實例家用心電儀相同設置開機，連測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 開機關背光，測試1 次30秒心電波形后，報低電壓關機；開機最高亮度，2秒鐘內報低電壓關機。本實例家用心電儀開機關背光，測試7次30秒心電波形后報低電壓關機；開機最高亮度，10秒后報低電壓關機。

5.結語

本實例取得比較滿意的電池續航體驗，除運用了一些簡單常用的省電方法外，“錯峰用電”、顯示屏軟啟動是基于對硬件供電波形的實時監測，針對關鍵點電壓瞬間跌落情況，對軟件做優化調試，解決異常關機問題。這種“軟件設計充分配合硬件特點”的方法，我們可在實際產品開發中多下功夫。開機“屏閃即關”問題，正如一個手動擋汽車的駕駛新手，對離合、聯動情況不熟悉，或者訓練還不夠，起步常常熄火，只有下足了功夫，熟練了汽車油離配合，才能自信的平穩起步！另外，具體產品還應該針對使用的堿性電池、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、老化效應和安全因素，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，以給用戶更好的續航體驗。

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