支持醫療保健應用的超低功耗微控制器

一個(gè)醫療保健產(chǎn)品的架構簡(jiǎn)單地講，分為幾個(gè)區塊，如圖1所示。首先是微控制器本身，它包含著(zhù)信號處理能力，其次，是用作信號調節的AD/DA的轉換，另外，還有電源管理區塊，在系統中，功耗表現良好非常重要，還有人機界面、音頻放大、通信接口等。通信接口還包括BT/LE、Wifi、ZigBee、GSM/CDMA、以太網(wǎng)/USB等。這些都牽涉到低功耗的界面，低功耗的規格等。

手持式或者是便攜型的醫療保健產(chǎn)品在設計上最大的挑戰之一就是如何延長(cháng)電池的使用壽命，使用低功耗的微處理器是很重要的方面。

要求病人更換電池，令醫療設備的使用效益大大降低。針對這個(gè)挑戰，應對方案就是低功耗技術(shù)。將擁有無(wú)線(xiàn)技術(shù)的超低功耗微處理器作為低功耗網(wǎng)絡(luò )設備的大腦，還有就是通過(guò)高效的軟件設計使用各種睡眠模式。

圖1 醫療/保健設備架構

一般而言，低功耗的微處理器在設計上有一下的要求：84μA/MHz 運行電流(MCU); 停止模式運行50nA  (MCU);RTC運行600nA (MCU);LCD運行500nA  (MCU);4μs喚醒時(shí)間(MCU)。超低功耗微處理器要求1600+MIPS1W (MPU)。

飛思卡爾已經(jīng)推出一些列Kinetis系列，其中以低功耗特點(diǎn)著(zhù)稱(chēng)的就有Kineits L系列。

Kineits L系列

Kineits  L系列微處理器是什么樣的一個(gè)產(chǎn)品呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它可以替代眾多8位MCU的產(chǎn)品，因為它具有低功耗、低價(jià)位的特性，而且容易使用。從能源效率來(lái)講，它具有同級中較領(lǐng)先的Coremark/mW。另外，它還具有可擴展的性能和集成度，即Kinetis  L到K系列(Cortex-M0+toM4)。在容易使用上面，它得到飛思卡爾支持并加上ARM生態(tài)系統的支持。Kineits  L系列微處理器的主要特性如表1所示。同時(shí)它Kineits L系列微處理器在存儲器封裝的可擴展性方面表現也很出色。

超高效的Cortex-M0+處理器是較為節能的32位處理器，擁有較領(lǐng)先的吞吐量/mA，它的節能特點(diǎn)表現在以下三個(gè)方面：第一，節能架構，采用90nm  TFS技術(shù)、時(shí)鐘和功率門(mén)控技術(shù)進(jìn)行低功耗優(yōu)化，高效的平臺擁有低功耗啟動(dòng)選項、具有位處理引擎、外設橋接交叉開(kāi)關(guān)和零等待狀態(tài)閃存控制器;第二，超低功耗模式，多種靈活的功率模式，適合不同的應用使用情況，旨在較大限度地延長(cháng)電池壽命;第三，節能的外設，智能外設可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數據，而無(wú)需喚醒內核。

表1 Kineits L系列：MCU家族

表2 超低功耗模式

Cortex-M0+，“+”代表什么呢?目的是采用2級管道以減少門(mén)控數，增加吞吐量/mA，從而提高能源效率，比Cortex-M0降低30%的功耗，比Cortex-M0提高56%的能效。不僅如此，它還具備出眾的性能，即2.42  CoreMark/MHz，比Cortex-M0提高9%的性能。

擴展系統級功能包括：?jiǎn)沃芷诳焖買(mǎi)/O訪(fǎng)問(wèn)端口促進(jìn)位拆裂(bit-banging)和軟件協(xié)議仿真，保持8位的“外觀(guān)和體驗”，速度比普通I/O快50%;片上微跟蹤緩沖區(MTB)提升了用戶(hù)調試體驗，優(yōu)化的捕獲機制，只將程序流信息的變更存儲在用戶(hù)配置的系統RAM中，可以通過(guò)調試器使用MTB內容和應用程序源代碼重構大型程序序列。

節能的架構

? 90nm的薄膜存儲(TFS)技術(shù)

-與現有技術(shù)相比，動(dòng)態(tài)功耗降低約1/3

- Flash支持低功耗模式和快速的編程/擦除時(shí)間

-從SRAM開(kāi)始執行時(shí)，提供Flash禁用選項

-處于等待模式時(shí)，Flash打盹選項禁用(增加約1μs的喚醒時(shí)間)

?時(shí)鐘和功率門(mén)控

-為了節省功耗，外設時(shí)鐘默認為禁用

- LLS和VLLSx模式關(guān)閉大多數邏輯元件的電源，但保持節能外設和喚

?醒源的電源

-在計算操作(Compute Operation)和局部(Partial STOP)選項中提供自動(dòng)平臺時(shí)鐘控制，以進(jìn)一步降低動(dòng)態(tài)功耗

?低功耗的I/O引腳配置

- I/O引腳默認為低功耗配置，將引 腳與數字邏輯斷開(kāi)，這樣無(wú)需配置未使用的I/O引腳，以減少引腳漏電的情況

?低功耗啟動(dòng)選項

-可配置上電復位和低功耗恢復時(shí)間，以消除電源尖峰電壓

?位處理引擎(BME)

-智能負載和存儲能力為外設改進(jìn)了周期數，減少了代碼大小

?外設橋接交叉開(kāi)關(guān)(AXBS Lite)

-支持從主機(內核和DMA)到從機(存儲器和外設)的并行訪(fǎng)問(wèn)

?閃存控制器(FMC)

- 4路、4組32位閃存緩存，可減少flash訪(fǎng)問(wèn)次數，從而消除等待狀態(tài)

從低功耗節能模式對比中可以看出，嵌入式系統中的典型功率模式分為運行——等待——停止。Cortex-M功率模式分為運行——睡眠——深度睡眠。但是，飛思卡爾Kinetis擴展性功率模式中，增加了低功耗喚醒單元，它可完全關(guān)閉內核邏輯，包括WIC，進(jìn)一步減少低功耗模式下的電流漏電情況，支持16個(gè)外部輸入引腳和8個(gè)內部模塊作為喚醒源，喚醒輸入在LLS或VLLS模式中激活。表2詳細地說(shuō)明了飛思卡爾Kinetis擴展性超低功耗模式。它超越了典型的運行、睡眠和深度睡眠模式電源選項的設計旨在大限度地延長(cháng)不同應用中的電池壽命。

Kinetis KL02在超高效處理、靈活的超低功耗模式和自主的低功耗外設。其中，超高效處理包括ARM Cortex-M0+處理器;低功耗90nm TFS  Flash技術(shù);位處理引擎;外設橋接交叉開(kāi)關(guān);零等待狀態(tài)的閃存控制器。靈活的超低功耗模式包括9種靈活的RUN、WAIT和STOP模式，支持多種應用使用情況;4μs的深度喚醒時(shí)間;時(shí)鐘和功率門(mén)控;低功耗啟動(dòng)選項。自主的低功耗外設又包括智能外設可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數據，而無(wú)需喚醒內核UART、定時(shí)器、ADC。

智能外設可延長(cháng)深度睡眠模式的時(shí)間，無(wú)CPU干擾，從而延長(cháng)電池壽命。節能的外設細節和說(shuō)明如下所示。

? DMA

-允許節能外設(不包括ADC，UART和定時(shí)器/ PWM)在停止/  VLPS模式中觸發(fā)異步DMA請求，執行DMA傳輸，隨后在無(wú)CPU干擾的情況下返回當前的電源模式

? UART

-支持總線(xiàn)時(shí)鐘的異步發(fā)送和接收操作，總線(xiàn)時(shí)鐘支持到停止/  VLPS模式的通信?？膳渲媒邮掌鞑ㄌ芈?，過(guò)采樣率達4~32倍，允許以較低的時(shí)鐘源實(shí)現更高的波特率

? SPI

-支持從模式地址匹配喚醒功能和到 停止/ VLP模式的首條消息捕獲功能

? I2C

-支持到停止/ VLPS模式的多個(gè)地址匹配喚醒功能

?USB

-支持到停止/VLPS模式的異步喚醒恢復信令

? LPTPM(Timer/PWM)

-支持到停止/ VLPS模式的16位定時(shí)器輸入捕捉，輸出比較和PWM功能

? LPTMR(Timer/Pulse Counter)

-在所有電源模式中支持16位定時(shí)器和脈沖計數器功能

? RTC

-在所有電源模式中支持帶有秒中斷和可編程告警的32位秒計數器，包括溫度和電壓補償

? ADC

-停止/ VLPS模式支持多個(gè)結果寄 存器中的單次轉換，提供硬件平均和自動(dòng)比較模式

? CMP (模擬比較器)

-在所有電源模式以及觸發(fā)比較模式中支持閾值越限檢測，比平均功率 更低

? DAC

-在所有電源模式中支持靜態(tài)參考

? LCD段

-在所有電源模式中支持交替顯示和閃爍功能

? TSI (電容觸摸感應接口)

-在所有電源模式中支持單個(gè)通道喚

醒電容式觸摸

? LLWU(低功耗喚醒單元)

-在LLS和VLLSx模式中支持8個(gè)喚醒引腳，RESET和NMI喚醒引腳，以及一些節能外設低功耗操作

低功耗關(guān)鍵點(diǎn)

在低功耗模式和活動(dòng)運行模式兩種模式中，低功耗的關(guān)鍵是減少能源使用總量。L系列M0+內核在配備更快的系統時(shí)鐘速度時(shí)的運行速度Idd也許稍高，但L系列改進(jìn)的效率允許更快進(jìn)入低功耗模式，從而在整體上節省了功率。IOPORT允許單周期訪(fǎng)問(wèn)GPIO，能直接減少活動(dòng)電流，此功能在GPIO密集型應用中更顯著(zhù)。BME最高能減少40%的位處理執行時(shí)間，從而直接減少活動(dòng)電流。新的低功耗啟動(dòng)選項允許量身定制啟動(dòng)電流，以滿(mǎn)足某些特定的低功耗應用。新的節能外設和異步DMA允許其在停止和VLP模式中運行。

問(wèn)：請問(wèn)支持醫療設備的和工業(yè)設備的MCU區別是什么?

答：飛思卡爾的MCU解決方案同時(shí)支持工業(yè)和醫療應用設計。飛思卡爾推出的產(chǎn)品長(cháng)期供貨計劃，產(chǎn)品推出之后至少供應10年。醫療用的IC至少15年。

問(wèn)：飛思卡爾MCU超低功耗的具體水平能達多少呢?

答：功耗水平可以達到nA級別。

問(wèn)：飛思卡爾都是低功耗的嗎?

答：飛思卡爾微控制器中，L系列都是Low Power系列。

問(wèn)：Kinetis L系列的低功率操作模式有幾種?

答：一共9種。

問(wèn)：Kinetis L系列微控制器有休眠、待機之類(lèi)的模式嗎?切換起來(lái)方便嗎?能否由中斷喚醒?

答：飛思卡爾豐富了Kinetis L系列微控制器不同的工作模式，不同的功耗模式切換容易，有外設中斷喚醒功能。

問(wèn)：飛思卡爾是否提供支持KinetisL系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)平臺和軟件?

答：飛思卡爾提供了Codewarrior，現在版本10.5，另外還支持IAR和KEIL的支持，在飛思卡爾MCU產(chǎn)品的sample  code中會(huì )包含這三種IDE的示例代碼。

問(wèn)：KinetisL系列MCU的封裝標準是什么?

答：Kinetis L系列支持LQFP、BGA、QFN和WLCSP封裝。

問(wèn)：飛思卡爾E系列MCU的ADC有什么基本性能指標?

答：1個(gè)16通道12位SAR  ADC，帶有內部帶隙參考通道，在停止模式下運行，可選擇的硬件觸發(fā)器(ADC)，兩個(gè)模擬比較器，內含一個(gè)6位DAC和可編程參考輸入(ACMP) 。

問(wèn)：請問(wèn)M0+有哪些低功耗外設可以獨立工作?

答：所有外設都可以在低功耗模式下工作(LPRUN、LPSTOP等)，其中TPM、UART0、DMA可以在更低的功耗模式下工作，RTC、LPTMR、 LLS  GPIO可以在相對最低的功耗模式下工作。

問(wèn)：低功耗的MCU有沒(méi)有16位ADC?

答：KL1X、KL2X、KL4X都是16bits ADC，只有KL0X和部分KL1X是12bits。

問(wèn)：ADC最多是幾路?

答：最多24路ADC，兩個(gè)ADC模塊。

問(wèn)：醫療應用有哪些特殊要求?

答：醫療用MCU的新的設計趨勢是：更高的測量精度、更低的功耗、更長(cháng)的產(chǎn)品生命支持、片上閃存設計而不是OTP、提高產(chǎn)品的可靠性等等。飛思卡爾的Kinetis  L MCU滿(mǎn)足這些設計要求。

問(wèn)：醫療設計中的網(wǎng)絡(luò )通信設計這塊可以提供哪些?

答：有BAN、WAN、Wi-Fi、NFC、Bluetooth、ANT+、GPRS/3G等等都是很好的例子。

問(wèn)：醫療保健應用的微控制器系列支持哪幾種操作系統?

答：飛思卡爾的Kinetis L MCU可與飛思卡爾的實(shí)時(shí)操作系統 RTOS MQX-lite (MQX精簡(jiǎn)版)，以及其他低體重 (low  weight)實(shí)時(shí)操作系統，例如FreeRTOS等。

問(wèn)：這款MCU有沒(méi)有較小封裝?是什么樣的SoC封裝?

答：飛思卡爾的Kinetis L MCU支持2mm×2mm WLCSP封裝，它是迄今為止世界上較小的封裝MCU產(chǎn)品。

問(wèn)：請問(wèn)KinetisKL02系列的特點(diǎn)有些什么?

答：32位ARM  Cortex-M0+內核，與最接近的8/16位架構相比，CoreMark/mA能效得分高約2倍;內部的LPUART、SPI、I2C、ADC和LP定時(shí)器和DMA支持低功耗模式運行，無(wú)需喚醒內核;多達28個(gè)可控GPIO，支持引腳中斷;內部的LPTMR低功耗定時(shí)器能夠在除VLLS0外的所有功率模式下運行;內部帶有12位AD等。

問(wèn)：器件最多能提供幾路I/O口?

答：這要具體看封裝，比如64腳的，有50多路GPIO。

問(wèn)：32位MCU和16位MCU哪個(gè)更適合繼電保護應用?

答：都可以，具體可以根據需求選擇。

問(wèn)：具體應用上有哪些須特別注重的問(wèn)題或關(guān)鍵點(diǎn)呢?

答：這個(gè)要看具體的應用了，如一些應用中，對EMC性能要求比較高，就要考慮處理不使用的引腳，reset引腳，NMI引腳的處理和設置等。