超低功耗MCU助力便攜式醫療設備

價(jià)格合理的先進(jìn)個(gè)人醫療設備的大量涌現，正在改變著(zhù)整個(gè)保健行業(yè)，消費者可以在家中或旅途中監測自身的生命體征和其他關(guān)鍵指標，而無(wú)需勞命傷財地親自到醫院看病。根據Gartner公司的調查，便攜式消費類(lèi)醫療設備，如血糖檢測儀、血壓計、胰島素泵和心率檢測器等是醫療設備市場(chǎng)中增長(cháng)最快的部分。Databeans公司最近所做的一項醫療半導體報告也指出，未來(lái)五年家用醫療設備市場(chǎng)將有9%的增長(cháng)（復合年增長(cháng)率，CAGR）。

個(gè)人醫療設備市場(chǎng)的迅速增長(cháng)源于多種因素：老年人需要經(jīng)常性地進(jìn)行健康體檢、傳統醫療服務(wù)費用高昂、消費者逐漸意識到保健設備的益處、個(gè)人醫療設備可以方便地在網(wǎng)上或零售店里買(mǎi)到、半導體技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得這些消費類(lèi)保健設備日益成熟、簡(jiǎn)單易用，且價(jià)格合理。

消費類(lèi)產(chǎn)品一般易受價(jià)格因素影響，而且消費類(lèi)便攜式醫療設備要想在市場(chǎng)上取得成功，還需要滿(mǎn)足更嚴格的要求。最重要的是，這些產(chǎn)品必須非?？煽亢途_，以防出現健康問(wèn)題。這些要求受到政府機構的監管，如美國食品藥品管理局（FDA）。

為了在競爭日益激烈的家用醫療市場(chǎng)中獲得成功，便攜式醫療設備應具有以下特點(diǎn)：

簡(jiǎn)單易用；高可靠性和安全性（受政府監管）；簡(jiǎn)單、安全的連接；低功耗工作（即電池續航時(shí)間長(cháng)）；支持更寬的電壓范圍（特別是較低電壓）；測量精度高；外形尺寸??；價(jià)格合理。

為了實(shí)現這些產(chǎn)品特性，并以實(shí)惠的價(jià)格提供給消費者，醫療設備開(kāi)發(fā)人員必須降低系統成本，限制設計中使用分立元器件的數量。半導體供應商也肩負著(zhù)開(kāi)發(fā)高集成度嵌入式控制解決方案的職責，在嚴格的功耗和成本控制條件下，解決方案應具有較高的性能和可靠性。便攜式設備設計的核心是能以最低的電源電流提供卓越處理性能的高集成度混合信號微控制器（MCU）。

簡(jiǎn)單易用是所有便攜式醫療設備的基本要求，因為它可以減少由于錯誤操作而引起的測量錯誤。這種設備應當需要最少的交互操作，簡(jiǎn)單的用戶(hù)輸入（如，較少按鍵和較簡(jiǎn)單的軟件菜單）以及尺寸較大且易于觀(guān)察的顯示屏（例如，具有背光的較大尺寸液晶顯示屏）。為了支持這些特性，MCU必須提供現場(chǎng)可編程的非易失性存儲器（通常是系統內可編程閃存），以及靈活的能充分利用有限引腳數的I/O配置。

當前，許多便攜式醫療設備只能顯示健康檢測結果，將解釋和記錄留給終端用戶(hù)和他們的醫生，而新型設備還具有連接簡(jiǎn)便、自動(dòng)記錄和傳輸檢測結果的特性。通常情況下，這些更先進(jìn)的便攜式醫療設備被連接到裝有可跟蹤結果的軟件的個(gè)人電腦或移動(dòng)醫療設備，或者通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式安全地傳輸信息給醫務(wù)人員、護理人員或基于Web的應用，這種做法被稱(chēng)為遠程醫療。

如圖1所示，醫療設備市場(chǎng)采用了優(yōu)化的USB設備標準，即個(gè)人醫療保健設備類(lèi)（PHDC）標準，無(wú)處不在的USB接口使得數據和信息傳輸標準化，從而無(wú)需關(guān)心設備來(lái)自哪家制造商。將來(lái)，簡(jiǎn)單而可靠的無(wú)線(xiàn)連接將使得數據傳輸更加簡(jiǎn)便。因此，MCU需要提供多種集成連接接口的方法，比如集成精密振蕩器的USB控制器。

RF發(fā)射器和收發(fā)器與MCU協(xié)同工作可以為遠程醫療應用提供無(wú)線(xiàn)連接。此外，無(wú)線(xiàn)MCU（在同一封裝內整合低功耗MCU內核與高性能RF收發(fā)器的高集成度設備）也得以廣泛使用。例如，Silicon Labs的Si10xx無(wú)線(xiàn)MCU系列產(chǎn)品，滿(mǎn)足了電池供電便攜式醫療設備對超低功耗工作的要求，同時(shí)，集成的Sub-GHz頻段的收發(fā)器可提供更寬的工作范圍和出色的RF靈敏度。

無(wú)論采用何種連接方法或系統構架，通信協(xié)議棧都需要MCU有更多的代碼空間。因此，對小尺寸設備的存儲空間的需求將會(huì )逐漸增長(cháng)。

雖然選擇高性能、低功耗MCU和通信方式是重要的，但所有醫療設備也會(huì )測量一些物理參數，用于量化個(gè)人健康方面的某些指標（如血壓或含氧水平）。這需要能夠感應和測量光強（用于測量血氧）、傳導（用于測量血糖）、壓力（用于測量血壓）和溫度，這些測量必須具有高精度和一致性。在保健設備市場(chǎng)上，測量來(lái)不得半點(diǎn)錯誤。

在數字處理器存在噪聲和通信信號空間狹小的環(huán)境下，混合信號MCU必須能夠保證良好的模擬電壓測量結果。這是半導體供應商所面臨的最具挑戰性的設計問(wèn)題之一（特別是在需要為IC提供低電池電壓的情況下），而且這些規格還要通過(guò)產(chǎn)品工程師的嚴格審查。測量時(shí)必須滿(mǎn)足低噪聲、低失真（良好的信噪比和失真率）和高線(xiàn)性度要求。即使MCU處于運行狀態(tài)，也必須保證模數轉換器（ADC）的運行，當終端用戶(hù)想在測量期間獲得測量數據時(shí)，MCU也應當實(shí)時(shí)地獲取測量結果。此外，即使在最低電池電壓下，所有芯片功能也應正常運行。如果不能在整個(gè)電池續航期間進(jìn)行測量，那么MCU還有什么優(yōu)勢可言呢？總之，MCU供應商必須集成精密的模擬測量。

MCU供應商面臨的又一挑戰是對產(chǎn)品電池續航能力的要求。“便攜式”通常意味著(zhù)設備由電池供電。通常情況下，新增加的功能會(huì )產(chǎn)生更多的功耗，但是開(kāi)發(fā)人員在設計便攜式醫療設備時(shí)不能要求終端用戶(hù)使用又大又重的電池，也不能要求他們頻繁更換電池。

MCU應當支持三方面的低功耗策略：主動(dòng)模式下功耗低、待機模式下功耗低以及處于主動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間少。在大部分時(shí)間內，便攜式醫療設備將處于關(guān)斷或低功耗狀態(tài)，因此，MCU也將處于關(guān)斷或低功耗狀態(tài)。不過(guò)，不使用設備時(shí)，一般會(huì )維持時(shí)鐘/ 日歷或鬧鐘等功能。盡管主動(dòng)功耗至關(guān)重要，但是最小喚醒時(shí)間是延長(cháng)電池壽命的關(guān)鍵。MCU設計人員必須找到一種喚醒MCU時(shí)鐘和模擬電路的設計方法，實(shí)現快速測量，然后使MCU返回到低功耗狀態(tài)。例如，使用ADC測量電壓需要參考電壓，而通常情況下該參考電壓需要幾十毫秒的時(shí)間打開(kāi)并穩定，然后才能進(jìn)行測量。在這個(gè)過(guò)程中，MCU處于上電狀態(tài)，一直在耗電。

正如許多高功效MCU一樣，Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx系列MCU可以在幾微秒內完成喚醒，而且片上參考電壓也可在2微秒內完成喚醒，從而能夠迅速開(kāi)啟ADC進(jìn)行精確測量。為了改善測量結果，ADC也被設計為可快速累加多次測量值而無(wú)需CPU干預，同時(shí)進(jìn)一步降低喚醒時(shí)間。喚醒時(shí)間越短，獲得測量結果時(shí)所汲取的電池電流就越?。▓D2）。

MCU設計中的另一個(gè)重要趨勢是支持新的電池使用配置和技術(shù)。充電電池很受歡迎，通常需要較高的電壓支持，必須集成片上穩壓器。新的趨勢是，當終端用戶(hù)希望供應商提供附帶電池的產(chǎn)品時(shí)，使用一塊堿性電池來(lái)減小醫療設備的尺寸或節約成本。直到最近，該方法依然需要額外的成本和分立DC/DC開(kāi)關(guān)穩壓器的占位空間，用來(lái)提升堿性電池電壓以滿(mǎn)足MCU正常工作的需要（堿性電池的有效電壓可到0.9V）。這些開(kāi)關(guān)穩壓器在電壓測量過(guò)程中產(chǎn)生大量噪聲，而且它們還必須一直處于上電狀態(tài)以確保MCU能夠從休眠模式喚醒，從而產(chǎn)生耗電并降低電池續航能力。

Silicon Labs F9xx系列器件等先進(jìn)的低功耗MCU引入了集成式DC/DC穩壓器來(lái)解決這些問(wèn)題。這能夠降低噪聲、減少成本、減小外形尺寸，并允許MCU處于低功耗狀態(tài)時(shí)關(guān)斷DC/DC穩壓器，延長(cháng)電池續航時(shí)間。盡管此DC/DC穩壓器被集成在片內，但作為真正的低功耗、單電池解決方案，它仍然能夠為系統的其余部分提供升壓電源。

盡管MCU提供商不斷引入和集成節能和節省電池的功能，但是如果MCU成本和外形尺寸大幅增加，那么也將不利于能效。我們的目標是為嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供一個(gè)成本更低、尺寸更小的終端產(chǎn)品，同時(shí)降低功耗。這樣的解決方案必須減少物料成本和尺寸。最好的MCU是以最小的外形尺寸提供高性能、集成式連接接口和存儲器以及出色的模擬外設。換言之，半導體供應商必須提供更高的功能密度。

圖4是一個(gè)超低功耗MCU的實(shí)例——64kB閃存代碼存儲空間、4kB數據RAM、一個(gè)ADC和兩個(gè)穩壓器（LDO和升壓穩壓器），4mm×4mm占位空間（在某些情況下甚至更?。。?。這種小型混合信號MCU設計能夠在單一芯片上實(shí)現完整的測量和接口系統，且不影響性能或電池續航能力。產(chǎn)品設計人員選擇這類(lèi)MCU時(shí)，僅需要關(guān)心所需要的外設功能，以獲得最佳的性?xún)r(jià)比。

新一代便攜式醫療設備設計中，嵌入式開(kāi)發(fā)人員和產(chǎn)品經(jīng)理們正承受著(zhù)來(lái)自成本、尺寸、功耗和性能等多方面壓力。應對這一局面的解決方法是使用高集成度的混合信號MCU，滿(mǎn)足市場(chǎng)所需的小尺寸、高性能和合理價(jià)格。功能密集的混合信號MCU將為新一代便攜式醫療設備提供核心部件，提供滿(mǎn)足消費者需求的優(yōu)化產(chǎn)品的保健設備制造商將從這一快速增長(cháng)的市場(chǎng)中獲益。

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