从家用心电仪实例阐述便携产品电池续航提升的方法

深圳讯丰通医疗股份有限公司研究院　廖中华

随着人们生活水平的提高，各种便携、手持、可穿戴电子产品都因各种丰富的需求，陆续的开发出来，极大的满足了人们的日常应用、健康监测、疾病康复的需要。但是，由于电池的容量瓶颈，和产品体积的日益小巧化，电池续航能力，已成为用户体验提升的重要指标。本文从家用心电仪的研发实例，以实际遇到并解决的问题，针对性的阐述电池续航能力提升的方法，供广大电子产品研发人员在工作中参考。

1.全面节能降耗

电源管理首先就是要降低能耗，每个能省电的地方都不要放过，但我们往往都会从主要耗能器件着手，毕竟这里是最容易取得成果的部分。

1.1　降低单片机能耗

本实例中使用的是ARM7 架构、支持实时仿真的32 位单片机，最高频率可以到60MHz。为了省电，第一，尽量让单片机进入空闲模式。第二，在时序允许时，使用较低的时钟频率。第三，单片机的I/O、RTC、IIC、SPI、UART、A/D 等功能，不用时软件中及时设置关闭，未用的部分都参照相关手册给予低耗电设置。

1.2　降低显示屏能耗

本实例选用3.5 寸240*160 灰度屏，是能耗大户。降低能耗的方法有：第一，通过调节输出占空比实现7 级背光亮度可调，出厂默认4 级，设置级别关机保存；第二，改定时刷屏为有变化时才刷屏；第三，遵循待机自动延时关闭背光和屏幕的原则。

1.3　减少flash能耗

Flash 数据读取指令，实测V3.3 电压跌落0.2V，单个删除指令，跌落0.4V，整块删除指令，时间较长，跌落0.6V。由此，我们从两个方面降低flash 能耗：第一，尽量减少flash 读写操作。改设置参数的及时读写为开机读关机写：开机时一次性读出，开机后的参数修改都在内存中记录，关机时一次性写入。第二，尽量减少整块删除，只对需要改动的地址执行操作。

1.4　其他细节部分

解决了耗能大户的问题后，其他细节部分也不要放过。比如：放大、按键检测、RTC 和关机电路，以及A/D、导联脱离检测、声音调节部分等等。放大电路耗电虽不到10mA，如果用户只是查阅历史数据，了解一段时间心率数据情况，这样的操作可能有较长时间的翻阅、对比、停留，此时10mA 电流一直白白浪费，非常可惜，应关闭供电；按键电路虽然正常按下时间很短，但便携产品随身携带，非预期长时间压住的情况存在，如果这时有较多的电流消耗，用户体验肯定是电池续航莫名其妙的变短，应尽量使用更大的上拉电阻，降低上拉电流；RTC 和关机电流已经很小，因为但是时间长，所以影响不容小视，MCU 内部RTC 耗电较多，可使用nA 级实时时钟RX-8564CF 外扩代替，并配备纽扣电池做备份供电，即可保证时钟掉电不停止，又让关机时MCU 可完全断电，最大限度降低关机电流；等等。

2.有序管理“错峰用电”

“错峰用电”不是直接省电，而是通过有序的管理，让电池可以从容的、均衡的应对负载。因为高耗能器件的同时使用，常常导致电压瞬间过多跌落，电池低压时容易引起复位电路动作，“错峰用电”可针对性的规避这种情况，从而延长电池使用寿命、有效提高电池续航时间、提升用户体验。

开关机屏幕显示与 fl ash 参数读写“错峰”。前面已经实行了设置参数的“开机读、关机写”，进一步，“开机读”安排在显示屏还没点亮之前，“关机写”安排在显示屏已经关闭以后，这样就实现了两个主要耗能大户的“错峰用电”。实例中， fl ash 写入时，也让MCU 进入空闲模式，写入完成，MCU 再转入其他工作的处理。这样子，更进一步保证 fl ash 写入的可靠！

心电算法和测试数据存储“错峰”。心电算法MCU全速运行，短时间引起较大耗电；30秒心电测试完成，MCU在做完心电算法以后，延时几十ms，等已经跌落的电压回升，再将测试数据写入flash，同时设置MCU 进入空闲模式。低压时还可同时配合临时降低2级亮度、更低电压时可直接关闭背光。

3.人性化处理提升用户电池续航体验

3.1　显示屏软启动

本实例在未实施电源管理优化前，旧电池频繁发生开机“屏闪即关”现象。用多踪示波器同步监测V3.3、V1.8、RST 脚波形，结合软件时序，查明为显示屏初始化时，叠加了0.4V 电压跌落，触发了RST 复位MCU。通过研究显示屏供应商提供的初始化函数，修改显示屏一次性点亮为梯度渐增的“软启动”，不仅实现电压跌落改善50%，同一旧电池开机“屏闪即关”问题消失，而且视觉效果更好，让人有一种早晨太阳“冉冉升起”的过程享受，给开机的枯燥等待一个赏心悦目的消遣。

3.2　低电时适当降低性能延长使用时间

电池电压低时，内阻增大，带载能力大大降低；放电曲线变陡，电压掉的也更快，优化前低电报警没一会，就自动关机，用户体验很差。为了提高用户体验，可以提前低电报警，并将显示屏亮度自动调低2 级，减少能耗，一来提醒用户，二来用户能有充分的时间更换电池。另外，低电报警时软件延缓心电算法过程，从600mS 延长到960mS，电压跌落改善35%，电池续航的用户体验又得到加分。

4.取得的效果

通过以上改进方案，实例的家用心电仪与市售欧姆龙的家用心电仪HCG-801 对比，电池续航性能更优。实测时，重点对比了低电压状态下，产品性能表现。

4.1　新电池电压3.0V

在最高亮度待机状态，本实例家用心电仪比欧姆龙的HCG-801省电13mA。

4.2　旧电池电压2.6V

欧姆龙的HCG-801设置最高亮度开机，测试1次30秒心电波形后，算法分析时报低电压关机。本实例家用心电仪相同设置开机，连测5次30 秒心电波形，仍工作正常。

4.3　低电压电池2.4V

欧姆龙的HCG-801 开机关背光，测试1 次30秒心电波形后，报低电压关机；开机最高亮度，2秒钟内报低电压关机。本实例家用心电仪开机关背光，测试7次30秒心电波形后报低电压关机；开机最高亮度，10秒后报低电压关机。

5.结语

本实例取得比较满意的电池续航体验，除运用了一些简单常用的省电方法外，“错峰用电”、显示屏软启动是基于对硬件供电波形的实时监测，针对关键点电压瞬间跌落情况，对软件做优化调试，解决异常关机问题。这种“软件设计充分配合硬件特点”的方法，我们可在实际产品开发中多下功夫。开机“屏闪即关”问题，正如一个手动挡汽车的驾驶新手，对离合、联动情况不熟悉，或者训练还不够，起步常常熄火，只有下足了功夫，熟练了汽车油离配合，才能自信的平稳起步！另外，具体产品还应该针对使用的碱性电池、碳性电池、充电电池不同的放电曲线，以及考虑充电电池的容量、使用次数、老化效应和安全因素，智能判断、给出不同的电源管理方案，从而更大的挖掘电池的寿命，以给用户更好的续航体验。

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