便攜醫(yī)療設(shè)備MCU選型必備寶典

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

2.2 集成外設(shè)及其性能分析

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動了系統(tǒng)集成度變得越來越高，這使得硬件系統(tǒng)的體積、功耗、成本和穩(wěn)定度等指標(biāo)都得到了大幅提升，硬件系統(tǒng)的設(shè)計也變得越來越簡單。對于便攜式醫(yī)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(shè)的種類、數(shù)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(shè)及其主要功能。

圖1 MCU集成外設(shè)及其主要功能

生理參數(shù)的主要特點為：種類多，彼此間多存在相關(guān)性;信號譜多集中在幾十kHz范圍內(nèi);信號微弱，變化范圍較大;特征變異的突發(fā)性和無規(guī)律性較強(qiáng)。因此，以信號測量為主要目的便攜式醫(yī)療電子儀器，MCU模擬外設(shè)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(nèi)ADC最多通道數(shù)為 8 個，對于傳統(tǒng)12導(dǎo)聯(lián)動態(tài)心電記錄儀設(shè)計，測量將沒有任何擴(kuò)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(tǒng)中可以節(jié)省一級信號放大，從而縮減模擬電路規(guī)模，降低系統(tǒng)成本并提高穩(wěn)定度和集成度;在同等條件下，精度可提高16 倍，動態(tài)范圍可擴(kuò)大25 dB。

由于 ， 部分儀器通常需要同步測量多參數(shù)信號，數(shù)據(jù)量和記錄時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(shè)計帶有SD卡記錄功能的儀器時，可提高SD卡讀寫的可靠性和速率等指標(biāo)。此外，除了考慮它們的數(shù)量、限制速率等指標(biāo)是否符合設(shè)計需求外，必須關(guān)注各部分的單位功耗。表5舉例說明了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，外設(shè)功耗的差距對于系統(tǒng)整體功耗的影響不容忽視。

2.3 時鐘系統(tǒng)的重要性

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

表4 典型低功耗微處理器的外設(shè)對比

表5 兩款MCU數(shù)字外設(shè)功耗對比

表6 飛思卡爾Kinetis MCU家族全系列介紹

2.4 軟件開發(fā)與可擴(kuò)展性

儀器設(shè)計離不開嵌入式軟件的開發(fā) ， 由16 bitMCU開始，C語言程序設(shè)計已基本代替了原本基于指令集的匯編語言設(shè)計，僅僅在篇幅不多的啟動文件中，才會利用匯編指令進(jìn)行一些堆棧初始化、中斷向量表配置和系統(tǒng)初始化函數(shù)的跳轉(zhuǎn)等操作。為了簡化軟件的重用性、縮短微控制器新開發(fā)人員的學(xué)習(xí)過程、提高新設(shè)備的開發(fā)效率，ARM公司設(shè)計了以C語言為基礎(chǔ)的Cortex-M內(nèi)核微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard)，為不同MCU庫函數(shù)開發(fā)提供了統(tǒng)一的硬件抽象。因此，選用32 bit低功耗MCU，統(tǒng)一遵守CMSIS規(guī)則，軟件開發(fā)成本和效率都會得到改善，尤其對于入門設(shè)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(shè)結(jié)構(gòu)、管腳封裝和底層驅(qū)動函數(shù)上保持一定兼容性。因此，宏觀把握MCU系列的完整面貌，可以全面認(rèn)識所選平臺的可擴(kuò)展性，為將來儀器升級、提高新產(chǎn)品開發(fā)的效率做好鋪墊。

3 典型設(shè)計案例

針對慢性心血管病的特點，設(shè)計一款新型動態(tài)心血管參數(shù)監(jiān)測儀，設(shè)計目標(biāo)：患者隨身攜帶該儀器進(jìn)行24 h以上動態(tài)參數(shù)測量和記錄;白天利用示波法定時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(zhǔn)基礎(chǔ))，夜間通過光電容積術(shù)連續(xù)記錄患者的脈搏波，24 h全程連續(xù)記錄多導(dǎo)ECG信號。該設(shè)計，整合了動態(tài)心電記錄儀與動態(tài)血壓監(jiān)測儀的功能，此外借助脈搏波與心電在夜間無擾動地測量血壓的連續(xù)變化，同時還可獲得血氧飽和度參數(shù)，具有較高的臨床應(yīng)用價值。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)方案設(shè)計對MCU及其外設(shè)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(tǒng)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 便攜式動態(tài)心血管參數(shù)監(jiān)測儀的系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語

便攜式醫(yī)療電子儀器的家用化進(jìn)程逐漸加快，半導(dǎo)體公司已紛紛洞察該市場，并推出各具特色的低成本、低功耗和高集成度MCU系列，甚至專門成立醫(yī)療產(chǎn)品事業(yè)部，為此類儀器開發(fā)提供解決方案，從而搶占芯片市場。以ARM Cortex-M為內(nèi)核的32 bit低功耗MCU憑借極具性價比的產(chǎn)品優(yōu)勢，逐步加深了對8 bit、16 bitMCU市場份額的擠壓，設(shè)計者當(dāng)緊跟時代步伐，切身關(guān)注半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢，結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)品的特點與未來新產(chǎn)品的需求，選擇最為合適的MCU平臺，從而設(shè)計出性能卓越、價格低廉的儀器設(shè)備，為人類健康事業(yè)做出更切實的貢獻(xiàn)。