便攜醫療設備MCU選型必備寶典

引言

電子技術(shù)的快速發(fā)展與個(gè)人健康意識的逐步提高，使得人類(lèi)對便攜式醫療電子儀器的需求日益增長(cháng)，生物測量與醫療儀器正成為21世紀全球經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)之一。反之，隨著(zhù)各類(lèi)便攜式生物醫學(xué)儀器的進(jìn)步和普及，測量精度、功耗、運算能力、成本和集成度等指標的提高，對電子器件尤其是微控制器(MCU)提出了更高要求。

在家用醫療市場(chǎng)的逐步開(kāi)放、偏遠地域居民和軍隊野外作戰訓練時(shí)的醫護需求、醫院內部臨床診斷和長(cháng)期監測的需求等因素的共同驅動(dòng)下，部分傳統專(zhuān)業(yè)級醫療設備已逐步走向便攜化。便攜式醫療電子儀器的快速發(fā)展，使得移動(dòng)醫療、遠程醫療、個(gè)人日常健康監測和治療成為可能。便攜化的趨向給醫療電子儀器的設計提出了低功耗、高集成度和簡(jiǎn)單易用的要求，此外，儀器設計智能化和算法復雜化使得核心處理器必須具備更高的計算能力。

作為儀器儀表的核心控制器與處理中心 ，MCU的合理選型是儀器設計的首要步驟。以TI、Freescale、ST、Silicon Labs、Microchip和Renesas為代表的半導體芯片公司，紛紛針對便攜式醫療電子儀器市場(chǎng)推出了自己低功耗、高集成度的混合信號處理器。當各類(lèi)MCU廠(chǎng)商皆宣稱(chēng)自己產(chǎn)品功耗最低、外設豐富和性能優(yōu)越時(shí)，設計者需要結合自身科研和產(chǎn)品的現有需求與未來(lái)幾年的升級規劃來(lái)合理分析，從而選擇較合適的MCU進(jìn)行儀器設計。

1 便攜式醫療電子儀器簡(jiǎn)介

1.1 家用與臨床便攜式醫療儀器

以電子溫度計、血糖儀、數字血壓計、低頻理療儀為代表的家用醫療電子產(chǎn)品的競爭日益激烈，市場(chǎng)需求的可提升空間巨大。此類(lèi)儀器設計對成本十分敏感，片上集成相應外設的MCU能有效降低系統成本，同時(shí)還有利于縮小尺寸和提高穩定性;對MCU運算性能則要求不高，傳統8 bit或16 bit內核基本滿(mǎn)足設計需求。

此外，以動(dòng)態(tài)心電記錄儀和動(dòng)態(tài)血壓監測儀為代表的臨床便攜式醫用設備，具有測量精度高、可連續運行時(shí)間長(cháng)、運算相對復雜和通訊功能多樣等特點(diǎn)。對于此類(lèi)儀器設計，混合模擬性能強、高運算能效和集成外設豐富的MCU將發(fā)揮巨大作用。

1.2 穿戴式醫療電子設備

近年來(lái)，各類(lèi)可穿戴式醫療電子設備層出不窮，可穿戴式特點(diǎn)對儀器的便攜性和低功耗設計提出了更高要求。一方面，減少電池體積，選用更高能效的MCU：通過(guò)提高運算能力和算法復雜度來(lái)降低有效數據量，從而減輕數據存儲和通訊的負載壓力，最終降低功耗;另一方面，關(guān)注片上外設豐富且性能優(yōu)越的MCU家族，從而能減小設備尺寸，更有益于提高整機穩定性和降低系統成本。

2 典型MCU選型分析

主要圍繞便攜式醫療電子儀器的低功耗和高集成度這兩大特點(diǎn)，分析MCU選型。

2.1 低功耗MCU家族

隨著(zhù)半導體工藝與集成電路設計水平的提高，各大半導體廠(chǎng)商都已推出自己各具特色的低功耗系列MCU產(chǎn)品，如表1所示。低功耗MCU通常具備一些共同特征：精簡(jiǎn)而高效的CPU內核，從而可以維持性能、功耗與成本的三者平衡;CMOS電路工藝，低電壓供電系統;靈活多變的低功耗管理模式，簡(jiǎn)單快速的休眠喚醒機制，使得MCU在空閑期可以快速切換至不同深度的休眠狀態(tài)，并能及時(shí)被喚醒;獨立的外設時(shí)鐘控制開(kāi)關(guān)，多種內外時(shí)鐘源選擇;豐富節能的模擬和數字外設集，可根據具體應用選擇特定的集成外設和相應容量的片上存儲器。

表1主要低功耗MCU家族及其生產(chǎn)廠(chǎng)商

表2和表3選取目前市場(chǎng)上的主流低功耗MCU產(chǎn)品，對比了它們的功耗參數與系統指標。由此可見(jiàn)，得益于A(yíng)RM公司高效率、低成本的Cortex-M系列內核的32 bitMCU，在功耗水平上已與傳統8 bit、16 bit低功耗MCU相當，甚至像以專(zhuān)攻低功耗領(lǐng)域為目標的Energy Micro公司的EFM32系列MCU，在不同主頻下的單位功耗已超越大部分MSP430系列產(chǎn)品，且其在32 bit MCU領(lǐng)域的功耗優(yōu)勢也相當明顯。其次，Freescale在2012年3月全球首推基于A(yíng)RM Cortex-M0+內核的Kinetis L(簡(jiǎn)稱(chēng)KL)系列微控制器，旨在32 bit入門(mén)級的KL系列MCU將卓越的能源效率與易用性同其豐富的外設相結合，整體功耗水平堪比各類(lèi)8 bit、16 bit低功耗MCU，同時(shí)32 bit內核的超高運算效率、高性能外設(如業(yè)界獨特的16 bit SAR型ADC，最高速率約0.5 Msps)和(0.5~2)美元每片的價(jià)格優(yōu)勢，將對8 bit、16 bit MCU市場(chǎng)造成強勁的沖擊。此外，ST公司的STM32L系列低功耗MCU雖然在功耗指標上略落后于上述兩款32 bit MCU，然而由于其早在2007年6月就推出世界首款Cortex-M內核的32 bit MCU，隨后于2010年5月發(fā)布業(yè)界首款超低功耗ARM Cortex-M3微控制器，領(lǐng)先的市場(chǎng)推廣使得STM32的占有率遙遙領(lǐng)先，基于STM32的系統方案、軟硬件成品模塊以及芯片經(jīng)銷(xiāo)渠道等已形成較為完善的生態(tài)系統。相比其它32 bit低功耗MCU，三者在運算性能、功耗和外設集成度上彼此差距較小，選用STM32L的最大優(yōu)勢在于開(kāi)發(fā)門(mén)檻低、參考資源豐富和經(jīng)驗分享直接。

表2 典型低功耗微處理器的CPU絕對功耗對比

表3 典型低功耗微處理器系統指標對比

TI公司最新推出代號為“金剛狼(Wolverine)”的MSP430FR系列MCU，將鐵電存儲器集成至片上，代替原有Flash作為程序存儲器，提高內存讀寫(xiě)速度的同時(shí)還大幅降低了能耗。由表1數據對比可見(jiàn)，“金剛狼”系列為MSP430超低功耗MCU產(chǎn)品線(xiàn)注入了新的活力，在能耗水平上一舉領(lǐng)先各大低功耗MCU系列。然而，在低成本、高性能的32 bit超低功耗MCU群起之勢的壓迫下，功耗參數已慢慢相差無(wú)幾，微弱的功耗優(yōu)勢對于絕大多數便攜式儀器設計而言，已成為可以忽略的次要矛盾。對于任務(wù)和算法要求逐漸提高的便攜式醫療電子儀器，更高運算效率和主頻的32 bit MCU，可以在相同時(shí)間內更快地完成工作，從而為休眠爭取更多時(shí)間，從系統上降低功耗，并使得任務(wù)和事件獲得更快的響應。