超低功耗MCU助力便攜式醫(yī)療設(shè)備

價(jià)格合理的先進(jìn)個(gè)人醫(yī)療設(shè)備的大量涌現(xiàn)，正在改變著整個(gè)保健行業(yè)，消費(fèi)者可以在家中或旅途中監(jiān)測(cè)自身的生命體征和其他關(guān)鍵指標(biāo)，而無需勞命傷財(cái)?shù)赜H自到醫(yī)院看病。根據(jù)Gartner公司的調(diào)查，便攜式消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備，如血糖檢測(cè)儀、血壓計(jì)、胰島素泵和心率檢測(cè)器等是醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的部分。Databeans公司最近所做的一項(xiàng)醫(yī)療半導(dǎo)體報(bào)告也指出，未來五年家用醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)將有9%的增長(zhǎng)（復(fù)合年增長(zhǎng)率，CAGR）。

　　個(gè)人醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)源于多種因素：老年人需要經(jīng)常性地進(jìn)行健康體檢、傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)費(fèi)用高昂、消費(fèi)者逐漸意識(shí)到保健設(shè)備的益處、個(gè)人醫(yī)療設(shè)備可以方便地在網(wǎng)上或零售店里買到、半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得這些消費(fèi)類保健設(shè)備日益成熟、簡(jiǎn)單易用，且價(jià)格合理。

　　消費(fèi)類產(chǎn)品一般易受價(jià)格因素影響，而且消費(fèi)類便攜式醫(yī)療設(shè)備要想在市場(chǎng)上取得成功，還需要滿足更嚴(yán)格的要求。最重要的是，這些產(chǎn)品必須非?？煽亢途_，以防出現(xiàn)健康問題。這些要求受到政府機(jī)構(gòu)的監(jiān)管，如美國(guó)食品藥品管理局（FDA）。

　　為了在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的家用醫(yī)療市場(chǎng)中獲得成功，便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

　　簡(jiǎn)單易用；高可靠性和安全性（受政府監(jiān)管）；簡(jiǎn)單、安全的連接；低功耗工作（即電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)）；支持更寬的電壓范圍（特別是較低電壓）；測(cè)量精度高；外形尺寸??；價(jià)格合理。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品特性，并以實(shí)惠的價(jià)格提供給消費(fèi)者，醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員必須降低系統(tǒng)成本，限制設(shè)計(jì)中使用分立元器件的數(shù)量。半導(dǎo)體供應(yīng)商也肩負(fù)著開發(fā)高集成度嵌入式控制解決方案的職責(zé)，在嚴(yán)格的功耗和成本控制條件下，解決方案應(yīng)具有較高的性能和可靠性。便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)的核心是能以最低的電源電流提供卓越處理性能的高集成度混合信號(hào)微控制器（MCU）。

　　簡(jiǎn)單易用是所有便攜式醫(yī)療設(shè)備的基本要求，因?yàn)樗梢詼p少由于錯(cuò)誤操作而引起的測(cè)量錯(cuò)誤。這種設(shè)備應(yīng)當(dāng)需要最少的交互操作，簡(jiǎn)單的用戶輸入（如，較少按鍵和較簡(jiǎn)單的軟件菜單）以及尺寸較大且易于觀察的顯示屏（例如，具有背光的較大尺寸液晶顯示屏）。為了支持這些特性，MCU必須提供現(xiàn)場(chǎng)可編程的非易失性存儲(chǔ)器（通常是系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存），以及靈活的能充分利用有限引腳數(shù)的I/O配置。

　　當(dāng)前，許多便攜式醫(yī)療設(shè)備只能顯示健康檢測(cè)結(jié)果，將解釋和記錄留給終端用戶和他們的醫(yī)生，而新型設(shè)備還具有連接簡(jiǎn)便、自動(dòng)記錄和傳輸檢測(cè)結(jié)果的特性。通常情況下，這些更先進(jìn)的便攜式醫(yī)療設(shè)備被連接到裝有可跟蹤結(jié)果的軟件的個(gè)人電腦或移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備，或者通過無線方式安全地傳輸信息給醫(yī)務(wù)人員、護(hù)理人員或基于Web的應(yīng)用，這種做法被稱為遠(yuǎn)程醫(yī)療。

　　如圖1所示，醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)采用了優(yōu)化的USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，即個(gè)人醫(yī)療保健設(shè)備類（PHDC）標(biāo)準(zhǔn)，無處不在的USB接口使得數(shù)據(jù)和信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)化，從而無需關(guān)心設(shè)備來自哪家制造商。將來，簡(jiǎn)單而可靠的無線連接將使得數(shù)據(jù)傳輸更加簡(jiǎn)便。因此，MCU需要提供多種集成連接接口的方法，比如集成精密振蕩器的USB控制器。

　　RF發(fā)射器和收發(fā)器與MCU協(xié)同工作可以為遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用提供無線連接。此外，無線MCU（在同一封裝內(nèi)整合低功耗MCU內(nèi)核與高性能RF收發(fā)器的高集成度設(shè)備）也得以廣泛使用。例如，Silicon Labs的Si10xx無線MCU系列產(chǎn)品，滿足了電池供電便攜式醫(yī)療設(shè)備對(duì)超低功耗工作的要求，同時(shí)，集成的Sub-GHz頻段的收發(fā)器可提供更寬的工作范圍和出色的RF靈敏度。

　　無論采用何種連接方法或系統(tǒng)構(gòu)架，通信協(xié)議棧都需要MCU有更多的代碼空間。因此，對(duì)小尺寸設(shè)備的存儲(chǔ)空間的需求將會(huì)逐漸增長(zhǎng)。

　　雖然選擇高性能、低功耗MCU和通信方式是重要的，但所有醫(yī)療設(shè)備也會(huì)測(cè)量一些物理參數(shù)，用于量化個(gè)人健康方面的某些指標(biāo)（如血壓或含氧水平）。這需要能夠感應(yīng)和測(cè)量光強(qiáng)（用于測(cè)量血氧）、傳導(dǎo)（用于測(cè)量血糖）、壓力（用于測(cè)量血壓）和溫度，這些測(cè)量必須具有高精度和一致性。在保健設(shè)備市場(chǎng)上，測(cè)量來不得半點(diǎn)錯(cuò)誤。

　　在數(shù)字處理器存在噪聲和通信信號(hào)空間狹小的環(huán)境下，混合信號(hào)MCU必須能夠保證良好的模擬電壓測(cè)量結(jié)果。這是半導(dǎo)體供應(yīng)商所面臨的最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題之一（特別是在需要為IC提供低電池電壓的情況下），而且這些規(guī)格還要通過產(chǎn)品工程師的嚴(yán)格審查。測(cè)量時(shí)必須滿足低噪聲、低失真（良好的信噪比和失真率）和高線性度要求。即使MCU處于運(yùn)行狀態(tài)，也必須保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的運(yùn)行，當(dāng)終端用戶想在測(cè)量期間獲得測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，MCU也應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)地獲取測(cè)量結(jié)果。此外，即使在最低電池電壓下，所有芯片功能也應(yīng)正常運(yùn)行。如果不能在整個(gè)電池續(xù)航期間進(jìn)行測(cè)量，那么MCU還有什么優(yōu)勢(shì)可言呢？總之，MCU供應(yīng)商必須集成精密的模擬測(cè)量。

　　價(jià)格合理的先進(jìn)個(gè)人醫(yī)療設(shè)備的大量涌現(xiàn)，正在改變著整個(gè)保健行業(yè)，消費(fèi)者可以在家中或旅途中監(jiān)測(cè)自身的生命體征和其他關(guān)鍵指標(biāo)，而無需勞命傷財(cái)?shù)赜H自到醫(yī)院看病。根據(jù)Gartner公司的調(diào)查，便攜式消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備，如血糖檢測(cè)儀、血壓計(jì)、胰島素泵和心率檢測(cè)器等是醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的部分。Databeans公司最近所做的一項(xiàng)醫(yī)療半導(dǎo)體報(bào)告也指出，未來五年家用醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)將有9%的增長(zhǎng)（復(fù)合年增長(zhǎng)率，CAGR）。

　　個(gè)人醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)源于多種因素：老年人需要經(jīng)常性地進(jìn)行健康體檢、傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)費(fèi)用高昂、消費(fèi)者逐漸意識(shí)到保健設(shè)備的益處、個(gè)人醫(yī)療設(shè)備可以方便地在網(wǎng)上或零售店里買到、半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得這些消費(fèi)類保健設(shè)備日益成熟、簡(jiǎn)單易用，且價(jià)格合理。

　　消費(fèi)類產(chǎn)品一般易受價(jià)格因素影響，而且消費(fèi)類便攜式醫(yī)療設(shè)備要想在市場(chǎng)上取得成功，還需要滿足更嚴(yán)格的要求。最重要的是，這些產(chǎn)品必須非常可靠和精確，以防出現(xiàn)健康問題。這些要求受到政府機(jī)構(gòu)的監(jiān)管，如美國(guó)食品藥品管理局（FDA）。

　　為了在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的家用醫(yī)療市場(chǎng)中獲得成功，便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

　　簡(jiǎn)單易用；高可靠性和安全性（受政府監(jiān)管）；簡(jiǎn)單、安全的連接；低功耗工作（即電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)）；支持更寬的電壓范圍（特別是較低電壓）；測(cè)量精度高；外形尺寸?。粌r(jià)格合理。

　　為了實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品特性，并以實(shí)惠的價(jià)格提供給消費(fèi)者，醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員必須降低系統(tǒng)成本，限制設(shè)計(jì)中使用分立元器件的數(shù)量。半導(dǎo)體供應(yīng)商也肩負(fù)著開發(fā)高集成度嵌入式控制解決方案的職責(zé)，在嚴(yán)格的功耗和成本控制條件下，解決方案應(yīng)具有較高的性能和可靠性。便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)的核心是能以最低的電源電流提供卓越處理性能的高集成度混合信號(hào)微控制器（MCU）。

　　簡(jiǎn)單易用是所有便攜式醫(yī)療設(shè)備的基本要求，因?yàn)樗梢詼p少由于錯(cuò)誤操作而引起的測(cè)量錯(cuò)誤。這種設(shè)備應(yīng)當(dāng)需要最少的交互操作，簡(jiǎn)單的用戶輸入（如，較少按鍵和較簡(jiǎn)單的軟件菜單）以及尺寸較大且易于觀察的顯示屏（例如，具有背光的較大尺寸液晶顯示屏）。為了支持這些特性，MCU必須提供現(xiàn)場(chǎng)可編程的非易失性存儲(chǔ)器（通常是系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存），以及靈活的能充分利用有限引腳數(shù)的I/O配置。

　　當(dāng)前，許多便攜式醫(yī)療設(shè)備只能顯示健康檢測(cè)結(jié)果，將解釋和記錄留給終端用戶和他們的醫(yī)生，而新型設(shè)備還具有連接簡(jiǎn)便、自動(dòng)記錄和傳輸檢測(cè)結(jié)果的特性。通常情況下，這些更先進(jìn)的便攜式醫(yī)療設(shè)備被連接到裝有可跟蹤結(jié)果的軟件的個(gè)人電腦或移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備，或者通過無線方式安全地傳輸信息給醫(yī)務(wù)人員、護(hù)理人員或基于Web的應(yīng)用，這種做法被稱為遠(yuǎn)程醫(yī)療。

　　如圖1所示，醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)采用了優(yōu)化的USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，即個(gè)人醫(yī)療保健設(shè)備類（PHDC）標(biāo)準(zhǔn)，無處不在的USB接口使得數(shù)據(jù)和信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)化，從而無需關(guān)心設(shè)備來自哪家制造商。將來，簡(jiǎn)單而可靠的無線連接將使得數(shù)據(jù)傳輸更加簡(jiǎn)便。因此，MCU需要提供多種集成連接接口的方法，比如集成精密振蕩器的USB控制器。

　　RF發(fā)射器和收發(fā)器與MCU協(xié)同工作可以為遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用提供無線連接。此外，無線MCU（在同一封裝內(nèi)整合低功耗MCU內(nèi)核與高性能RF收發(fā)器的高集成度設(shè)備）也得以廣泛使用。例如，Silicon Labs的Si10xx無線MCU系列產(chǎn)品，滿足了電池供電便攜式醫(yī)療設(shè)備對(duì)超低功耗工作的要求，同時(shí)，集成的Sub-GHz頻段的收發(fā)器可提供更寬的工作范圍和出色的RF靈敏度。

　　無論采用何種連接方法或系統(tǒng)構(gòu)架，通信協(xié)議棧都需要MCU有更多的代碼空間。因此，對(duì)小尺寸設(shè)備的存儲(chǔ)空間的需求將會(huì)逐漸增長(zhǎng)。

　　雖然選擇高性能、低功耗MCU和通信方式是重要的，但所有醫(yī)療設(shè)備也會(huì)測(cè)量一些物理參數(shù)，用于量化個(gè)人健康方面的某些指標(biāo)（如血壓或含氧水平）。這需要能夠感應(yīng)和測(cè)量光強(qiáng)（用于測(cè)量血氧）、傳導(dǎo)（用于測(cè)量血糖）、壓力（用于測(cè)量血壓）和溫度，這些測(cè)量必須具有高精度和一致性。在保健設(shè)備市場(chǎng)上，測(cè)量來不得半點(diǎn)錯(cuò)誤。

　　在數(shù)字處理器存在噪聲和通信信號(hào)空間狹小的環(huán)境下，混合信號(hào)MCU必須能夠保證良好的模擬電壓測(cè)量結(jié)果。這是半導(dǎo)體供應(yīng)商所面臨的最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題之一（特別是在需要為IC提供低電池電壓的情況下），而且這些規(guī)格還要通過產(chǎn)品工程師的嚴(yán)格審查。測(cè)量時(shí)必須滿足低噪聲、低失真（良好的信噪比和失真率）和高線性度要求。即使MCU處于運(yùn)行狀態(tài)，也必須保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的運(yùn)行，當(dāng)終端用戶想在測(cè)量期間獲得測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，MCU也應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)地獲取測(cè)量結(jié)果。此外，即使在最低電池電壓下，所有芯片功能也應(yīng)正常運(yùn)行。如果不能在整個(gè)電池續(xù)航期間進(jìn)行測(cè)量，那么MCU還有什么優(yōu)勢(shì)可言呢？總之，MCU供應(yīng)商必須集成精密的模擬測(cè)量。

　　MCU供應(yīng)商面臨的又一挑戰(zhàn)是對(duì)產(chǎn)品電池續(xù)航能力的要求。“便攜式”通常意味著設(shè)備由電池供電。通常情況下，新增加的功能會(huì)產(chǎn)生更多的功耗，但是開發(fā)人員在設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)不能要求終端用戶使用又大又重的電池，也不能要求他們頻繁更換電池。

　　MCU應(yīng)當(dāng)支持三方面的低功耗策略：主動(dòng)模式下功耗低、待機(jī)模式下功耗低以及處于主動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間少。在大部分時(shí)間內(nèi)，便攜式醫(yī)療設(shè)備將處于關(guān)斷或低功耗狀態(tài)，因此，MCU也將處于關(guān)斷或低功耗狀態(tài)。不過，不使用設(shè)備時(shí)，一般會(huì)維持時(shí)鐘/日歷或鬧鐘等功能。盡管主動(dòng)功耗至關(guān)重要，但是最小喚醒時(shí)間是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。MCU設(shè)計(jì)人員必須找到一種喚醒MCU時(shí)鐘和模擬電路的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，然后使MCU返回到低功耗狀態(tài)。例如，使用ADC測(cè)量電壓需要參考電壓，而通常情況下該參考電壓需要幾十毫秒的時(shí)間打開并穩(wěn)定，然后才能進(jìn)行測(cè)量。在這個(gè)過程中，MCU處于上電狀態(tài)，一直在耗電。

　　正如許多高功效MCU一樣，Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx系列MCU可以在幾微秒內(nèi)完成喚醒，而且片上參考電壓也可在2微秒內(nèi)完成喚醒，從而能夠迅速開啟ADC進(jìn)行精確測(cè)量。為了改善測(cè)量結(jié)果，ADC也被設(shè)計(jì)為可快速累加多次測(cè)量值而無需CPU干預(yù)，同時(shí)進(jìn)一步降低喚醒時(shí)間。喚醒時(shí)間越短，獲得測(cè)量結(jié)果時(shí)所汲取的電池電流就越小（圖2）?！?/p>

　　MCU設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要趨勢(shì)是支持新的電池使用配置和技術(shù)。充電電池很受歡迎，通常需要較高的電壓支持，必須集成片上穩(wěn)壓器。新的趨勢(shì)是，當(dāng)終端用戶希望供應(yīng)商提供附帶電池的產(chǎn)品時(shí)，使用一塊堿性電池來減小醫(yī)療設(shè)備的尺寸或節(jié)約成本。直到最近，該方法依然需要額外的成本和分立DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器的占位空間，用來提升堿性電池電壓以滿足MCU正常工作的需要（堿性電池的有效電壓可到0.9V）。這些開關(guān)穩(wěn)壓器在電壓測(cè)量過程中產(chǎn)生大量噪聲，而且它們還必須一直處于上電狀態(tài)以確保MCU能夠從休眠模式喚醒，從而產(chǎn)生耗電并降低電池續(xù)航能力。

　Silicon Labs F9xx系列器件等先進(jìn)的低功耗MCU引入了集成式DC/DC穩(wěn)壓器來解決這些問題。這能夠降低噪聲、減少成本、減小外形尺寸，并允許MCU處于低功耗狀態(tài)時(shí)關(guān)斷DC/DC穩(wěn)壓器，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。盡管此DC/DC穩(wěn)壓器被集成在片內(nèi)，但作為真正的低功耗、單電池解決方案，它仍然能夠?yàn)橄到y(tǒng)的其余部分提供升壓電源。

　　　　盡管MCU提供商不斷引入和集成節(jié)能和節(jié)省電池的功能，但是如果MCU成本和外形尺寸大幅增加，那么也將不利于能效。我們的目標(biāo)是為嵌入式開發(fā)人員提供一個(gè)成本更低、尺寸更小的終端產(chǎn)品，同時(shí)降低功耗。這樣的解決方案必須減少物料成本和尺寸。最好的MCU是以最小的外形尺寸提供高性能、集成式連接接口和存儲(chǔ)器以及出色的模擬外設(shè)。換言之，半導(dǎo)體供應(yīng)商必須提供更高的功能密度。

　　圖4是一個(gè)超低功耗MCU的實(shí)例64kB閃存代碼存儲(chǔ)空間、4kB數(shù)據(jù)RAM、一個(gè)ADC和兩個(gè)穩(wěn)壓器（LDO和升壓穩(wěn)壓器），4mm×4mm占位空間（在某些情況下甚至更小?。＿@種小型混合信號(hào)MCU設(shè)計(jì)能夠在單一芯片上實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)量和接口系統(tǒng)，且不影響性能或電池續(xù)航能力。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員選擇這類MCU時(shí)，僅需要關(guān)心所需要的外設(shè)功能，以獲得最佳的性價(jià)比。

　　　　新一代便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中，嵌入式開發(fā)人員和產(chǎn)品經(jīng)理們正承受著來自成本、尺寸、功耗和性能等多方面壓力。應(yīng)對(duì)這一局面的解決方法是使用高集成度的混合信號(hào)MCU，滿足市場(chǎng)所需的小尺寸、高性能和合理價(jià)格。功能密集的混合信號(hào)MCU將為新一代便攜式醫(yī)療設(shè)備提供核心部件，提供滿足消費(fèi)者需求的優(yōu)化產(chǎn)品的保健設(shè)備制造商將從這一快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)中獲益。