對于醫(yī)療服務(wù)提供者和患者而言，監(jiān)測患者體溫是必要的，但這種做法會造成干擾。無線溫度計(jì)能夠在臨床環(huán)境和家中，以非侵入方式定期測量體溫，這種功能會深受醫(yī)療服務(wù)提供者和患者的歡迎。然而，對于開發(fā)人員來說，相應(yīng)的解決方案往往無法滿足對高精度以及長時(shí)間低功耗無線操作的需求，因而難以確保滿意的用戶體驗(yàn)。

本文將介紹臨床級溫度計(jì)的關(guān)鍵要求，并說明開發(fā)人員如何結(jié)合使用Texas Instruments的高精度數(shù)字溫度傳感器與無線微控制器，來滿足這些似乎完全矛盾的要求。

臨床級溫度計(jì)要求

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，體溫與心率、血壓和呼吸頻率一起并列為四大主要生命體征。體溫除了可用來辨別感冒或流感等疾病以外，也是一種重要的臨床指標(biāo)。體溫的微小變化，可以是判斷患者對用藥或輸血等治療有不良反應(yīng)的最早指征。因此，若要確保持續(xù)護(hù)理以及在出現(xiàn)并發(fā)癥時(shí)發(fā)出需要干預(yù)的信號，精確的體溫測量必不可少。

體溫微小變化的意義非常重要，因此臨床級溫度計(jì)必須滿足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的精度和校準(zhǔn)要求。ASTM E1112 標(biāo)準(zhǔn)由 ASTM International（前身為美國檢測與材料協(xié)會）制定，要求用于臨床應(yīng)用的溫度計(jì)必須滿足以下各溫度范圍的最大誤差率要求：

• 在 37.0?C 至 39.0°C 溫度范圍內(nèi)（通常表明輕微至中度發(fā)熱），最大誤差為 ±0.1°C
• 在 35.8?C 至 36.9°C 溫度范圍內(nèi)（在某些個(gè)體中可能表明體溫過低），最大誤差為 ±0.2°C
• 在 39.1?C 至 41.0°C 溫度范圍內(nèi)（表明更嚴(yán)重的身體狀況，包括高燒或體溫過高），最大誤差為 ±0.2°C
• 在體溫低于 35.8°C 或高于 41.0°C 時(shí)，最大誤差為 ±0.3°C

盡管臨床級體溫監(jiān)測在臨床上非常重要，但它過去依賴昂貴的床邊監(jiān)護(hù)儀來提供所需的精度級別。為持續(xù)監(jiān)測體溫，醫(yī)療服務(wù)提供者不得不給患者接上電纜，而在某些環(huán)境（如新生兒病房）中，這樣做至少是不方便的，甚至是不可能的。無線溫度監(jiān)測可以是一種有效的替代方案，但開發(fā)人員一直很難創(chuàng)建能夠同時(shí)滿足諸多要求的無線設(shè)計(jì)。除了要滿足臨床級精度和低功耗電池工作的基本要求外，此類無線監(jiān)測器的設(shè)計(jì)還必須確保患者的舒適度，在持續(xù)幾小時(shí)甚至幾天的工作期間始終不會對患者造成干擾，并且確保電池壽命可保證長時(shí)間的可靠工作。對于可滿足這些要求的設(shè)計(jì)，Texas Instruments 的TMP117MAIDRVT溫度傳感器可用作關(guān)鍵的支持組件。

臨床級溫度傳感器

TMP117MAIDRVT（下文簡稱 TMP117）將模擬溫度傳感子系統(tǒng)與 I2C 串行接口、EEPROM 和控制邏輯組合在一起，還具有可編程的警報(bào)功能，能夠在溫度超出指定范圍時(shí)發(fā)出信號。在該溫度傳感子系統(tǒng)中，傳感器調(diào)節(jié)電路將雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 硅帶隙溫度傳感器的輸出，提供給 16 位片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（圖 1）。

圖 1：Texas Instruments 的 TMP117 集成了所需的全部模擬和數(shù)字元器件，能夠以最低功耗提供高精度溫度測量功能。（圖片來源：Texas Instruments）

TMP117 專為支持臨床應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能夠完全滿足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 標(biāo)準(zhǔn)對臨床用電子溫度計(jì)的要求。該器件不僅可在 37.0°C 至 39.0°C 范圍內(nèi)滿足 ±0.1°C 最大誤差要求，而且能在 -20°C 至 50°C 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)該精度水平，而無需任何校準(zhǔn)。TMP117 在建議的 -55°C 至 150°C 整個(gè)工作范圍內(nèi)具有出色的精度性能，因此甚至可以充當(dāng) AA 類電阻溫度檢測器 (RTD) 的替代品（圖 2）。

圖 2：Texas Instruments 的 TMP117 數(shù)字溫度傳感器設(shè)計(jì)符合臨床級電子溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在其工作溫度范圍內(nèi)的精度超出了 AA 級 RTD 的精度。（圖片來源：Texas Instruments）

TMP117 采用 2 mm x 2 mm 尺寸的 6 引腳封裝，工作電壓為 1.8 至 5.5 伏，平均電流消耗只需 3.5 微安 (μA)（轉(zhuǎn)換速率為 1 赫茲 (Hz)），而在關(guān)斷模式下只需 150 納安 (nA)。此外，開發(fā)人員可以使用該器件的單次轉(zhuǎn)換功能，最大限度地延長 TMP117 處于超低功耗關(guān)斷模式的時(shí)間。

單次模式可使器件在活動轉(zhuǎn)換階段后立即進(jìn)入關(guān)斷模式。相比之下，該器件默認(rèn)的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式可使其在一段可編程時(shí)間內(nèi)，在 1.25 μA 待機(jī)模式下保持活動狀態(tài)。在單次模式下，每次溫度測量都涉及一個(gè)活動轉(zhuǎn)換階段，大約持續(xù) 15.5 毫秒 (ms)，共消耗約 135 μA 電流。

這兩種模式使開發(fā)人員能夠通過犧牲功耗換取更高的轉(zhuǎn)換速率，而平均模式讓他們能夠通過犧牲功耗換取更高的噪聲抗擾度。在平均模式下，該器件會自動執(zhí)行 8 次連續(xù)的轉(zhuǎn)換，生成平均結(jié)果。使用這種模式時(shí)，器件能夠在轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果中實(shí)現(xiàn)最低有效位 (LSB) 為 ±1 的可重復(fù)性，而在非平均模式下 LSB 為 ±3。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

借助單次模式和平均模式等集成功能，TMP117 可在 2 mm x 2 mm WSON（小型超薄無鉛）封裝中提供完整的數(shù)字溫度測量傳感器，并且僅采用 6 個(gè)引腳： V+ 電源、接地、串行數(shù)據(jù)、串行時(shí)鐘、串行總線地址選擇和警報(bào)功能。因此，硬件接口設(shè)計(jì)所需的工作量不會超過任何典型 I2C 串行器件所需的工作量。然而在實(shí)踐中，相對而言，這種或任何其他高精度溫度傳感器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，更多存在于為熱管理而優(yōu)化的物理布局設(shè)計(jì)中，而不是硬件接口的設(shè)計(jì)中。

板載熱管理功能：數(shù)字溫度計(jì)的一個(gè)有趣問題

對于體溫傳感器，其設(shè)計(jì)必須盡可能減少來自其他熱源的導(dǎo)熱路徑，同時(shí)最大化對患者的導(dǎo)熱率。為了盡可能減小來自其他熱源的影響，開發(fā)人員可以將傳感器安裝在遠(yuǎn)離主板的 PC 板狹窄支臂的末端。這樣可以有效地使傳感器與主設(shè)計(jì)中的熱源相互隔熱。然而，即使有理想的隔熱機(jī)制，任何電子器件也會受到自熱效應(yīng)的影響，從而可能有損溫度傳感器的精度。而 TMP117 的低功耗特性有助于在此情況中最大限度地減小自熱效應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，該器件的自熱反應(yīng)與其供電電壓成比例上升，但變化只有毫攝氏度水平 (mC)（圖 3）。開發(fā)人員通過使用單次模式，可以縮短器件的有源工作時(shí)間，使自熱效應(yīng)保持在個(gè)位數(shù)的 mC 水平。

圖 3：與任何半導(dǎo)體器件一樣，Texas Instruments 的 TMP117 數(shù)字溫度傳感器也產(chǎn)生自熱效應(yīng)，隨著供電電壓的增高而提升。不過，這些效應(yīng)保持在毫攝氏度水平。（圖片來源：Texas Instruments）

更困難的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于，如何優(yōu)化器件與患者皮膚之間的導(dǎo)熱路徑。為幫助提高向底層板或組件的導(dǎo)熱率，該器件封裝包括大型裸露導(dǎo)熱墊，該導(dǎo)熱墊并不接地，而是純粹用于提高經(jīng)由該封裝到 BJST 硅帶隙傳感器的傳熱性能。Texas Instruments 建議在器件的導(dǎo)熱墊下面填充固體覆銅，以優(yōu)化該器件與 PC 板之間的導(dǎo)熱路徑。

然而，對于與皮膚接觸的最終觸頭，TI 建議使用過孔和采用生物相容性材料（如導(dǎo)熱聚合物）的最后涂層，而不是繼續(xù)使用覆銅。這是因?yàn)殂~可能會引起皮膚發(fā)生腐蝕或其他反應(yīng)。最后建議使用的組件是簡單的雙層層疊，旨在降低制造成本，同時(shí)在器件與皮膚之間提供必要的導(dǎo)熱率（圖 4）。

圖 4：為了確保可靠傳熱及快速響應(yīng)皮膚溫度的變化，這一有效熱設(shè)計(jì)使用了帶導(dǎo)熱底部填充膠或氣隙（如適用）的層疊和一對過孔，來提高器件與患者皮膚之間的導(dǎo)熱率。（圖片來源：Texas Instruments）

低功耗無線數(shù)字溫度計(jì)的參考設(shè)計(jì)

Texas Instruments 在無線臨床級溫度計(jì)的綜合性參考設(shè)計(jì)中，演示了如何將 TMP117 與適當(dāng)?shù)臒峁芾矸椒ㄅ浜鲜褂谩Ｔ诖嗽O(shè)計(jì)中，Texas Instruments 將 TMP117 與低功耗的 Texas InstrumentsCC2640R2F藍(lán)牙微控制器一起結(jié)合使用。除了用作主處理器的 Arm?Cortex?-M3 32 位內(nèi)核外，CC2640R2F 還集成了專用的射頻 (RF) 內(nèi)核子系統(tǒng)及其自身專用的 Arm Cortex-M0 內(nèi)核和 RF 收發(fā)器（圖 5）。

圖 5：Texas Instruments 的 CC2640R2F 無線微控制器結(jié)合了主處理器和射頻 (RF) 內(nèi)核，為傳感器（如 Texas Instruments TMP117）提供單芯片無線連接解決方案。（圖片來源：Texas Instruments）

借助該 MCU 本身集成的功能，此設(shè)計(jì)只需使用一個(gè) 3 伏薄膜電池（如Molex的0132990001）和幾個(gè)額外的無源元器件，即可提供完整的電池供電解決方案。構(gòu)建的設(shè)計(jì)可通過醫(yī)用膠帶粘附在人體上，提供連續(xù)幾天的持續(xù)監(jiān)測，盡管薄膜柔性電池的容量相對有限。該參考設(shè)計(jì)提供的完整解決方案使用帶上述加長支臂的柔性 PC 板，對 2 mm x 2 mm TMP117 IC 進(jìn)行隔熱（圖 6）。

圖 6：Texas Instruments 的無線溫度計(jì)參考設(shè)計(jì)提供了柔性印刷電路板的硬件原理圖和布局設(shè)計(jì)文件，該電路板可通過醫(yī)用膠帶粘附到患者的皮膚，用于持續(xù)測量體溫。在規(guī)格方面，請注意 TMP117 的尺寸是 2 mm x 2 mm。（圖片來源：Texas Instruments）

TI 還提供了一個(gè)相關(guān)的樣例應(yīng)用程序，演示如何使用藍(lán)牙廣告協(xié)議，將皮膚貼片的溫度讀數(shù)傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備。藍(lán)牙廣告協(xié)議旨在向附近的藍(lán)牙設(shè)備提供短信息，允許開發(fā)人員向標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙廣告包添加幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

該樣例軟件在 TI-RTOS 工作環(huán)境中構(gòu)建，其中包括一個(gè)模塊tida_01624.c，該模塊演示了如何使用 TI 的低功耗藍(lán)牙 (BLE) 堆棧，在藍(lán)牙廣告包中傳輸 TMP117 溫度讀數(shù)。雖然使用 BLE 堆棧可能比較復(fù)雜，但該 TI 軟件架構(gòu)可將通過堆棧的數(shù)據(jù)流抽象化。對于具體的應(yīng)用程序?qū)嵗?a target="_blank">SimplePeripheral，該應(yīng)用程序在任務(wù)函數(shù)SimplePeripheral_taskFxn()中的主循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。在初始化該應(yīng)用程序后，軟件框架的事件管理服務(wù)會將控制流帶到一段代碼中，該代碼會讀取 TMP117 傳感器 (sensorRead())，將生成的溫度測量值加載到廣告包的有效載荷中，并使用生成的數(shù)據(jù)包啟動藍(lán)牙廣告（清單 1）。

復(fù)制static void SimplePeripheral_taskFxn(UArg a0, UArg a1) { // Initialize application SimplePeripheral_init(); // Application main loop for (;;) { uint32_t events; // Waits for an event to be posted associated with the calling thread.// Note that an event associated with a thread is posted when a // message is queued to the message receive queue of the thread events = Event_pend(syncEvent, Event_Id_NONE, SBP_ALL_EVENTS, ICALL_TIMEOUT_FOREVER); if (events) { ...if (events & SBP_PERIODIC_EVT) { uint16_t uiTempData; Util_startClock(&periodicClock); // Read the last converted temperature and then start the next // temperature conversion.uiTempData = sensorRead(); // Update the Auto Advertisement Data advertData[9] = (uiTempData & 0xFF00) >> 8; advertData[10] = uiTempData & 0xFF; GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADVERT_DATA, sizeof(advertData), advertData); // Perform periodic application task SimplePeripheral_performPeriodicTask(uiTempData); } } } }

清單 1：Texas Instruments 的無線溫度計(jì)樣例應(yīng)用程序演示了 TI 藍(lán)牙堆棧框架的使用。該框架將應(yīng)用程序構(gòu)建到一個(gè)主循環(huán)中，該循環(huán)用于調(diào)用開發(fā)人員的代碼來讀取傳感器數(shù)據(jù)，在本例中是在發(fā)生事件（如定時(shí)器到期）時(shí)調(diào)用。（代碼來源：Texas Instruments）

除了基本的初始化和配置外，與 TMP117 的軟件交互也簡單直接。例如，上述應(yīng)用程序主循環(huán)中使用的sensorRead()函數(shù)只簡單地執(zhí)行用于傳輸測量結(jié)果的 I2C 事務(wù)（清單 2）。

復(fù)制static uint16_t sensorRead(void) { uint16_t temperature; uint8_t txBuffer[3]; uint8_t rxBuffer[2]; I2C_Transaction i2cTransaction; /* Point to the T ambient register and read its 2 bytes */ txBuffer[0] = TMP117_OBJ_TEMP; i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR; i2cTransaction.writeBuf = txBuffer; i2cTransaction.writeCount = 1; i2cTransaction.readBuf = rxBuffer; i2cTransaction.readCount = 2; if (I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction)) { /* Extract degrees C from the received data; see TMP117 datasheet */ temperature = (rxBuffer[0] << 8) | (rxBuffer[1]); ? ??????? /* ???????? * If the MSB is set '1', then we have a 2's complement ???????? * negative value which needs to be sign extended 7.8125 mC ???????? */ ??????? if (temperature & 0x8000) { ??????????? temperature ^= 0xFFFF; ??????????? temperature? = temperature + 1; ??????? } ??? } ??? else { ??????? Display_printf(dispHandle, 0, 0, "I2C Bus fault"); ??? } ? ??? /* Start the next conversion in one-shot mode */ ??? txBuffer[0] = TMP117_OBJ_CONFIG; ??? txBuffer[1] = 0x0C; ??? txBuffer[2] = 0x20; ??? i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR; ??? i2cTransaction.writeBuf = txBuffer; ??? i2cTransaction.writeCount = 3; ??? i2cTransaction.readBuf = rxBuffer; ??? i2cTransaction.readCount = 0; ? ??? /* Wait for the I2C access for configuration.If it fails ???? * then sleep for 1 second and try again.This is a must ???? * to do before reading the device.*/ ??? while(!(I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction))); ? ??? return(temperature); }

清單 2：在 Texas Instruments 的無線溫度計(jì)樣例應(yīng)用程序中，用于讀取 TMP117 傳感器數(shù)據(jù)的函數(shù)只需調(diào)用幾次 I2C 軟件服務(wù)。（代碼來源：Texas Instruments）

除了演示藍(lán)牙堆棧和 TI-RTOS 的使用外，樣例軟件還提供了現(xiàn)成的應(yīng)用程序，用于將溫度讀數(shù)傳輸?shù)竭\(yùn)行 TI SimpleLink SDK Explorer 移動應(yīng)用程序（具有iOS和Android兩種版本）的移動設(shè)備。除了預(yù)建的應(yīng)用程序，TI 還針對每種移動平臺提供了含完整源代碼的SimpleLink SDK Explorer 應(yīng)用程序分發(fā)包，以及適用于 CC2640R2 MCU 的 TI SDK Explorer Bluetooth 插件。

總結(jié)

由于無法同時(shí)滿足測量精度高和電池壽命長的需求，一直難以設(shè)計(jì)出對用戶友好且有效的臨床級無線溫度計(jì)。Texas Instruments 的 TMP117 溫度傳感器具有低功耗和臨床級精度，因此提供了一種有效的解決方案。正如在綜合性參考設(shè)計(jì)中所演示，開發(fā)人員可以結(jié)合使用 TMP117 與 Texas Instruments 的 CC2640R2 無線藍(lán)牙微控制器，構(gòu)建適用于醫(yī)療應(yīng)用的完整無線溫度計(jì)設(shè)計(jì)。