打造可靠的電池供電式臨床級無線溫度計，實現持續監測

對醫療保健機構和病患來說，監測病患體溫是必要的，但卻會造成干擾。無線溫度計能為臨床和居家環境提供非侵入式的定期體溫監測能力，必定會受到醫療保健機構與病患的歡迎。但對開發人員來說，相關解決方案常常無法滿足高準確性以及長時間低功率無線運作的要求，因此無法確保令人滿意的使用體驗。

本文將介紹臨床級溫度計的關鍵要求，並展示開發人員如何結合 Texas Instruments 的高準確性數位溫度感測器與無線微控制器，來滿足這些看似完全對立的要求。

臨床溫度計要求

在醫療保健領域，體溫與心率、血壓及呼吸率合稱四大生命徵象。體溫除了能用來辨別是否罹患感冒或流感等症狀外，也是重要的臨床指標。例如在進行給藥或輸血等治療後，體溫稍有變化可以是身體產生不良反應的最早徵象。因此，準確的體溫測量被認為是持續提供照護，以及提示出現併發症且需要介入處理的關鍵。

臨床溫度計必須符合 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 標準所規定的準確性與校正要求，因為即使是很小的溫度變化，也具有非常深遠的意義。ASTM E1112 由 ASTM 國際標準組織 (前身為美國試驗與材料協會) 制定，要求溫度計在用於臨床用途時，必須在指定溫度範圍內滿足如下最大誤差率：

• 在 37.0˚C 至 39.0°C 範圍內 (一般代表輕度至中度發燒)，最大誤差值為 ±0.1°C
• 在 35.8˚C 至 36.9°C 範圍內 (對某些人而言可能代表體溫過低)，最大誤差值為 ±0.2°C
• 在 39.1˚C 至 41.0°C 範圍內 (代表更嚴重的醫療狀況，包括高燒或高熱症)，最大誤差值為 ±0.2°C
• 在體溫低於 35.8°C 或高於 41.0°C 時，最大誤差值為 ±0.3°C

臨床級溫度監測雖然非常重要，但過去是倚賴昂貴的床邊監測器來提供所需的準確度。要進行連續監測，醫療機構必須給病患接上纜線，但纜線甚為麻煩，在新生兒室等環境中甚至無法進行接線。無線溫度監測是個很有效的替代方法，但開發人員一直難以開發出能同時滿足諸多需求的無線設計。除了臨床級準確度與低功率電池運作的基本需求外，這種無線監測器在設計時還必須確保病患的舒適感，需在數小時甚至數天的運作時間內，讓人不太感受到它的存在，同時電池續航力還要能確保長時間可靠運作。要設計出能達到這些需求的產品，Texas Instruments 的 TMP117MAIDRVT 溫度感測器是關鍵支援組件。

臨床級溫度感測器

TMP117MAIDRVT (以下簡稱 TMP117) 將類比溫度感測子系統與 I²C 序列介面、EEPROM 和控制邏輯相結合，並具有警示編程功能，可在溫度超出指定範圍時發出警示。在溫度感測子系統內，感測器調節電路會將雙極性接面電晶體 (BJT) 矽帶溫度感測器的輸出，提供至晶片上的 16 位元類比數位轉換器 (ADC) (圖 1)。

圖 1：Texas Instruments 的 TMP117 整合了所有必要的類比與數位元件，能在最低的功耗下提供十分準確的溫度測量結果。(圖片來源：Texas Instruments)

TMP117 專為支援臨床應用而打造，完全符合 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 對臨床用電子溫度計的要求。該裝置不僅滿足 37.0°C 至 39.0°C 範圍內最大誤差 ±0.1°C 的要求，而且還能在無需校正的情況下，在 -20°C 至 50°C 範圍內達到同樣精確度的最大誤差。TMP117 在整個建議工作範圍內 (即 -55°C 至 150°C) 都很準確，甚至可以替代 AA 類電阻溫度偵測器 (RTD) (圖 2)。

圖 2：Texas Instruments 的 TMP117 數位溫度感測器能達到臨床級電子溫度計的標準，在其工作溫度範圍內的準確度比 AA 類 RTD 的準確度還要高。(圖片來源：Texas Instruments)

TMP117 採用尺寸為 2 mm x 2 mm 的 6 引腳封裝，供應電壓為 1.8 V 至 5.5 V，而且在 1 Hz 轉換率下只需要 3.5 µA 的平均電流消耗量，而在關閉模式下只需要 150 nA。此外，開發人員可使用該裝置的單次轉換功能，讓 TMP117 在超低功率關閉模式下的時間延展到最長。

單次模式能讓該裝置在動態轉換階段後，立即進入關閉模式。相比之下，該裝置的預設連續轉換模式則會使其在一段可編程的時間內，在 1.25 μA 待機模式下保持啟用。在單次模式下，每次測量溫度時都會進行動態轉換，此階段大約歷時 15.5 ms，總共大約消耗 135 μA 的電流。

這兩個模式能讓開發人員以較高的功耗換取良好的轉換率，而平均模式則能讓他們以較高的功耗換取更大的抗噪能力。在平均模式下，該裝置會自動執行八次連續轉換，並提供平均結果。使用此模式時，該裝置能讓轉換的數位結果重複達到 ±1 最低有效位元 (LSB)，而非平均模式時的 ±3 LSB。

設計挑戰

藉由單次模式和平均模式等整合功能，TMP117 可在 2 mm x 2 mm 的 WSON 超薄小外型無引線封裝中提供完整的數位溫度測量感測器，並且僅採用六個引腳：V+ 供電、接地、序列數據、序列時脈、序列匯流排位址選取，以及警示功能。因此，硬體介面設計所需耗費的功夫，與任何一般的 I²C 序列元件都一樣。然而，在實踐中，此類或任何高準確度溫度感測器在設計上面臨的挑戰，很少在於硬體介面設計，而是在於針對熱管理進行最佳化的實體佈局設計。

板載熱管理：一個很有趣的數位溫度計問題

就體溫感測器來說，設計需要將來自其他熱源的熱路徑減至最小，並最大程度提升病患的導熱性。要將其他熱源的影響降到最小，開發人員可以將感測器安裝在主板件遠端 PC 板窄臂的末端，這能讓感測器和主設計中的熱源有效地隔離開來。然而，即使有理想的隔離措施，任何電子元件都會受到自體發熱效應的影響，而這可能會導致溫度感測器失準。TMP117 具有低功耗的特點，有助於將自體發熱效應降到最低。隨著時間的推移，該裝置會依據電源供應電壓等比例地自體發熱，但變化範圍僅在 mC 級別內 (圖 3)。開發人員透過使用單次模式，可以縮短動態運作時間，將自體發熱保持在個位數的 mC 級別內。

圖 3：與任何半導體元件一樣，Texas Instruments 的 TMP117 數位溫度感測器具有自體發熱效應，這些效應會隨著電壓供應量增加而提高，但僅會維持在 mC 級別內。(圖片來源：Texas Instruments)

更大的設計挑戰在於讓裝置與病患皮膚之間的熱路徑最佳化。為了提升對基礎板件或組件的導熱性，裝置封裝中提供大型裸露導熱片。此導熱片並未接地，只是用來提高導熱性，將更多熱量經由封裝傳遞到 BJST 矽帶隙感測器。Texas Instruments 建議在裝置的導熱片下使用固態覆銅，讓裝置與 PC 板之間達到最佳的熱路徑。

但對於最終接觸皮膚的部分，TI 建議使用過孔，並使用生物相容材質 (例如導熱聚合物) 作為最終的塗層，而不是也使用銅。銅接觸皮膚可能會腐蝕或發生其他反應。最終建議的結構是簡易的雙層堆疊，旨在降低製造成本，並在元件與皮膚之間提供必要的導熱性 (圖 4)。

圖 4：為確保可靠的熱傳遞效果，並對皮膚溫度變化迅速做出回應，高效的熱設計使用具有熱底膠或氣隙 (若適用) 的堆疊結構和一對過孔，來提升裝置與病患皮膚間的導熱性。(圖片來源：Texas Instruments)

低功率無線數位溫度計的公版設計

Texas Instruments 在無線臨床級溫度計的全面性公版設計中，展示了如何使用 TMP117 以及適當的熱管理方法。在此設計中，Texas Instruments 將 TMP117 與 Texas Instruments 支援藍牙的低功率 CC2640R2F 微控制器結合在一起。除了將 Arm^® Cortex^®-M3 32 位元核心作為主機處理器之外，CC2640R2F 還整合有專用無線射頻 (RF) 核心子系統及其自身專用的 Arm Cortex-M0 核心和 RF 收發器 (圖 5)。

圖 5：Texas Instruments 的 CC2640R2F 無線微控制器將主處理器與無線射頻 (RF) 核心相結合，可提供能無線連線至 Texas Instruments 的 TMP117 等感測器的單晶片解決方案。(圖片來源：Texas Instruments)

利用 MCU 本身所具備的整合能力，該設計只需使用 3 V 薄膜電池 (例如 Molex 的 0132990001)，以及幾個額外的被動元件，即可提供完整的電池供電式解決方案。雖然薄膜撓性電池的蓄電量相對有限，但最終的設計可用臨床膠帶黏到身體上，並能連續監測數日。該公版設計提供採用撓性 PC 板的完整解決方案，並使用前述的延長臂對尺寸為 2 mm x 2 mm 的 TMP117 IC 進行隔熱 (圖 6)。

圖 6：Texas Instruments 的無線溫度計公版設計提供撓性印刷電路板的硬體線路圖和佈局設計檔案，此電路板能透過臨床膠帶黏到病患的皮膚上，實現體溫的連續測量。至於大小，請注意 TMP117 的尺寸是 2 mm x 2 mm。(圖片來源：Texas Instruments)

此外，TI 還提供相關的範例應用程式，演示如何使用藍牙廣告協定，將皮膚貼片的溫度讀數傳輸到行動裝置。藍牙廣告協定能向鄰近的藍牙裝置傳遞簡訊，可讓開發人員為標準藍牙廣告封包添加幾個位元組的數據。

該範例軟體基於 TI-RTOS 作業環境並內含 tida_01624.c 模組，該模組演示如何使用 TI 的低功耗藍牙 (BLE) 堆疊，以藍牙廣告封包傳輸 TMP117 溫度讀數。雖然使用 BLE 堆疊可能很複雜，但 TI 軟體架構能抽象出通過此堆疊的資料流。以 SimplePeripheral 這個特定的應用裝置例項來說，應用程式會在作業函數 SimplePeripheral_taskFxn() 內的主迴圈中執行。在應用程式進行初始化之後，軟體架構的事件管理服務會將控制流交給一段程式碼，此程式碼會讀取 TMP117 感測器 (sensorRead())、將產生的溫度測量值載入廣告封包酬載中，並使用產生的封包來啟動藍牙廣告 (清單 1)。

複製
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 的無線溫度計範例應用程式演示如何使用 TI 藍牙堆疊架構。此架構以一個主迴圈構建應用程式，此迴圈會在發生事件 (例如計時器到期) 時，調用開發人員的程式碼來讀取感測器。(程式碼來源：Texas Instruments)

除了基本的初始化與設定外，軟體與 TMP117 的互動也很簡單。舉例來說，上述主應用程式迴圈中使用的 sensorRead() 函數，只會執行傳輸測量結果所需的 I²C 交易 (清單 2)。

複製
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 的無線溫度計範例應用程式中，用於讀取 TMP117 感測器的函數，只需要調用幾次 I²C 軟體服務即可。(程式碼來源：Texas Instruments)

除了展示如何使用藍牙堆疊和 TI-RTOS 之外，範例軟體還提供現成的應用程式，能將溫度讀數傳輸到執行 TI SimpleLink SDK Explorer 行動應用程式的行動裝置上 (該應用程式提供 iOS 和 Android 版)。除了預先建立的應用程式之外，TI 還針對各種行動平台提供含完整原始程式碼的 SimpleLink SDK Explorer 應用程式發行版，以及適用於 CC2640R2 MCU 的 TI SDK Explorer 藍牙外掛程式。

結論

由於無法同時滿足「高測量準確度」和「高電池續航力」這兩項需求，一直難以設計出好用又高效的臨床級無線溫度計。但 Texas Instruments 的 TMP117 溫度感測器兼具低功耗與臨床級準確度，能提供有效的解決方案。如同全面性公版設計所展示，開發人員可以搭配使用 TMP117 與 Texas Instruments 的 CC2640R2 藍牙無線微控制器，為醫療保健應用打造完整的無線溫度計設計。