基于低功耗MCU的便携式医疗电子设备研究及应用

 

　　人口老龄化、人们生活水平提高和偏远地区对医疗服务需求增加等因素正促使传统医疗方式的变革，移动性和便携性逐步成为影响医疗电子产业的关键。另一方面，半导体技术的发展推动医疗创新的步伐以前所未有的速度向前迈进，在快速处理计算、高模数转换和无线网络技术进步的带动下，医疗电子产品走向便携式和小型化成为现实。医疗电子市场是一个稳定的市场，它不像消费类电子产品那样容易形成泡沫并快速破灭，虽然该产业的投资回报期较长，但它可能为参与者提供比其它商业领域更稳定和更持久的回报。据市场调研机构Espicom预计，2010年医疗器材市场将突破2,000亿美元，其中，医疗电子将占45%,达到900亿美元的规模。巨大的市场前景和稳定的回报吸引了众多厂商的投入，从半导体厂商到EMS、OEM公司，他们期待能从医疗电子市场中挖掘出金矿。

　　便携医疗电子产品的出现缘起家庭医疗护理趋势的兴起和消费者对自身健康关注度的增加。"越来越多的人开始主动关心他们身体健康的状态，这导致了个人消费者对医疗保健和简单诊断产品的需求。"Microchip公司医疗产品事业部战略和产品市场经理SteveKennelly举例说，比如血糖仪、血氧计、疾病控制和诊断监视系统等设备开始走向便携化，这正是应对了目前这些产品开始进入家庭的趋势。

　　为了在竞争日益激烈的家用医疗市场中获得成功，便携式医疗设备应具有以下特点：

　　简单易用；高可靠性和安全性（受政府监管）；简单、安全的连接；低功耗工作（即电池续航时间长）；支持更宽的电压范围（特别是较低电压）；测量高；外形尺寸小；价格合理。

　　为了实现这些产品特性，并以实惠的价格提供给消费者，医疗设备开发人员必须降低系统成本，限制设计中使用分立元器件的数量。半导体供应商也肩负着开发高集成度嵌入式控制解决方案的职责，在严格的功耗和成本控制条件下，解决方案应具有较高的性能和可靠性。便携式设备设计的是能以的电源电流提供卓越处理性能的高集成度混合信号微控制器（MCU）。

　　MCU（Micro Control Unit）中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）或者单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制  常见存储器件。

　　MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型芯片为8031）。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片内掩模ROM型（典型芯片为8051）、片内FLASH型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片内性可编程ROM（One Time Programming, OTP）的芯片（典型芯片为97C51）。MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合；FALSHROM的MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途；OTPROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有性可编程能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

　　当前，许多便携式医疗设备只能显示健康检测结果，将解释和记录留给终端用户和他们的医生，而新型设备还具有连接简便、自动记录和传输检测结果的特性。通常情况下，这些更先进的便携式医疗设备被连接到装有可跟踪结果的软件的个人电脑或移动医疗设备，或者通过无线方式安全地传输信息给医务人员、护理人员或基于Web的应用，这种做法被称为远程医疗。

　　如图1所示，医疗设备市场采用了优化的USB设备标准，即个人医疗保健设备类（PHDC）标准，无处不在的USB接口使得数据和信息传输标准化，从而无需关心设备来自哪家制造商。将来，简单而可靠的无线连接将使得数据传输更加简便。因此，MCU需要提供多种集成连接接口的方法，比如集成精密振荡器的USB控制器。

 

　　

 

　　RF发射器和收发器与MCU协同工作可以为远程医疗应用提供无线连接。此外，无线MCU（在同一封装内整合低功耗MCU内核与高性能RF收发器的高集成度设备）也得以广泛使用。例如，Silicon Labs的Si10xx无线MCU系列产品，满足了电池供电便携式医疗设备对超低功耗工作的要求，同时，集成的Sub-GHz频段的收发器可提供更宽的工作范围和出色的RF灵敏度。

　　无论采用何种连接方法或系统构架，通信协议栈都需要MCU有更多的代码空间。因此，对小尺寸设备的存储空间的需求将会逐渐增长。

　　虽然选择高性能、低功耗MCU和通信方式是重要的，但所有医疗设备也会测量一些物理参数，用于量化个人健康方面的某些指标（如血压或含氧水平）。这需要能够感应和测量光强（用于测量血氧）、传导（用于测量血糖）、压力（用于测量血压）和温度，这些测量必须具有高和一致性。在保健设备市场上，测量来不得半点错误。

　　在数字处理器存在噪声和通信信号空间狭小的环境下，混合信号MCU必须能够保证良好的模拟电压测量结果。这是半导体供应商所面临的挑战性的设计问题之一（特别是在需要为IC提供低电池电压的情况下），而且这些规格还要通过产品工程师的严格审查。测量时必须满足低噪声、低失真（良好的信噪比和失真率）和高线性度要求。即使MCU处于运行状态，也必须保证模数转换器（ADC）的运行，当终端用户想在测量期间获得测量数据时，MCU也应当实时地获取测量结果。此外，即使在电池电压下，所有芯片功能也应正常运行。如果不能在整个电池续航期间进行测量，那么MCU还有什么优势可言呢？总之，MCU供应商必须集成精密的模拟测量。

　　MCU供应商面临的又一挑战是对产品电池续航能力的要求。“便携式”通常意味着设备由电池供电。通常情况下，新增加的功能会产生更多的功耗，但是开发人员在设计便携式医疗设备时不能要求终端用户使用又大又重的电池，也不能要求他们频繁更换电池。

　　MCU应当支持三方面的低功耗策略：主动模式下功耗低、待机模式下功耗低以及处于主动状态的时间少。在大部分时间内，便携式医疗设备将处于关断或低功耗状态，因此，MCU也将处于关断或低功耗状态。不过，不使用设备时，一般会维持时钟/日历或闹钟等功能。尽管主动功耗至关重要，但是唤醒时间是延长电池寿命的关键。MCU设计人员必须找到一种唤醒MCU时钟和模拟电路的设计方法，实现快速测量，然后使MCU返回到低功耗状态。例如，使用ADC测量电压需要参考电压，而通常情况下该参考电压需要几十毫秒的时间打开并稳定，然后才能进行测量。在这个过程中，MCU处于上电状态，一直在耗电。

　　正如许多高功效MCU一样，Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx系列MCU可以在几微秒内完成唤醒，而且片上参考电压也可在2微秒内完成唤醒，从而能够迅速开启ADC进行测量。为了改善测量结果，ADC也被设计为可快速累加多次测量值而无需CPU干预，同时进一步降低唤醒时间。唤醒时间越短，获得测量结果时所汲取的电池电流就越小（图2）。

 

　　

 

　　MCU设计中的另一个重要趋势是支持新的电池使用配置和技术。充电电池很受欢迎，通常需要较高的电压支持，必须集成片上稳压器。新的趋势是，当终端用户希望供应商提供附带电池的产品时，使用一块碱性电池来减小医疗设备的尺寸或节约成本。直到近，该方法依然需要额外的成本和分立DC/DC开关稳压器的占位空间，用来提升碱性电池电压以满足MCU正常工作的需要（碱性电池的有效电压可到0.9V）。这些开关稳压器在电压测量过程中产生大量噪声，而且它们还必须一直处于上电状态以确保MCU能够从休眠模式唤醒，从而产生耗电并降低电池续航能力。

　　Silicon Labs F9xx系列器件等先进的低功耗MCU引入了集成式DC/DC稳压器来解决这些问题。这能够降低噪声、减少成本、减小外形尺寸，并允许MCU处于低功耗状态时关断DC/DC稳压器，延长电池续航时间。尽管此DC/DC稳压器被集成在片内，但作为真正的低功耗、单电池解决方案，它仍然能够为系统的其余部分提供升压电源。

 

　　

 

　　尽管MCU提供商不断引入和集成节能和节省电池的功能，但是如果MCU成本和外形尺寸大幅增加，那么也将不利于能效。我们的目标是为嵌入式开发人员提供一个成本更低、尺寸更小的终端产品，同时降低功耗。这样的解决方案必须减少物料成本和尺寸。的MCU是以的外形尺寸提供高性能、集成式连接接口和存储器以及出色的模拟外设。换言之，半导体供应商必须提供更高的功能密度。

　　图4是一个超低功耗MCU的实例——64kB闪存代码存储空间、4kB数据RAM、一个ADC和两个稳压器（LDO和升压稳压器），4mm×4mm占位空间（在某些情况下甚至更小！）。这种小型混合信号MCU设计能够在单一芯片上实现完整的测量和接口系统，且不影响性能或电池续航能力。产品设计人员选择这类MCU时，仅需要关心所需要的外设功能，以获得的性价比。

 

　　

 

　　新一代便携式医疗设备设计中，嵌入式开发人员和产品经理们正承受着来自成本、尺寸、功耗和性能等多方面压力。应对这一局面的解决方法是使用高集成度的混合信号MCU，满足市场所需的小尺寸、高性能和合理价格。功能密集的混合信号MCU将为新一代便携式医疗设备提供部件，提供满足消费者需求的优化产品的保健设备制造商将从这一快速增长的市场中获益。

 

  

参考文献:

[1]. Microchip datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Microchip_1097736.html.
[2]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[3]. EPROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.
[4]. 87C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/87C51_105031.html.
[5]. 89C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.