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世紀全球經(jīng)濟的支柱型產(chǎn)業(yè)之一。反之，隨著各類便攜式生物醫(yī)學(xué)儀器的進步和普及，測量精度、功耗、運算能力、成本和集成度等指標的提高，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、偏遠地域居民和軍隊野外作戰(zhàn)訓(xùn)練時的醫(yī)護需求、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。便攜式醫(yī)療電子儀器的快速發(fā)展，使得移動醫(yī)療、遠程醫(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。

　　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。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。對于此類儀器設(shè)計，混合模擬性能強、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，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。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)；靈活多變的低功耗管理模式，簡單快速的休眠喚醒機制，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

　　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。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，甚至像以專攻低功耗領(lǐng)域為目標的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，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市場造成強勁的沖擊。此外，ST公司的STM32L系列低功耗MCU雖然在功耗指標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

　　表3 典型低功耗微處理器系統(tǒng)指標對比

　　TI公司最新推出代號為“金剛狼（Wolverine）”的MSP430FR系列MCU，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

　　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。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)范圍可擴大25 dB。

　　由于 ， 部分儀器通常需要同步測量多參數(shù)信號，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。此外，除了考慮它們的數(shù)量、限制速率等指標是否符合設(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。