便攜醫(yī)療設(shè)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(shí)的逐步提高，使得人類(lèi)對(duì)便攜式醫(yī)療電子儀器的需求日益增長(zhǎng)，生物測(cè)量與醫(yī)療儀器正成為21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)之一。反之，隨著各類(lèi)便攜式生物醫(yī)學(xué)儀器的進(jìn)步和普及，測(cè)量精度、功耗、運(yùn)算能力、成本和集成度等指標(biāo)的提高，對(duì)電子器件尤其是微控制器(MCU)提出了更高要求。

在家用醫(yī)療市場(chǎng)的逐步開(kāi)放、偏遠(yuǎn)地域居民和軍隊(duì)野外作戰(zhàn)訓(xùn)練時(shí)的醫(yī)護(hù)需求、醫(yī)院內(nèi)部臨床診斷和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求等因素的共同驅(qū)動(dòng)下，部分傳統(tǒng)專業(yè)級(jí)醫(yī)療設(shè)備已逐步走向便攜化。便攜式醫(yī)療電子儀器的快速發(fā)展，使得移動(dòng)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療、個(gè)人日常健康監(jiān)測(cè)和治療成為可能。便攜化的趨向給醫(yī)療電子儀器的設(shè)計(jì)提出了低功耗、高集成度和簡(jiǎn)單易用的要求，此外，儀器設(shè)計(jì)智能化和算法復(fù)雜化使得核心處理器必須具備更高的計(jì)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(shè)計(jì)的首要步驟。以TI、Freescale、ST、Silicon Labs、Microchip和Renesas為代表的半導(dǎo)體芯片公司，紛紛針對(duì)便攜式醫(yī)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(hào)處理器。當(dāng)各類(lèi)MCU廠商皆宣稱自己產(chǎn)品功耗最低、外設(shè)豐富和性能優(yōu)越時(shí)，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合自身科研和產(chǎn)品的現(xiàn)有需求與未來(lái)幾年的升級(jí)規(guī)劃來(lái)合理分析，從而選擇較合適的MCU進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)。

1 便攜式醫(yī)療電子儀器簡(jiǎn)介

1.1 家用與臨床便攜式醫(yī)療儀器

以電子溫度計(jì)、血糖儀、數(shù)字血壓計(jì)、低頻理療儀為代表的家用醫(yī)療電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，市場(chǎng)需求的可提升空間巨大。此類(lèi)儀器設(shè)計(jì)對(duì)成本十分敏感，片上集成相應(yīng)外設(shè)的MCU能有效降低系統(tǒng)成本，同時(shí)還有利于縮小尺寸和提高穩(wěn)定性;對(duì)MCU運(yùn)算性能則要求不高，傳統(tǒng)8 bit或16 bit內(nèi)核基本滿足設(shè)計(jì)需求。

此外，以動(dòng)態(tài)心電記錄儀和動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀為代表的臨床便攜式醫(yī)用設(shè)備，具有測(cè)量精度高、可連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜和通訊功能多樣等特點(diǎn)。對(duì)于此類(lèi)儀器設(shè)計(jì)，混合模擬性能強(qiáng)、高運(yùn)算能效和集成外設(shè)豐富的MCU將發(fā)揮巨大作用。

1.2 穿戴式醫(yī)療電子設(shè)備

近年來(lái)，各類(lèi)可穿戴式醫(yī)療電子設(shè)備層出不窮，可穿戴式特點(diǎn)對(duì)儀器的便攜性和低功耗設(shè)計(jì)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(yùn)算能力和算法復(fù)雜度來(lái)降低有效數(shù)據(jù)量，從而減輕數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊的負(fù)載壓力，最終降低功耗;另一方面，關(guān)注片上外設(shè)豐富且性能優(yōu)越的MCU家族，從而能減小設(shè)備尺寸，更有益于提高整機(jī)穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)成本。

2 典型MCU選型分析

主要圍繞便攜式醫(yī)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

隨著半導(dǎo)體工藝與集成電路設(shè)計(jì)水平的提高，各大半導(dǎo)體廠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(nèi)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(tǒng);靈活多變的低功耗管理模式，簡(jiǎn)單快速的休眠喚醒機(jī)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(dú)立的外設(shè)時(shí)鐘控制開(kāi)關(guān)，多種內(nèi)外時(shí)鐘源選擇;豐富節(jié)能的模擬和數(shù)字外設(shè)集，可根據(jù)具體應(yīng)用選擇特定的集成外設(shè)和相應(yīng)容量的片上存儲(chǔ)器。

表1主要低功耗MCU家族及其生產(chǎn)廠商

表2和表3選取目前市場(chǎng)上的主流低功耗MCU產(chǎn)品，對(duì)比了它們的功耗參數(shù)與系統(tǒng)指標(biāo)。由此可見(jiàn)，得益于ARM公司高效率、低成本的Cortex-M系列內(nèi)核的32 bitMCU，在功耗水平上已與傳統(tǒng)8 bit、16 bit低功耗MCU相當(dāng)，甚至像以專攻低功耗領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)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(shì)也相當(dāng)明顯。其次，F(xiàn)reescale在2012年3月全球首推基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的Kinetis L(簡(jiǎn)稱KL)系列微控制器，旨在32 bit入門(mén)級(jí)的KL系列MCU將卓越的能源效率與易用性同其豐富的外設(shè)相結(jié)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(nèi)核的超高運(yùn)算效率、高性能外設(shè)(如業(yè)界獨(dú)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(shì)，將對(duì)8 bit、16 bit MCU市場(chǎng)造成強(qiáng)勁的沖擊。此外，ST公司的STM32L系列低功耗MCU雖然在功耗指標(biāo)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)。相比其它32 bit低功耗MCU，三者在運(yùn)算性能、功耗和外設(shè)集成度上彼此差距較小，選用STM32L的最大優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)發(fā)門(mén)檻低、參考資源豐富和經(jīng)驗(yàn)分享直接。

表2 典型低功耗微處理器的CPU絕對(duì)功耗對(duì)比

表3 典型低功耗微處理器系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)比

TI公司最新推出代號(hào)為“金剛狼(Wolverine)”的MSP430FR系列MCU，將鐵電存儲(chǔ)器集成至片上，代替原有Flash作為程序存儲(chǔ)器，提高內(nèi)存讀寫(xiě)速度的同時(shí)還大幅降低了能耗。由表1數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，“金剛狼”系列為MSP430超低功耗MCU產(chǎn)品線注入了新的活力，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(shì)的壓迫下，功耗參數(shù)已慢慢相差無(wú)幾，微弱的功耗優(yōu)勢(shì)對(duì)于絕大多數(shù)便攜式儀器設(shè)計(jì)而言，已成為可以忽略的次要矛盾。對(duì)于任務(wù)和算法要求逐漸提高的便攜式醫(yī)療電子儀器，更高運(yùn)算效率和主頻的32 bit MCU，可以在相同時(shí)間內(nèi)更快地完成工作，從而為休眠爭(zhēng)取更多時(shí)間，從系統(tǒng)上降低功耗，并使得任務(wù)和事件獲得更快的響應(yīng)。