便攜式醫(yī)療設備正在改善數(shù)百萬患者的醫(yī)療保健。血糖監(jiān)測儀、心率監(jiān)測儀、可攝入胃腸道 （GI） 監(jiān)護儀、止痛植入物和許多其他設備等產(chǎn)品提高了慢性或急性疾病和病癥患者的生活質(zhì)量。便攜式自動除顫器可在緊急情況下挽救生命。運動手表可以無線記錄用戶的 ?? 心率、測量距離、計算腳步數(shù)以及執(zhí)行其他功能，以最大限度地提高有氧鍛煉的益處。未來幾年將繼續(xù)為醫(yī)療應用帶來許多新的創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將大大改善醫(yī)療保健的提供和有效性。

實際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要低功耗微控制器（MCU）來接收用戶或操作員的命令，并提供讀數(shù)和狀態(tài)更新。由于幾乎所有這些產(chǎn)品都使用電池運行，因此一個關鍵考慮因素是延長電池壽命。這些產(chǎn)品所需的電池壽命各不相同，但更換電池之間的2-10年并不罕見。此外，這些空間受限的產(chǎn)品通常需要高度集成的模擬元件來調(diào)理信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以便對其進行處理和解釋。

解決便攜式醫(yī)療領域的微控制器需求對半導體公司來說是一個挑戰(zhàn)。雖然工程學通常是在相反的功能、規(guī)格和空間限制之間進行權衡，但在便攜式醫(yī)療領域，這種權衡通常很難做到。這個市場的要求通常是不協(xié)調(diào)的，例如需要小尺寸和高功能，低功耗和高性能模擬，長電池壽命和高處理能力。這些產(chǎn)品需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、可調(diào)增益、電源管理和液晶顯示器 （LCD）。

本文將討論醫(yī)療市場的一些創(chuàng)新產(chǎn)品、醫(yī)療設備行業(yè)的常見趨勢，以及如何使用SoC微控制器來改進未來的設備。

創(chuàng)新

超低功耗、高度集成的MCU的推出催生了新產(chǎn)品，可以減輕疼痛，改善患者的??護理和生活質(zhì)量。

圣裘德醫(yī)療公司先進神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的Eon脊髓刺激器是設計用于治療慢性疼痛的植入式裝置的一個例子。植入裝置向位于脊髓附近的導線發(fā)送溫和的電脈沖，當它們從神經(jīng)系統(tǒng)傳播到大腦時，這些導線掩蓋或中斷了疼痛感，用更令人愉悅的感覺（稱為感覺異常）取代了疼痛感。

另一個有趣的，最近推出的產(chǎn)品，SmartPill，被設計為由患者吞咽以監(jiān)測胃腸道的狀況。在遍歷胃腸道時，它以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式數(shù)據(jù)收集單元。以前通過胃腸道收集數(shù)據(jù)的方法對患者來說更具侵入性和/或不方便。該器件必須滿足極小的外形尺寸和電池壽命要求。

正如SmartPill系統(tǒng)所揭示的那樣，低功耗無線協(xié)議，如RFID，ZigBee，802.15.4和其他專有協(xié)議，在醫(yī)療領域催生了新的創(chuàng)新水平。除了面向患者的產(chǎn)品外，多家公司最近還宣布了基于無線協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，旨在跟蹤醫(yī)院設備和人員。

集成

便攜式醫(yī)療設備可以從現(xiàn)代SoC與車載MCU的集成度中受益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成，在狹小的空間內(nèi)提供更多功能，許多這些微小的產(chǎn)品將是不可能的。

圖3顯示了現(xiàn)代微控制器的框圖，可用作便攜式醫(yī)療產(chǎn)品（如血糖監(jiān)測儀或脈搏血氧儀）的SoC。集成微控制器是運行該器件所需的唯一 IC。這種類型的微控制器通常用于醫(yī)療應用，可能包含以下功能：

圖 3

高性能 ADC，典型值為 12 位及以上

用于信號調(diào)理的運算放大器，如自動增益控制

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），有時用于反饋

基于分段的 LCD 驅(qū)動器

用于 ADC 的高性能基準電壓

集成閃存和 RAM 存儲器

電源管理和監(jiān)控器，這些產(chǎn)品通常可以直接使用紐扣鋰電池或兩個堿性電池運行

集成的優(yōu)點包括減少PCB面積，更便宜的制造，更容易采購和功耗最小化。集成的閃存和RAM不僅可以用于程序和數(shù)據(jù)存儲器，還可以用于數(shù)據(jù)記錄存儲器（如果閃存是在線編程的）。

MSP430FG4270 MCU 是高度集成的器件的一個很好的例子，具有成本優(yōu)勢。它內(nèi)置一個 ADC、DAC、可編程增益運算放大器、高精度基準電壓源和 LCD 驅(qū)動器。使用單獨的芯片來實現(xiàn)這種芯片‘??s高水平的模擬性能將使物料清單（BOM）增加約1美元，更不用說額外的采購，物流和制造成本了。這些額外費用在設計過程中很容易被忽視，但可能很大，特別是如果由于一個或多個組件缺貨而導致制造關閉。

對于設計人員來說，擁有內(nèi)存大小的選項也是一個顯著的好處。由于存儲器大小和芯片大小具有大致的線性關系，因此MCU的成本與存儲器大小成正比。根據(jù)編程需求選擇內(nèi)存大小的能力不僅可以優(yōu)化 BOM 成本，還可以降低編程內(nèi)存的初步估計值較低的風險。此功能還允許僅使用固件和 BOM 選項即可獲得具有不同功能的不同等級的最終產(chǎn)品。

低功耗

設備在電池充電之間運行的時間越長，最終用戶的滿意度或患者舒適度就越高。此外，在大多數(shù)便攜式醫(yī)療設備中，MCU將花費大部分時間處于待機模式（睡眠）。這意味著實現(xiàn)超低待機電流的能力是決定設備電池壽命的主要因素。

對于頻繁進入和退出待機狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄儀等產(chǎn)品，另一個關鍵參數(shù)是從待機狀態(tài)喚醒所需的時間。MCU在退出待機狀態(tài)時通常可以使用與設備完全處理時一樣多的能量。快速喚醒時間至關重要，因為在喚醒期間，MCU無法進行有用的處理，這意味著從待機模式使用的能量實際上被浪費了。此外，現(xiàn)代MCU需要快速喚醒以響應觸發(fā)事件。例如，一些 TI’??s MSP430 MCU 可以在不到 1 ?μs 的時間內(nèi)以穩(wěn)定的時鐘喚醒至完全運行模式，從而實現(xiàn)近乎實時的待機操作。

由于MCU處于活動狀態(tài)的每個周期都會消耗能量，因此最小化處理時間對于延長電池壽命至關重要。低功耗MCU具有許多有助于最大限度地減少這一時間的功能。例如，在分析數(shù)據(jù)之前，產(chǎn)品需要從ADC收集一段時間的數(shù)據(jù)。如果MCU在收集數(shù)據(jù)時處于活動狀態(tài)，則處理器在提供很少價值的同時使用能量。一些MCU可以使用直接存儲器訪問，通過允許ADC收集數(shù)據(jù)并將其存儲到存儲器中，從而最大限度地減少處理器必須處于活動狀態(tài)的時間。一旦收集到所需數(shù)量的樣本，處理器就會中斷，使其處于待機狀態(tài);然后它分析數(shù)據(jù)并輸出結果。

如前所述，最小化功耗是集成的另一個優(yōu)勢。MCU可以更簡單、更好地控制運算放大器、DAC或ADC等外設，并在不需要時有選擇地關閉這些外設。

運營能力是另一個關鍵參數(shù)。盡管MCU可能在活動狀態(tài)下停留相對較短的時間，但如果工作功率不低，從待機模式喚醒以檢查電池電壓水平等狀態(tài)可能會迅速耗盡電池電量。此外，由于其中一些產(chǎn)品使用ZigBee，802.15.4等無線協(xié)議或?qū)Ｓ袩o線協(xié)議（如TI‘??s SimpliciTI），因此這些系統(tǒng)可能需要比平時更頻繁地喚醒以維護無線網(wǎng)絡。有趣的是，即使醫(yī)療產(chǎn)品每天僅出于測量目的而短時間打開，利用《1.1 ?μA的MCU待機電流，低有功功率對于保持低平均電流消耗通常也很重要。

包裝

滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的外形尺寸要求通常意味著應使用球柵陣列 （BGA） 封裝或芯片級封裝 （CSP）。較小尺寸的權衡是，這些封裝比傳統(tǒng)的引線封裝更難制造。此外，設計和調(diào)試可能需要X射線來確保焊盤焊接，并且重新加工CSP或BGA比引線封裝更具挑戰(zhàn)性。

雖然較大的四通道扁平封裝或塑料小外形封裝允許設計人員輕松探測和監(jiān)控引腳上的信號，但在原型設計階段可以選擇直接使用較小的封裝，這將使設計人員利用在概念驗證階段開發(fā)的代碼和原理圖來節(jié)省時間。

助力突破的 SoC

這是醫(yī)療行業(yè)激動人心的時刻，醫(yī)療市場正在發(fā)生的創(chuàng)新正在改善全世界的生活。在某些時候，每個人都會受到現(xiàn)在發(fā)生的創(chuàng)新和醫(yī)學進步的影響。健康和醫(yī)療設計人員、制造商和創(chuàng)新者越來越多地利用當今??s微控制器中的低功耗、高處理能力和高性能模擬集成。如果營銷產(chǎn)品設計對尺寸、電池壽命或精度的要求似乎過于苛刻，工程師應該看看微控制器SoC中有哪些可用的東西。

審核編輯：郭婷