胰岛素泵双机休眠策略

夏 添 周浚哲

沈阳理工大学研究生学院 110159

引言

胰岛素泵又称持续皮下胰岛素输注（CSII），是近几十年来临床上模拟人体生理胰岛素分泌的一种胰岛素输注系统，是糖尿病治疗中一种安全有效的选择。[1]

胰岛素泵的研制已经有50余年的历史，它是一种治疗糖尿病的高科技微型化电子产品，具有微量输注、血糖控制稳定、可靠性高等优点。随着信息技术的迅速发展、电子产品的数字化和智能化的迅速提升以及电机产业的发展，各种IC芯片不断更新换代，胰岛素泵的体积越来越微型化，性能越来越优，可靠性和稳定性越来越好。但随之而来的功耗问题越来越凸显。本文主要介绍胰岛素泵的一种低功耗策略—双机休眠策略显。

1 胰岛素泵的功能

胰岛素泵，作为每日多次注射胰岛素的代替产品，具有很好的预测性和减少严重低血糖的危险性。这也注定了它的功能十分的强大，具体功能如下：

（1）本胰岛素泵可以每天连续24小时输注胰岛素，每4分钟启动一次胰岛素基础输注，输注方式接近人体的胰岛素分泌，并且能够生成基础率输注曲线；

（2）在输注方式上采用半自动调节，即用户设置好不同时间段的基础量，使其自动输入，而每日餐前量或运动后根据具体时间进行餐前量和运动后剂量的临时设置；

（3）本泵提供四种输注模式：基础量、临时基础率、大剂量和临时大剂量；

（4）全中文液晶显示和菜单管理；

（5）带有多种安全装置，即使在最严重或极不寻常的情况下也能确保输注安全；

（6）实时时间显示，便于患者操作；

（7）设有报警提示；

（8）设有历史信息的记录和读取；

（9）低功耗、便于携带、操作简单方便。

总的来说，胰岛素泵较符合生理状态、安全、可靠、方便、灵活，这些优越的性能可有效地将血糖控制到接近正常水平，有效的延缓或者组织糖尿病并发症的发生和发展。胰岛素泵一经临床应用，受到越来越多医护人员和糖尿病患者的偏爱，迅速成为糖尿病治疗的未来趋势。

2 胰岛素泵的组成

本产品是采用以PIC单片机作为电子板的控制核心，配以相应的外围模块共同构成电子信息板。根据其功能的要求，它的硬件组成电路包括9个功能模块，分别是中央处理模块、电源模块、电机驱动模块、检测模块、时钟模块、外部存储器模块、报警模块、显示模块和键控模块，其中，中央处理模块是该产品的控制核心。其硬件结构示意图如图1所示：

图1 胰岛素泵硬件结构示意图

本胰岛素泵的中央处理模块是由美国微芯公司（Microchip Technology Inc.）生产的PIC18LF6720（单片机1）和PIC16F883（单片机2）两种类型的单片机构成，二者采用通用同步/异步收发器USART模块，设置为全双工异通信方式。由上图可知，单片机主要与显示模块、键控模块、报警模块、外部存储器和时钟模块相连；单片机2主要与检测模块和电机驱动模块相连；电源模块同时为这两款打片机供电。

3 胰岛素泵双机休眠策略

对于像胰岛素泵这样的便携式产品来说，功耗问题已经被提到与面积和速度同等重要的地位，功耗大可以直接导致诸多问题。这里重点介绍一种胰岛素泵的低功耗设计策略—双机休眠策略。

由胰岛素泵的功能特点，可以知道，该产品的电机不应该连续工作，而应该断续工作。因为胰岛素泵是一种完全模拟人体胰岛分泌胰岛素的电子产品，人体大约每4分钟分泌一次胰岛素（这里称作基础率），这也就必然导致电机每4分钟启动一次，然后制动，再启动，如此往复。所以让胰岛素泵处于双休眠的状态下是非常节省功耗的，也是非常必要的。

基本思想：系统的低功耗实现，不仅仅是由硬件的设计来完成的，而是需要通过软硬件联合来完成的。在软件的控制下，硬件能响应软件发出的各种功耗指令而管理硬件，系统的部分乃至整个系统处于工作、休眠或关机等状态，从而达到降低功耗的目的[2]。对于胰岛素泵来说，基础率的输注是每4分钟一次，大剂量的输注是1天3～4次左右，并且两种输注方式的输注时间非常短。这时，只要在满足胰岛素泵可以正常工作的前提下，对于处于“空闲”状态下的电路模块或电路单元及时关闭，并对电路的各个路径进行补偿，如相位的分配，管脚的交换等来进一步降低功耗，当被需要时，处于“空闲”状态下的部分可以立即退出休眠。这样一来，就可以达到降低功耗的目的。

具体策略如下：（1号板指PIC18LF6720，2号板指PIC16F883）

1号板控制时钟芯片，进行日期和分钟显示。同时时钟每小时产生一次方波，1号板产生中断退出休眠确定现在是小时整点。这时候把当前一小时基础量传输给2号板。当有按键的时候1号板退出休眠。由于2号板待机时休眠，1号板向2号板通讯时，首先给2号板一个方波，2号板产生中断退出休眠，接收1号板的指令，然后如果没有工作指令的时候再次进入休眠。

2号板在待机情况下进入休眠，时钟芯片每秒钟产生一次方波，2号板产生中断退出休眠，当没有电机工作时再次进入休眠，当电机工作时不进入休眠。当2号板工作时由于这时候1号板在没有按键的时候进入休眠状态，2号板向1号板通讯时，首先产生一个方波，1号板这时候退出休眠产生中断，接收2号板的指令，然后接着进入休眠。无按键时，1、2号板进入休眠，当有按键时同时退出休眠。

把可调电源TXN-1502D调到1.5V，电流表C655连接在电源负极与板子负极之间。本实验没有加压力负载。具体测量的数据如表1所示：

表1 胰岛素泵双机休眠测量数据

由以上数据可知，在电机不工作的情况下，当1号板、2号板、3号板都工作时，总电流达到14mA，而当1号板、2号板、3号板都处于休眠状态时，总电流只有3mA，可以节省11mA的电流；当1号板、3号板工作，2号板休眠时，总电流为5.2mA，可以节省8.6mA的电流，如果这时有按键按下时，总电流达到约5.4mA，可以节省8.4mA的电流。在电机在无压力负载下工作时，单板工作的总电流为40mA，而双板工作的总电流为48mA，这时可以节省8mA的电流。

由上表双机休眠测量的数据，可以得到结论：睡眠模式是一种可以用来降低功耗的可选方式。整个系统的动作处于被监控的状态，如果系统或者电路在某段预设的时间段内处于空闲状态，那么在满足胰岛素泵正常工作的前提下，整个系统或者电路将自动关闭。但是其输入端还是处于相应状态，一旦有任何输入信号被处发，整个系统或者电路将重新激活，回到正常的工作状态，这样可以降低相应的功耗。由于胰岛素泵是一种需处于睡眠状态时间很长的器件，所以这种模式非常的适合于胰岛素泵。

3 结语

随着现代科技技术的发展，对于这种便携式的电子产品来说，人们不仅要求器件的稳定性和高精度，而且已慢慢把目光转向产品的功耗，系统的规划及一些细节问题的掌控将直接影响系统的最终功耗，而睡眠模式是一种可以有效降低功耗的可选方式。在日益激烈的市场竞争中，如果我们能够注意并做到这一点，那么我们的产品奖更具有竞争力[3]。

[1]易卫军.胰岛素泵的研制和进展.医疗卫生装备，2004.（7）：29—31.

[2]郭铭铭.低功耗CMOS集成电路设计方法的研究.合肥工业大学硕士学位论文，2007（12）：7

[3]徐芝兰，杨莲兴.CMOS集成电路低功耗设计方法.微电子学，2004（6）：226