便攜式醫(yī)療電子儀器設(shè)計中的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)工程教育部重點實驗室，杭州市，310027

3 浙江省心腦血管檢測技術(shù)與藥效評價重點實驗室，杭州市，310027

4 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京市，100094

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。

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、血糖儀、數(shù)字血壓計、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)運行時間長、運算相對復(fù)雜和通訊功能多樣等特點[5]。對于此類儀器設(shè)計，混合模擬性能強(qiáng)、高運算能效和集成外設(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]，可穿戴式特點對儀器的便攜性和低功耗設(shè)計提出了更高要求[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，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)域為目標(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)核的超高運算效率、高性能外設(shè)（如業(yè)界獨特的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)驗分享直接。

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

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Fig.1 Integrated peripherals and their major functions of MCU

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[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[14]。因此，作為控制MCU運行的“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

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。

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)。

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