智能硬件開(kāi)發(fā)如何選擇低功耗MCU

　　本文將市場(chǎng)上典型的低功耗MCU系列進(jìn)行了比較，分析得出基于A(yíng)RM. Cortex M0+內核的MCU系列最適合穿戴式醫療設備的開(kāi)發(fā)。設備開(kāi)發(fā)者當密切關(guān)注其發(fā)展動(dòng)向，結合現有的市場(chǎng)需求、產(chǎn)品體系的構建和升級換代的規劃等因素進(jìn)行合理分析，抉擇出適合自身產(chǎn)品的MCU型號。繼而針對特殊醫療監測任務(wù)的需求，為MCU系統制定最優(yōu)化的低功耗策略，從而開(kāi)發(fā)出價(jià)格親民、性能優(yōu)越的設備。

　　根據穿戴式醫療設備低成本、高性能、高集成度和續航時(shí)間長(cháng)的特點(diǎn)，對比了當前主流的低功耗微控制器(MCU)系列，分析得出ARM Cortex M0+內核的MCU系列適合該領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在功耗水平、運算性能、外設集成和產(chǎn)品成本等方面，進(jìn)一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內核的MCU系列展開(kāi)參數對比，為穿戴式醫療設備的MCU選型提供指南。

　　近年來(lái)穿戴式醫療設備的市場(chǎng)需求在快速增長(cháng)，將成為拉動(dòng)經(jīng)濟增長(cháng)的一個(gè)創(chuàng )新型產(chǎn)業(yè)。根據艾媒(iiMedia Research)公布的《2012-2013中國移動(dòng)醫療市場(chǎng)年度報告》顯示，在2012年我國移動(dòng)醫療市場(chǎng)規模達到18.6億元，其中穿戴式醫療設備占4.2億元，較上一年增長(cháng)20%。預計到2017年底，我國穿戴式醫療設備的市場(chǎng)規模將接近50億元，在未來(lái)十年內呈現急速增長(cháng)的態(tài)勢。隨著(zhù)市場(chǎng)需求的增長(cháng)和產(chǎn)品的普及，穿戴式醫療設備正在往低成本、高性能、續航時(shí)間長(cháng)和體積小的方向發(fā)展，這就對設備的控制核心——微控制器(MCU)提出了更苛刻的要求?？纱┐鞯内呄蚴沟迷O備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質(zhì)，否則將會(huì )被市場(chǎng)和用戶(hù)淘汰。

　　1 穿戴式醫療設備的簡(jiǎn)介

　　穿戴式醫療設備將非介入式生理信號檢測技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當中，具有簡(jiǎn)易便攜、長(cháng)時(shí)間監測的優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)設備可隨時(shí)隨地長(cháng)時(shí)間監測人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應用于慢性疾病監測、家庭護理保健、睡眠質(zhì)量監測等方面，有利于實(shí)現慢性、隱性疾病的早發(fā)現、早診斷、早治療。

　　1.1 穿戴式醫療設備的應用

　　在市場(chǎng)和用戶(hù)的追捧熱潮下，各種穿戴式醫療設備的解決方案和新產(chǎn)品層出不窮，功能和性能也在不斷提升。例如我國的邁瑞公司推出的MC-6800型動(dòng)態(tài)血壓監測儀，僅需將充放氣的袖帶綁在用戶(hù)手臂上，就能在各種狀況下進(jìn)行24 h無(wú)創(chuàng )性動(dòng)態(tài)血壓監測。美國Medtronic公司推出的血糖實(shí)時(shí)連續監測系統(CGMS)可以連續工作3d，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10s會(huì )對皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進(jìn)行測量，并將獲得的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長(cháng)時(shí)間工作500 h，僅需套在手指上即可實(shí)時(shí)監測用戶(hù)的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計或血壓計。這些產(chǎn)品都體現了區別于常規電子儀器的顯著(zhù)特征：①非介入地檢測生理信號;②通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的方式連接用戶(hù)、醫護人員和數據系統;③續航時(shí)間長(cháng);④安全可靠。

　　1.2 穿戴式醫療設備的需求分析

　　為了滿(mǎn)足穿戴式醫療設備在功耗、性能、體積等方面的要求，所選用的MCU需要滿(mǎn)足以下要求：①低成本;②高能效;③高休眠效率;④高集成度。在控制成本方面，可以考慮低功耗的8/16 bit單片機或基于A(yíng)RM Cortex-M系列內核的32 bit單片機，這些芯片出貨量巨大，批量?jì)r(jià)格一般比較低。在能效方面，應選用低運行功耗、高運算能力的MCU系列，低功耗可以提高續航能力，高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數據處理。在休眠效率方面，應選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時(shí)間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設豐富且性能優(yōu)越的MCU系列，有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統穩定性。

　　2 典型低功耗MCU系列的比較

　　各大半導體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，紛紛推出適用于穿戴式醫療設備的中低端MCU系列。表1和表2將16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開(kāi)對比，8 bitMCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫療設備的發(fā)展趨勢，其市場(chǎng)也正被ARM Cortex-M系列內核的MCU蠶食。

　　表1重點(diǎn)比較了16 bit/32 bit內核的性能差別，32bit的內核在運算效率方面全面超越16 bit 的內核，意味著(zhù)當穿戴式醫療設備需要在片上執行數據處理和復雜算法時(shí)，Cortex-M系列內核的32 bit MCU更具優(yōu)勢。表2則將典型的低功耗MCU展開(kāi)能效對比，可以發(fā)現16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢已不明顯，以低功耗著(zhù)稱(chēng)的MSP430系列在運行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內核的STM32L系列相差無(wú)幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時(shí)間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應方面有良好表現。

　　表1 典型低功耗內核架構的性能對比

　　注：(1)內核性能的測試結果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數據為準。

　　表2 典型低功耗MCU的能效對比

　　注： (1) 對于表1的MCU系列具體型號的測試報告，所挑選的型號片上配置相近，Flash容量均為64 kB;

　　(2) 常溫條件+25 oC，所有外設關(guān)閉，程序從Flash運行;MCU供電電壓除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均為3.0 V;各型號的測試結果均為當前主頻下的最佳配置;

　　(3) 休眠功耗的測試標準：片內主時(shí)鐘和所有外設關(guān)閉，RTC打開(kāi)，保留RAM。

　　綜合表1和表2可見(jiàn)，Cortex-M系列內核的32 bitMCU在功耗水平上已經(jīng)做到與傳統8 /16 bit MCU相當，而在運算效率上優(yōu)勢明顯，更適合那些對任務(wù)和算法有較高要求的穿戴式醫療設備。

　　3 基于Cortex-M0+內核的MCU選型分析

　　3.1 Cortex M系列內核的對比

　　Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，是ARM公司針對那些對成本敏感、同時(shí)對能效有較高要求的應用而設計的。當傳統的8/16 bit MCU在性能、功能上表現越來(lái)越乏力時(shí)，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內核。Cortex-M0內核以?xún)?yōu)異的表現擊敗了傳統的8bit MCU，成功殺入低端的MCU市場(chǎng)。在這契機下，ARM公司于2012年相應適宜地推出M0的升級版——M0+，在能效和功能上作進(jìn)一步的優(yōu)化和增設，以超低的能耗提供更快的任務(wù)處理能力。

　　從表1和2的數據可知，三者內核性能的排序為M3》M0+》M0，運行功耗的排序為M3》M0》M0+，即M0+內核的能效高于 M0，運算性能僅次于M3。由于M0+在價(jià)格方面比M3有優(yōu)勢，故更適合于執行低成本、高能效的任務(wù)。綜合可知，那些對功耗有苛刻要求、運算處理任務(wù)較復雜、且需要控制成本的設備選擇M0+內核的MCU最為合適。

　　3.2 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列

　　各大MCU生產(chǎn)廠(chǎng)商結合自身的優(yōu)勢對Cortex-M0+內核加以整合優(yōu)化，在功耗、性能和外設方面各有所長(cháng)。表3列舉了市場(chǎng)上M0+內核的主流MCU系列，并結合穿戴式醫療設備的需求進(jìn)行分析。

　　表3 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列

　　注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內核的產(chǎn)品線(xiàn)，Cortex-M系列MCU的中國市場(chǎng)在2012年達到1.68億美元，其中ST以35%的市場(chǎng)份額居于首位，而NXP位居第二占有32%;

　　(2) Silicon Labs于2013年收購了專(zhuān)攻低功耗領(lǐng)域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

　　上述Cortex M0+內核的MCU 系列可為穿戴式醫療設備開(kāi)發(fā)者提供多種選擇，而具體的MCU型號要根據設備的實(shí)際需求來(lái)決定。在同一系列里，MCU的最高主頻、內核效率、功耗狀況都是一致的，具體型號之間的差別在于片上資源。如表4所示，STM32L0系列分為3條主要的產(chǎn)品線(xiàn)，差異就體現在一些特殊的集成外設，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當地選用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個(gè)數，可降低系統成本和功耗。因此，片上集成資源的種類(lèi)、數量、功耗和性能，都是決定MCU選型的重要參考因素。

　　表4 STM32L0系列的3條產(chǎn)品線(xiàn)

　　3.3 MCU系統的低功耗策略

　　Cortex M0+內核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式，為穿戴式醫療設備的開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)良的平臺和電氣基礎。然而，如何在保持高性能的情況下，將任務(wù)的整體平均功耗降到最低，將是設備開(kāi)發(fā)者的重要任務(wù)。MCU系統的低功耗策略決定了設備的性能和續航時(shí)間，策略的制定需要從以下四個(gè)方面入手：

　　(1) 合理地控制MCU的時(shí)鐘系統，針對特定的任務(wù)，選擇適合系統運行的時(shí)鐘頻率，迅速完成復雜的任務(wù)爭取更多的休眠時(shí)間;

　　(2) 選擇恰當的休眠模式和休眠時(shí)間;

　　(3) 進(jìn)入休眠模式時(shí)， 將未用到的外設以及時(shí)鐘關(guān)閉;

　　(4) 優(yōu)化任務(wù)的時(shí)間片，將平均功耗降到最低。

　　圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設計的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統任務(wù)的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個(gè)模式之間切換：運行模式 1(EM0_1)，運行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時(shí)MCU工作在EM2，高頻時(shí)鐘和外設關(guān)閉，耗電流為IEM2;當定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，MCU從EM2中喚醒，將進(jìn)入EM0_1以f1主頻高速運行，此時(shí)耗電流為IEM0_1，同時(shí)啟動(dòng)A/D進(jìn)行心電信號采樣，采樣完畢后將數據暫存在 RAM中;如果緩存的數據量沒(méi)有達到閾值，M

　　CU將直接進(jìn)入EM2并定時(shí)等待;如果緩存的數據量達到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時(shí)間內達到IEM0_2，對緩存數據進(jìn)行處理并存儲到SD卡上，存儲完畢后進(jìn)入EM2。運行模式下使用到兩個(gè)不同的主頻f1和f2，分別是由 A/D采樣任務(wù)和SD卡存儲任務(wù)對運算能力的不同需求來(lái)決定，將任務(wù)的平均功耗最優(yōu)化。

　　圖1 基于Zero Gecko系列的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略

　　圖2 動(dòng)態(tài)心電記錄儀執行不同任務(wù)下的理論耗電流曲線(xiàn)

　　4 穿戴式醫療設備的MCU選型案例

　　血氧飽和度的監測是了解人體心血管生理狀況的重要手段，設計一款腕帶式血氧飽和度監測儀，設計目標：基于反射式光電容積脈搏波的測量方法，實(shí)現無(wú)創(chuàng )、連續地檢測人體動(dòng)脈血的血氧飽和度;對脈搏波信號進(jìn)行處理、分析，計算得到心率和呼吸頻率這兩個(gè)重要的生理參數;當用戶(hù)的血氧飽和度或心率超出正常預定范圍時(shí)，會(huì )自動(dòng)報警提醒。

　　圖3 腕帶式血氧飽和度監測儀的功能框圖

　　根據設計方案和目標進(jìn)行系統功能規劃，腕戴式血氧飽和度監測儀的功能框圖如圖3所示。該設備對MCU的特殊要求有：

　　(1) 高能效，即低運行功耗、超低休眠功耗和較高的運算性能;

　　(2) 低功耗的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈搏波采樣頻率設為200Hz;

　　(3) USB控制器，需要通過(guò)USB接口燒寫(xiě)程序或與主機通訊。

　　綜合考慮了該設備對MCU性能、功耗以及外設所提出的要求，可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行MCU選型：

　　(1) 結合前文對不同內核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內核;

　　(2) 根據Cortex M0+內核MCU系列的橫向比較，選擇集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間采樣的需求;

　　(3) 考慮到帶USB控制器的型號， 可以選擇STM32L052C8作為設備的主控制器，從而達到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。

　　在實(shí)際的MCU選型中要具體問(wèn)題具體分析，根據現有的MCU系列和設備的切實(shí)需求，做出最恰當的抉擇。