便攜醫療設備MCU選型必備寶典

對于某些功耗要求極為苛刻、運算處理任務(wù)簡(jiǎn)單和成本極為敏感的儀器設計，傳統8 bit低功耗MCU為最佳之選。

2.2 集成外設及其性能分析

半導體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了系統集成度變得越來(lái)越高，這使得硬件系統的體積、功耗、成本和穩定度等指標都得到了大幅提升，硬件系統的設計也變得越來(lái)越簡(jiǎn)單。對于便攜式醫療電子儀器，其主要對象是面向人體，縮小儀器體積是提高便攜性的直接途徑，片上外設的種類(lèi)、數量和性能，成為決定最終MCU選型的關(guān)鍵參考因素。如圖1所示，列舉出低功耗MCU通常集成的外設及其主要功能。

圖1 MCU集成外設及其主要功能

生理參數的主要特點(diǎn)為：種類(lèi)多，彼此間多存在相關(guān)性;信號譜多集中在幾十kHz范圍內;信號微弱，變化范圍較大;特征變異的突發(fā)性和無(wú)規律性較強。因此，以信號測量為主要目的便攜式醫療電子儀器，MCU模擬外設的集成度及其性能，值得高度關(guān)注。如表4所示，首先，EFM32全系列內ADC最多通道數為 8 個(gè)，對于傳統12導聯(lián)動(dòng)態(tài)心電記錄儀設計，測量將沒(méi)有任何擴展余地。其次，KL系列獨有的片上16 bit逐次逼近型ADC，在測量系統中可以節省一級信號放大，從而縮減模擬電路規模，降低系統成本并提高穩定度和集成度;在同等條件下，精度可提高16 倍，動(dòng)態(tài)范圍可擴大25 dB。

由于 ， 部分儀器通常需要同步測量多參數信號，數據量和記錄時(shí)間的提高將造成控制模塊和通訊接口的頻繁操作，表4顯示，STM32L部分型號含有SDIO接口，在設計帶有SD卡記錄功能的儀器時(shí)，可提高SD卡讀寫(xiě)的可靠性和速率等指標。此外，除了考慮它們的數量、限制速率等指標是否符合設計需求外，必須關(guān)注各部分的單位功耗。表5舉例說(shuō)明了Energy Micro和ST公司的兩款集成度和功能相近的32 bit低功耗MCU，可見(jiàn)，外設功耗的差距對于系統整體功耗的影響不容忽視。

2.3 時(shí)鐘系統的重要性

在選定一款低功耗類(lèi)型的MCU后，CPU及各功能外設的功耗絕對值只是儀器低功耗設計平臺的物理基礎，如何合理控制MCU內部靈活多變的時(shí)鐘系統，是決定儀器低功耗設計效果好壞的關(guān)鍵。因此，作為控制MCU運行的“駕駛艙”，時(shí)鐘系統成為衡量低功耗MCU各部件功耗可控度高低的重要指標。

表4 典型低功耗微處理器的外設對比

表5 兩款MCU數字外設功耗對比

表6 飛思卡爾Kinetis MCU家族全系列介紹

2.4 軟件開(kāi)發(fā)與可擴展性

儀器設計離不開(kāi)嵌入式軟件的開(kāi)發(fā) ， 由16 bitMCU開(kāi)始，C語(yǔ)言程序設計已基本代替了原本基于指令集的匯編語(yǔ)言設計，僅僅在篇幅不多的啟動(dòng)文件中，才會(huì )利用匯編指令進(jìn)行一些堆棧初始化、中斷向量表配置和系統初始化函數的跳轉等操作。為了簡(jiǎn)化軟件的重用性、縮短微控制器新開(kāi)發(fā)人員的學(xué)習過(guò)程、提高新設備的開(kāi)發(fā)效率，ARM公司設計了以C語(yǔ)言為基礎的Cortex-M內核微控制器軟件接口標準(CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard)，為不同MCU庫函數開(kāi)發(fā)提供了統一的硬件抽象。因此，選用32 bit低功耗MCU，統一遵守CMSIS規則，軟件開(kāi)發(fā)成本和效率都會(huì )得到改善，尤其對于入門(mén)設計和平臺移植，將事半功倍。

此外，如表6所示，低功耗MCU系列往往只是該品牌家族中的一部分，同一品牌中的不同系列一般在外設結構、管腳封裝和底層驅動(dòng)函數上保持一定兼容性。因此，宏觀(guān)把握MCU系列的完整面貌，可以全面認識所選平臺的可擴展性，為將來(lái)儀器升級、提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率做好鋪墊。

3 典型設計案例

針對慢性心血管病的特點(diǎn)，設計一款新型動(dòng)態(tài)心血管參數監測儀，設計目標：患者隨身攜帶該儀器進(jìn)行24 h以上動(dòng)態(tài)參數測量和記錄;白天利用示波法定時(shí)測量患者的上臂血壓(用于夜間基于心電脈搏波估算血壓值的校準基礎)，夜間通過(guò)光電容積術(shù)連續記錄患者的脈搏波，24 h全程連續記錄多導ECG信號。該設計，整合了動(dòng)態(tài)心電記錄儀與動(dòng)態(tài)血壓監測儀的功能，此外借助脈搏波與心電在夜間無(wú)擾動(dòng)地測量血壓的連續變化，同時(shí)還可獲得血氧飽和度參數，具有較高的臨床應用價(jià)值。

系統結構如圖2所示，根據方案設計對MCU及其外設提出的要求，綜合前文第2部分的比較分析，選擇STM32L或Kinetis L系列中的STM32L151VDT6或MKL25Z128VLK4作為系統的主控芯片，可以使得儀器在功耗、體積、成本和性能上獲得最佳平衡。

圖2 便攜式動(dòng)態(tài)心血管參數監測儀的系統框圖

4 結語(yǔ)

便攜式醫療電子儀器的家用化進(jìn)程逐漸加快，半導體公司已紛紛洞察該市場(chǎng)，并推出各具特色的低成本、低功耗和高集成度MCU系列，甚至專(zhuān)門(mén)成立醫療產(chǎn)品事業(yè)部，為此類(lèi)儀器開(kāi)發(fā)提供解決方案，從而搶占芯片市場(chǎng)。以ARM Cortex-M為內核的32 bit低功耗MCU憑借極具性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品優(yōu)勢，逐步加深了對8 bit、16 bitMCU市場(chǎng)份額的擠壓，設計者當緊跟時(shí)代步伐，切身關(guān)注半導體技術(shù)的發(fā)展趨勢，結合當前產(chǎn)品的特點(diǎn)與未來(lái)新產(chǎn)品的需求，選擇最為合適的MCU平臺，從而設計出性能卓越、價(jià)格低廉的儀器設備，為人類(lèi)健康事業(yè)做出更切實(shí)的貢獻。