片上系統微控制器推動(dòng)便攜式醫療設備創(chuàng )新

便攜式醫療設備正在改善提供給數百萬(wàn)患者的醫療水平。血糖儀、心率監測儀、胃造影（GI）、無(wú)痛植入及許多其它設備為急慢性病癥患者的生活帶來(lái)福音。便攜式自動(dòng)除顫器可以在緊急情況下拯救患者的生命。運動(dòng)表能自動(dòng)記錄使用者的心率，自動(dòng)測量距離，計算步數，并可最大限度實(shí)現增氧運動(dòng)的效果。未來(lái)更多用于醫療的創(chuàng )新產(chǎn)品，將大大提高醫療保健的效率。

實(shí)際上所有這些便攜式產(chǎn)品都需要一個(gè)低功耗的微控制器獲取來(lái)自使用者或操作人員的命令，提供信息和進(jìn)行狀態(tài)更新。因為幾乎所有產(chǎn)品都是依靠電池運行，所以應重點(diǎn)考慮延長(cháng)電池壽命。這些產(chǎn)品對電池壽命的要求不同，一般二到十年更換電池。此外，這些受空間限制的產(chǎn)品通常需要高度集成的模擬元件，將信號置于適當的條件下并轉換為數字形式，以對這些信號進(jìn)行處理和轉換。

便攜式醫療設備對微控制器的需求給半導體公司帶來(lái)了挑戰。設計通常是在功能特性、規格和空間限制之間進(jìn)行取舍，但是在便攜式醫療領(lǐng)域中很難進(jìn)行這些取舍。便攜式醫療市場(chǎng)的要求往往是相互矛盾的：既要求多功能，又要求小巧；既要求高性能模擬，又要求低功耗；既要求高處理能力，又要求電池壽命長(cháng)。這些產(chǎn)品需要有模擬數字轉換器（ADC）、可調增益、電源管理系統和液晶顯示器。

本文將討論醫療電子市場(chǎng)中的一些創(chuàng )新產(chǎn)品，醫療設備行業(yè)的普遍趨勢，以及如何應用片上系統微控制器改進(jìn)未來(lái)的設備。

創(chuàng )新

得益于超低功耗、高度集成微控制器的推出，能減輕病痛、提高患者保健和生活質(zhì)量的新產(chǎn)品大批量的走入市場(chǎng)當中。

Advanced Neuromodulation Systems公司是St. Jude Medical的一個(gè)子公司，該公司生產(chǎn)的Eon脊髓刺激器是一種治療慢性病痛的植入式設備（圖1）。它的工作原理是，植入設備將溫和的電脈沖發(fā)送到脊髓附近的傳導區域，當這些電脈沖穿過(guò)神經(jīng)系統進(jìn)入大腦時(shí)，可遮蓋或中斷痛覺(jué)，取而代之的是一種舒適的感覺(jué)，稱(chēng)作“感覺(jué)異常”。

圖1. Eon脊髓刺激系統已被批準為治療軀干四肢慢性疼痛癥和腰椎手術(shù)失敗綜合癥（FBSS）的專(zhuān)業(yè)儀器。它的工作原理是：植入設備將溫和的電脈沖發(fā)送到脊髓附近的傳導區域，當電脈沖傳入大腦時(shí)可中斷疼痛信號。

最近推出的另一種比較有趣的設備是智能藥丸（圖2）。它的工作原理是：患者將其吞咽下去，就可監測胃腸道的情況。當智能藥丸經(jīng)過(guò)胃腸道時(shí)，將數據自動(dòng)傳輸到便攜式數據收集器中。與傳統胃腸道數據收集的方法相比，它的副作用更小，也更為方便。這種設備對小型化和電池壽命的具有極高的要求。

圖2. 智能藥丸：患者將其吞咽下去，監測胃腸道情況

智能藥丸胃腸道監測系統表明，包括RFID、ZigBee、802.15.4及其它專(zhuān)有協(xié)議的低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議使醫療領(lǐng)域的創(chuàng )新上升到一個(gè)新水平。除了為病人設計的產(chǎn)品外，多家公司近來(lái)已發(fā)布了基于無(wú)線(xiàn)協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統，用于跟蹤醫院設備和人員情況。

集成

具有板載微控制器的片上系統所提供的集成水平使便攜式醫療設備獲益匪淺。如果沒(méi)有高水平的模擬集成提供小型空間里的更多容量，就不可能產(chǎn)生這么多小型便攜產(chǎn)品。

圖3是現代微控制器的結構圖，此微控制器可用作血糖儀或脈搏血氧儀等便攜式醫療產(chǎn)品的片上系統。集成的微控制器是運行這些設備所需的唯一集成電路。用于醫療設備的微控制器具備如下特征：

高性能模擬數字轉換器，通常12bit以上；

用于自動(dòng)增益控制等信號調節的運算放大器；

數模轉換器，有時(shí)用于反饋；

基于分段的液晶顯示器驅動(dòng)；

模擬數字轉換器的高性能基準電壓；

集成閃存卡和隨機存取存儲器（RAM）內存條；

能源管理系統和監管系統，這些產(chǎn)品直接由一節硬幣型鋰電池或兩節堿性電池供電運行。

圖3. 現代微控制器結構圖

集成的優(yōu)勢包括：電路板面積減小、生產(chǎn)成本較低、方便采購和功耗最小化。如果將閃存程序編輯到電路內，集成閃存卡和RAM內存條不僅可用作程序和數據存儲器，還可用作資料記錄記憶器。

MSP430FG4270微控制器是具有成本優(yōu)勢的高度集成設備中的一個(gè)典范。它由模擬數字轉換器、數模轉換器，可編程增益運算放大器、高精度電壓基準和液晶顯示器驅動(dòng)組成。用分立器件實(shí)現高水平模擬性能會(huì )增加大約1美元的材料成本，更不必說(shuō)采購、物流和制造成本的增加了。在設計過(guò)程中很容易忽略這些額外開(kāi)支，但額外開(kāi)支可能具有重大影響，特別是有時(shí)會(huì )由于一個(gè)或多個(gè)元件缺貨造成生產(chǎn)停滯。

內存大小的可選性對設計者也是一個(gè)重要的有利因素。內存大小和芯片尺寸大致上呈線(xiàn)性關(guān)系，微控制器的成本與內存大小成正比?；诔绦蛟O計的需要選擇內存，不僅可以?xún)?yōu)化材料成本，還可以減少由于對編程內存的初步估算較低而產(chǎn)生的風(fēng)險。此外，該能力還允許僅使用固件和材料清單選項制成的成品具有不同的等級和不同的功能。

低功耗

設備在電池再充電之前運轉時(shí)間越長(cháng)，終端用戶(hù)的滿(mǎn)意度就越高。大多數便攜式醫療設備中的微控制器大部分時(shí)間處于待機模式，也就是說(shuō)，實(shí)現超低待機功耗的能力是決定設備電池壽命的主要因素。

對于數據記錄器等需要頻繁待機和喚醒的產(chǎn)品，由待機到喚醒所需的時(shí)間是其另一個(gè)臨界參數。微控制器啟動(dòng)過(guò)程中消耗的能量往往與設備運行時(shí)消耗的能量一樣多，因此，較短的喚醒時(shí)間很重要，原因是在喚醒階段，微控制器不能做任何有效操作，用于退出待機模式的能量被完全浪費了。此外，為響應觸發(fā)事件，現代的微控制器也需要快速的喚醒。例如，德州儀器的一些MSP430微控制器能在一微秒內喚醒進(jìn)入時(shí)鐘穩定的完全運行模式，從而實(shí)現了近似實(shí)時(shí)的待機喚醒。

微控制器參與的每個(gè)環(huán)節都需要能量，最大限度縮短處理時(shí)間是延長(cháng)電池壽命的關(guān)鍵。低功耗微控制器具有許多能最大限度縮短處理時(shí)間的特征。例如，在分析數據前，產(chǎn)品從模擬數字轉換器收集數據需要一段時(shí)間，如果在收集數據時(shí)，微控制器處于活動(dòng)狀態(tài)，會(huì )消耗能量，但并不發(fā)揮什么作用。一些微控制器允許模擬數字轉換器收集數據并將其保存到內存中，使用直接內存存取，最大限度縮短處理器需要保持活動(dòng)的時(shí)間。當收集到規定數目的示例后，處理器退出待機模式，開(kāi)始分析數據并輸出結果。

如前所述，集成的另一優(yōu)勢是能將功耗減至最低。通過(guò)啟動(dòng)和關(guān)閉運算放大器、數模轉換器、模擬數字轉換器等外設，或根據需要有選擇地關(guān)閉某些外設，可以更簡(jiǎn)便地控制微控制器。

運行功耗是另一項關(guān)鍵參數。盡管微控制器在活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間相對較短，但如果運行功耗高，從待機模式到檢查狀態(tài)的啟動(dòng)過(guò)程中的電池電壓電平就會(huì )快速耗盡電池的電量。此外，由于一些產(chǎn)品應用如ZigBee、802.15.4等無(wú)線(xiàn)協(xié)議或德州儀器SimpliciTI等專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議，為維持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這些系統可能需要更頻繁的喚醒。盡管每天使用醫療產(chǎn)品監測的時(shí)間很短，微控制器的待機電流小于1.1微安，但保持較低的平均功耗仍然很重要。

封裝

為滿(mǎn)足便攜式醫療產(chǎn)品小尺寸的要求，可采用芯片級封裝和球狀矩陣排列（BGA）兩種封裝方式。為了減小外型尺寸，這兩種封裝比傳統有引線(xiàn)封裝更難。此外，為確保板被焊接，可使用X射線(xiàn)進(jìn)行設計和調試，再加工芯片級封裝或球狀矩陣排列比再加工引線(xiàn)封裝更具挑戰性。

由于更大的四方扁平封裝或塑料小尺寸封裝使設計者能輕易地探測到引線(xiàn)上的信號，所以可以選擇直接將較小的封裝用于原型階段，這樣可通過(guò)使設計者利用概念驗證階段的代碼和圖表節省時(shí)間。

片上系統SoC帶來(lái)技術(shù)突破

這是醫療行業(yè)令人激動(dòng)的時(shí)刻，在醫療市場(chǎng)中發(fā)生的創(chuàng )新正在改善全世界人民的生活。從某個(gè)角度來(lái)說(shuō)，人人都會(huì )受益于這些創(chuàng )新和醫療進(jìn)步。保健和醫療設計師、制造商和創(chuàng )新者對低功耗、高速處理能力和高性能模擬集成的應用日益增多，這些特征在當今的微控制器中都可見(jiàn)到。如果產(chǎn)品設計對尺寸、電池壽命或準確性提出更高要求，工程師可從微控制器片上系統中得到更多啟示。