便攜式醫(yī)療電子儀器設(shè)計(jì)中的MCU選型分析

劉夢星，葉樹明，許 志，陳 杭

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術(shù)與藥效評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

4 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京市，100094

便攜式醫(yī)療電子儀器設(shè)計(jì)中的MCU選型分析

【作 者】劉夢星1,2,3，葉樹明1,2,3，許 志4，陳 杭1,2,3

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術(shù)與藥效評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

4 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京市，100094

圍繞便攜式醫(yī)療電子設(shè)備低功耗與高集成度的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對比了當(dāng)前半導(dǎo)體廠商的主流低功耗MCU系列。分析結(jié)果表明，以低成本、高能效的ARM Cortex-M系列為內(nèi)核的32 bit MCU，在功耗水平、運(yùn)算性能和集成外設(shè)等方面，綜合優(yōu)勢明顯。

便攜式醫(yī)療儀器；可穿戴式設(shè)備；低功耗設(shè)計(jì)；MCU選型

0 引言

電子技術(shù)的快速發(fā)展與個人健康意識的逐步提高，使得人類對便攜式醫(yī)療電子儀器的需求日益增長，生物測量與醫(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[1]。反之，隨著各類便攜式生物醫(yī)學(xué)儀器的進(jìn)步和普及，測量精度、功耗、運(yùn)算能力、成本和集成度等指標(biāo)的提高，對電子器件尤其是微控制器（MCU）提出了更高要求。

在家用醫(yī)療市場的逐步開放、偏遠(yuǎn)地域居民和軍隊(duì)野外作戰(zhàn)訓(xùn)練時的醫(yī)護(hù)需求、醫(yī)院內(nèi)部臨床診斷和長期監(jiān)測的需求等因素的共同驅(qū)動下，部分傳統(tǒng)專業(yè)級醫(yī)療設(shè)備已逐步走向便攜化[2]。便攜式醫(yī)療電子儀器的快速發(fā)展，使得移動醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療、個人日常健康監(jiān)測和治療成為可能。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[3]。

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，紛紛針對便攜式醫(yī)療電子儀器市場推出了自己低功耗、高集成度的混合信號處理器。當(dāng)各類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，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合自身科研和產(chǎn)品的現(xiàn)有需求與未來幾年的升級規(guī)劃來合理分析，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)品的競爭日益激烈，市場需求的可提升空間巨大[4]。此類儀器設(shè)計(jì)對成本十分敏感，片上集成相應(yīng)外設(shè)的MCU能有效降低系統(tǒng)成

本，同時還有利于縮小尺寸和提高穩(wěn)定性；對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，以動態(tài)心電記錄儀和動態(tài)血壓監(jiān)測儀為代表的臨床便攜式醫(yī)用設(shè)備，具有測量精度高、可連續(xù)運(yùn)行時間長、運(yùn)算相對復(fù)雜和通訊功能多樣等特點(diǎn)[5]。對于此類儀器設(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，各類可穿戴式醫(yī)療電子設(shè)備層出不窮[6]，可穿戴式特點(diǎn)對儀器的便攜性和低功耗設(shè)計(jì)提出了更高要求[7-8]。一方面，減少電池體積，選用更高能效的MCU：通過提高運(yùn)算能力和算法復(fù)雜度來降低有效數(shù)據(jù)量，從而減輕數(shù)據(jù)存儲和通訊的負(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)[9]；靈活多變的低功耗管理模式，簡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)，并能及時被喚醒；獨(dú)立的外設(shè)時鐘控制開關(guān)，多種內(nèi)外時鐘源選擇；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)容量的片上存儲器。

表1 主要低功耗MCU家族及其生產(chǎn)廠商Tab.1 Primary low power MCU families and their companies

表2 典型低功耗微處理器的CPU絕對功耗對比Tab.2 Comparison of some typical microcontrollers’ CPU absolute power consumption

表3 典型低功耗微處理器系統(tǒng)指標(biāo)對比Tab.3 Comparison of some typical microcontrollers’ major parameters

表2和表3選取目前市場上的主流低功耗MCU產(chǎn)品，對比了它們的功耗參數(shù)與系統(tǒng)指標(biāo)。由此可見，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（簡稱KL）系列微控制器[11]，旨在32 bit入門級的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8 bit、16 bit低功耗MCU，同時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)美元每片的價格優(yōu)勢，將對8 bit、16 bit MCU市場造成強(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)勢在于開發(fā)門檻低、參考資源豐富和經(jīng)驗(yàn)分享直接。

TI公司最新推出代號為“金剛狼（Wolverine）”的MSP430FR系列MCU[12]，將鐵電存儲器集成至片上，代替原有Flash作為程序存儲器，提高內(nèi)存讀寫速度的同時還大幅降低了能耗。由表1數(shù)據(jù)對比可見，“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群起之勢的壓迫下，功耗參數(shù)已慢慢相差無幾，微弱的功耗優(yōu)勢對于絕大多數(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，可以在相同時間內(nèi)更快地完成工作，從而為休眠爭取更多時間，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)。

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(jì)，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(jì)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Fig.1 Integrated peripherals and their major functions of MCU

生理參數(shù)的主要特點(diǎn)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(jì)，測量將沒有任何擴(kuò)展余地。其次，KL系列獨(dú)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[13]，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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)效果好壞的關(guān)鍵[14]。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)。

2.4 軟件開發(fā)與可擴(kuò)展性

儀器設(shè)計(jì)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(jì)已基本代替了原本基于指令集的匯編語言設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)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。

表4 典型低功耗微處理器的外設(shè)對比Tab.4 Comparison of some typical microcontrollers’ peripherals

表5 兩款MCU數(shù)字外設(shè)功耗對比Tab.5 The power consumption of two microcontrollers’ digital peripherals

3 典型設(shè)計(jì)案例

針對慢性心血管病的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款新型動態(tài)心血管參數(shù)監(jiān)測儀，設(shè)計(jì)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(jì)，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。

表6 飛思卡爾Kinetis MCU家族全系列介紹Tab.6 Introduction to the all series of Freescale Kinetis MCU family

圖2 便攜式動態(tài)心血管參數(shù)監(jiān)測儀的系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of portable dynamic monitor for cardiovascular parameters

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)方案設(shè)計(jì)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。

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(jì)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(diǎn)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(jì)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(shí)的貢獻(xiàn)。

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MCU Selection Analysis in Portable Electronic Medical lnstrument Design

【 Writers 】Liu Mengxing1,2,3, Ye Shuming1,2,3, Xu Zhi4, Chen Hang1,2,3
1 College of Biomedical Engineering & Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Key Lab of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
3 Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal, Hangzhou, 310027
4 China Astronaut Research and Training Center, Beijing, 100094

【 Abstract 】Around the features of low power and high integration of portable electronic medical equipment design, the primary low power MCU series from the current semiconductor manufacturers were compared. The analysis results showed that the 32-bit MCUs based on the low cost and high energy ef fi cient ARM Cortex-M architectures, have comprehensive advantages on power level, operational performance and integrated peripherals obviously.

portable medical instrument, wearable device, low power design, MCU selection

TP332

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.012

2013-12-18

劉夢星，E-mail: mason_liu_bme@163.com

陳杭，教授，E-mail: ch-sun@263.net

1671-7104(2014)03-0202-05