支持醫(yī)療保健應用的超低功耗微控制器

一個醫(yī)療保健產(chǎn)品的架構(gòu)簡單地講，分為幾個區(qū)塊，如圖1所示。首先是微控制器本身，它包含著信號處理能力，其次，是用作信號調(diào)節(jié)的AD/DA的轉(zhuǎn)換，另外，還有電源管理區(qū)塊，在系統(tǒng)中，功耗表現(xiàn)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(guī)格等。

手持式或者是便攜型的醫(yī)療保健產(chǎn)品在設(shè)計上最大的挑戰(zhàn)之一就是如何延長電池的使用壽命，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(yī)療設(shè)備的使用效益大大降低。針對這個挑戰(zhàn)，應對方案就是低功耗技術(shù)。將擁有無線技術(shù)的超低功耗微處理器作為低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大腦，還有就是通過高效的軟件設(shè)計使用各種睡眠模式。

圖1 醫(yī)療/保健設(shè)備架構(gòu)

一般而言，低功耗的微處理器在設(shè)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，其中以低功耗特點著稱的就有Kineits L系列。

Kineits L系列

Kineits  L系列微處理器是什么樣的一個產(chǎn)品呢?簡單來說，它可以替代眾多8位MCU的產(chǎn)品，因為它具有低功耗、低價位的特性，而且容易使用。從能源效率來講，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(tǒng)的支持。Kineits  L系列微處理器的主要特性如表1所示。同時它Kineits L系列微處理器在存儲器封裝的可擴展性方面表現(xiàn)也很出色。

超高效的Cortex-M0+處理器是較為節(jié)能的32位處理器，擁有較領(lǐng)先的吞吐量/mA，它的節(jié)能特點表現(xiàn)在以下三個方面：第一，節(jié)能架構(gòu)，采用90nm  TFS技術(shù)、時鐘和功率門控技術(shù)進行低功耗優(yōu)化，高效的平臺擁有低功耗啟動選項、具有位處理引擎、外設(shè)橋接交叉開關(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電池壽命;第三，節(jié)能的外設(shè)，智能外設(shè)可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數(shù)據(jù)，而無需喚醒內(nèi)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級管道以減少門控數(shù)，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(tǒng)級功能包括：單周期快速I/O訪問端口促進位拆裂(bit-banging)和軟件協(xié)議仿真，保持8位的“外觀和體驗”，速度比普通I/O快50%;片上微跟蹤緩沖區(qū)(MTB)提升了用戶調(diào)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配置的系統(tǒng)RAM中，可以通過調(diào)試器使用MTB內(nèi)容和應用程序源代碼重構(gòu)大型程序序列。

節(jié)能的架構(gòu)

? 90nm的薄膜存儲(TFS)技術(shù)

-與現(xiàn)有技術(shù)相比，動態(tài)功耗降低約1/3

- Flash支持低功耗模式和快速的編程/擦除時間

-從SRAM開始執(zhí)行時，提供Flash禁用選項

-處于等待模式時，F(xiàn)lash打盹選項禁用(增加約1μs的喚醒時間)

?時鐘和功率門控

-為了節(jié)省功耗，外設(shè)時鐘默認為禁用

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

?醒源的電源

-在計算操作(Compute Operation)和局部(Partial STOP)選項中提供自動平臺時鐘控制，以進一步降低動態(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(shù)字邏輯斷開，這樣無需配置未使用的I/O引腳，以減少引腳漏電的情況

?低功耗啟動選項

-可配置上電復位和低功耗恢復時間，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(shè)改進了周期數(shù)，減少了代碼大小

?外設(shè)橋接交叉開關(guān)(AXBS Lite)

-支持從主機(內(nèi)核和DMA)到從機(存儲器和外設(shè))的并行訪問

?閃存控制器(FMC)

- 4路、4組32位閃存緩存，可減少flash訪問次數(shù)，從而消除等待狀態(tài)

從低功耗節(jié)能模式對比中可以看出，嵌入式系統(tǒng)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(nèi)核邏輯，包括WIC，進一步減少低功耗模式下的電流漏電情況，支持16個外部輸入引腳和8個內(nèi)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(shè)計旨在大限度地延長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(shè)。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(shè)橋接交叉開關(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的深度喚醒時間;時鐘和功率門控;低功耗啟動選項。自主的低功耗外設(shè)又包括智能外設(shè)可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數(shù)據(jù)，而無需喚醒內(nèi)核UART、定時器、ADC。

智能外設(shè)可延長深度睡眠模式的時間，無CPU干擾，從而延長電池壽命。節(jié)能的外設(shè)細節(jié)和說明如下所示。

? DMA

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

? UART

-支持總線時鐘的異步發(fā)送和接收操作，總線時鐘支持到停止/  VLPS模式的通信?？膳渲媒邮掌鞑ㄌ芈剩^采樣率達4~32倍，允許以較低的時鐘源實現(xiàn)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位定時器和脈沖計數(shù)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(shù)器，包括溫度和電壓補償

? ADC

-停止/ VLPS模式支持多個結(jié)果寄 存器中的單次轉(zhuǎn)換，提供硬件平均和自動比較模式

? 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個喚醒引腳，RESET和NMI喚醒引腳，以及一些節(jié)能外設(shè)低功耗操作

低功耗關(guān)鍵點

在低功耗模式和活動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(nèi)核在配備更快的系統(tǒng)時鐘速度時的運行速度Idd也許稍高，但L系列改進的效率允許更快進入低功耗模式，從而在整體上節(jié)省了功率。IOPORT允許單周期訪問GPIO，能直接減少活動電流，此功能在GPIO密集型應用中更顯著。BME最高能減少40%的位處理執(zhí)行時間，從而直接減少活動電流。新的低功耗啟動選項允許量身定制啟動電流，以滿足某些特定的低功耗應用。新的節(jié)能外設(shè)和異步DMA允許其在停止和VLP模式中運行。

問：請問支持醫(yī)療設(shè)備的和工業(yè)設(shè)備的MCU區(qū)別是什么?

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

問：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：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：Kinetis L系列的低功率操作模式有幾種?

答：一共9種。

問：Kinetis L系列微控制器有休眠、待機之類的模式嗎?切換起來方便嗎?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(shè)中斷喚醒功能。

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

答：飛思卡爾提供了Codewarrior，現(xiàn)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中會包含這三種IDE的示例代碼。

問：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：飛思卡爾E系列MCU的ADC有什么基本性能指標?

答：1個16通道12位SAR  ADC，帶有內(nèi)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)，兩個模擬比較器，內(nèi)含一個6位DAC和可編程參考輸入(ACMP) 。

問：請問M0+有哪些低功耗外設(shè)可以獨立工作?

答：所有外設(shè)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：低功耗的MCU有沒有16位ADC?

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

問：ADC最多是幾路?

答：最多24路ADC，兩個ADC模塊。

問：醫(yī)療應用有哪些特殊要求?

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

問：醫(yī)療設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)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：醫(yī)療保健應用的微控制器系列支持哪幾種操作系統(tǒng)?

答：飛思卡爾的Kinetis L MCU可與飛思卡爾的實時操作系統(tǒng) RTOS MQX-lite (MQX精簡版)，以及其他低體重 (low  weight)實時操作系統(tǒng)，例如FreeRTOS等。

問：這款MCU有沒有較小封裝?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：請問KinetisKL02系列的特點有些什么?

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

問：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：32位MCU和16位MCU哪個更適合繼電保護應用?

答：都可以，具體可以根據(jù)需求選擇。

問：具體應用上有哪些須特別注重的問題或關(guān)鍵點呢?

答：這個要看具體的應用了，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(shè)置等。