超低功耗MCU助力便攜式醫(yī)療設備

價格合理的先進個人醫(yī)療設備的大量涌現(xiàn)，正在改變著整個保健行業(yè)，消費者可以在家中或旅途中監(jiān)測自身的生命體征和其他關鍵指標，而無需勞命傷財?shù)赜H自到醫(yī)院看病。根據(jù)Gartner公司的調(diào)查，便攜式消費類醫(yī)療設備，如血糖檢測儀、血壓計、胰島素泵和心率檢測器等是醫(yī)療設備市場中增長最快的部分。Databeans公司最近所做的一項醫(yī)療半導體報告也指出，未來五年家用醫(yī)療設備市場將有9%的增長（復合年增長率，CAGR）。

　　個人醫(yī)療設備市場的迅速增長源于多種因素：老年人需要經(jīng)常性地進行健康體檢、傳統(tǒng)醫(yī)療服務費用高昂、消費者逐漸意識到保健設備的益處、個人醫(yī)療設備可以方便地在網(wǎng)上或零售店里買到、半導體技術的不斷進步，使得這些消費類保健設備日益成熟、簡單易用，且價格合理。

　　消費類產(chǎn)品一般易受價格因素影響，而且消費類便攜式醫(yī)療設備要想在市場上取得成功，還需要滿足更嚴格的要求。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構(gòu)的監(jiān)管，如美國食品藥品管理局（FDA）。

　　為了在競爭日益激烈的家用醫(yī)療市場中獲得成功，便攜式醫(yī)療設備應具有以下特點：

　　簡單易用；高可靠性和安全性（受政府監(jiān)管）；簡單、安全的連接；低功耗工作（即電池續(xù)航時間長）；支持更寬的電壓范圍（特別是較低電壓）；測量精度高；外形尺寸小；價格合理。

　　為了實現(xiàn)這些產(chǎn)品特性，并以實惠的價格提供給消費者，醫(yī)療設備開發(fā)人員必須降低系統(tǒng)成本，限制設計中使用分立元器件的數(shù)量。半導體供應商也肩負著開發(fā)高集成度嵌入式控制解決方案的職責，在嚴格的功耗和成本控制條件下，解決方案應具有較高的性能和可靠性。便攜式設備設計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微控制器（MCU）。

　　簡單易用是所有便攜式醫(yī)療設備的基本要求，因為它可以減少由于錯誤操作而引起的測量錯誤。這種設備應當需要最少的交互操作，簡單的用戶輸入（如，較少按鍵和較簡單的軟件菜單）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)場可編程的非易失性存儲器（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。

　　當前，許多便攜式醫(yī)療設備只能顯示健康檢測結(jié)果，將解釋和記錄留給終端用戶和他們的醫(yī)生，而新型設備還具有連接簡便、自動記錄和傳輸檢測結(jié)果的特性。通常情況下，這些更先進的便攜式醫(yī)療設備被連接到裝有可跟蹤結(jié)果的軟件的個人電腦或移動醫(yī)療設備，或者通過無線方式安全地傳輸信息給醫(yī)務人員、護理人員或基于Web的應用，這種做法被稱為遠程醫(yī)療。

　　如圖1所示，醫(yī)療設備市場采用了優(yōu)化的USB設備標準，即個人醫(yī)療保健設備類（PHDC）標準，無處不在的USB接口使得數(shù)據(jù)和信息傳輸標準化，從而無需關心設備來自哪家制造商。將來，簡單而可靠的無線連接將使得數(shù)據(jù)傳輸更加簡便。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)同工作可以為遠程醫(yī)療應用提供無線連接。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)療設備對超低功耗工作的要求，同時，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，對小尺寸設備的存儲空間的需求將會逐漸增長。

　　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)療設備也會測量一些物理參數(shù)，用于量化個人健康方面的某些指標（如血壓或含氧水平）。這需要能夠感應和測量光強（用于測量血氧）、傳導（用于測量血糖）、壓力（用于測量血壓）和溫度，這些測量必須具有高精度和一致性。在保健設備市場上，測量來不得半點錯誤。

　　在數(shù)字處理器存在噪聲和通信信號空間狹小的環(huán)境下，混合信號MCU必須能夠保證良好的模擬電壓測量結(jié)果。這是半導體供應商所面臨的最具挑戰(zhàn)性的設計問題之一（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)品工程師的嚴格審查。測量時必須滿足低噪聲、低失真（良好的信噪比和失真率）和高線性度要求。即使MCU處于運行狀態(tài)，也必須保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的運行，當終端用戶想在測量期間獲得測量數(shù)據(jù)時，MCU也應當實時地獲取測量結(jié)果。此外，即使在最低電池電壓下，所有芯片功能也應正常運行。如果不能在整個電池續(xù)航期間進行測量，那么MCU還有什么優(yōu)勢可言呢？總之，MCU供應商必須集成精密的模擬測量。

　　價格合理的先進個人醫(yī)療設備的大量涌現(xiàn)，正在改變著整個保健行業(yè)，消費者可以在家中或旅途中監(jiān)測自身的生命體征和其他關鍵指標，而無需勞命傷財?shù)赜H自到醫(yī)院看病。根據(jù)Gartner公司的調(diào)查，便攜式消費類醫(yī)療設備，如血糖檢測儀、血壓計、胰島素泵和心率檢測器等是醫(yī)療設備市場中增長最快的部分。Databeans公司最近所做的一項醫(yī)療半導體報告也指出，未來五年家用醫(yī)療設備市場將有9%的增長（復合年增長率，CAGR）。

　　個人醫(yī)療設備市場的迅速增長源于多種因素：老年人需要經(jīng)常性地進行健康體檢、傳統(tǒng)醫(yī)療服務費用高昂、消費者逐漸意識到保健設備的益處、個人醫(yī)療設備可以方便地在網(wǎng)上或零售店里買到、半導體技術的不斷進步，使得這些消費類保健設備日益成熟、簡單易用，且價格合理。

　　消費類產(chǎn)品一般易受價格因素影響，而且消費類便攜式醫(yī)療設備要想在市場上取得成功，還需要滿足更嚴格的要求。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構(gòu)的監(jiān)管，如美國食品藥品管理局（FDA）。

　　為了在競爭日益激烈的家用醫(yī)療市場中獲得成功，便攜式醫(yī)療設備應具有以下特點：

　　簡單易用；高可靠性和安全性（受政府監(jiān)管）；簡單、安全的連接；低功耗工作（即電池續(xù)航時間長）；支持更寬的電壓范圍（特別是較低電壓）；測量精度高；外形尺寸小；價格合理。

　　為了實現(xiàn)這些產(chǎn)品特性，并以實惠的價格提供給消費者，醫(yī)療設備開發(fā)人員必須降低系統(tǒng)成本，限制設計中使用分立元器件的數(shù)量。半導體供應商也肩負著開發(fā)高集成度嵌入式控制解決方案的職責，在嚴格的功耗和成本控制條件下，解決方案應具有較高的性能和可靠性。便攜式設備設計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微控制器（MCU）。

　　簡單易用是所有便攜式醫(yī)療設備的基本要求，因為它可以減少由于錯誤操作而引起的測量錯誤。這種設備應當需要最少的交互操作，簡單的用戶輸入（如，較少按鍵和較簡單的軟件菜單）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)場可編程的非易失性存儲器（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。

　　當前，許多便攜式醫(yī)療設備只能顯示健康檢測結(jié)果，將解釋和記錄留給終端用戶和他們的醫(yī)生，而新型設備還具有連接簡便、自動記錄和傳輸檢測結(jié)果的特性。通常情況下，這些更先進的便攜式醫(yī)療設備被連接到裝有可跟蹤結(jié)果的軟件的個人電腦或移動醫(yī)療設備，或者通過無線方式安全地傳輸信息給醫(yī)務人員、護理人員或基于Web的應用，這種做法被稱為遠程醫(yī)療。

　　如圖1所示，醫(yī)療設備市場采用了優(yōu)化的USB設備標準，即個人醫(yī)療保健設備類（PHDC）標準，無處不在的USB接口使得數(shù)據(jù)和信息傳輸標準化，從而無需關心設備來自哪家制造商。將來，簡單而可靠的無線連接將使得數(shù)據(jù)傳輸更加簡便。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)同工作可以為遠程醫(yī)療應用提供無線連接。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)療設備對超低功耗工作的要求，同時，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，對小尺寸設備的存儲空間的需求將會逐漸增長。

　　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)療設備也會測量一些物理參數(shù)，用于量化個人健康方面的某些指標（如血壓或含氧水平）。這需要能夠感應和測量光強（用于測量血氧）、傳導（用于測量血糖）、壓力（用于測量血壓）和溫度，這些測量必須具有高精度和一致性。在保健設備市場上，測量來不得半點錯誤。

　　在數(shù)字處理器存在噪聲和通信信號空間狹小的環(huán)境下，混合信號MCU必須能夠保證良好的模擬電壓測量結(jié)果。這是半導體供應商所面臨的最具挑戰(zhàn)性的設計問題之一（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)品工程師的嚴格審查。測量時必須滿足低噪聲、低失真（良好的信噪比和失真率）和高線性度要求。即使MCU處于運行狀態(tài)，也必須保證模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的運行，當終端用戶想在測量期間獲得測量數(shù)據(jù)時，MCU也應當實時地獲取測量結(jié)果。此外，即使在最低電池電壓下，所有芯片功能也應正常運行。如果不能在整個電池續(xù)航期間進行測量，那么MCU還有什么優(yōu)勢可言呢？總之，MCU供應商必須集成精密的模擬測量。

　　MCU供應商面臨的又一挑戰(zhàn)是對產(chǎn)品電池續(xù)航能力的要求。“便攜式”通常意味著設備由電池供電。通常情況下，新增加的功能會產(chǎn)生更多的功耗，但是開發(fā)人員在設計便攜式醫(yī)療設備時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應當支持三方面的低功耗策略：主動模式下功耗低、待機模式下功耗低以及處于主動狀態(tài)的時間少。在大部分時間內(nèi)，便攜式醫(yī)療設備將處于關斷或低功耗狀態(tài)，因此，MCU也將處于關斷或低功耗狀態(tài)。不過，不使用設備時，一般會維持時鐘/日歷或鬧鐘等功能。盡管主動功耗至關重要，但是最小喚醒時間是延長電池壽命的關鍵。MCU設計人員必須找到一種喚醒MCU時鐘和模擬電路的設計方法，實現(xiàn)快速測量，然后使MCU返回到低功耗狀態(tài)。例如，使用ADC測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間打開并穩(wěn)定，然后才能進行測量。在這個過程中，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進行精確測量。為了改善測量結(jié)果，ADC也被設計為可快速累加多次測量值而無需CPU干預，同時進一步降低喚醒時間。喚醒時間越短，獲得測量結(jié)果時所汲取的電池電流就越小（圖2）。　

　　MCU設計中的另一個重要趨勢是支持新的電池使用配置和技術。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。新的趨勢是，當終端用戶希望供應商提供附帶電池的產(chǎn)品時，使用一塊堿性電池來減小醫(yī)療設備的尺寸或節(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）。這些開關穩(wěn)壓器在電壓測量過程中產(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)時關斷DC/DC穩(wěn)壓器，延長電池續(xù)航時間。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，它仍然能夠為系統(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。我們的目標是為嵌入式開發(fā)人員提供一個成本更低、尺寸更小的終端產(chǎn)品，同時降低功耗。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器以及出色的模擬外設。換言之，半導體供應商必須提供更高的功能密度。

　　圖4是一個超低功耗MCU的實例64kB閃存代碼存儲空間、4kB數(shù)據(jù)RAM、一個ADC和兩個穩(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！）。這種小型混合信號MCU設計能夠在單一芯片上實現(xiàn)完整的測量和接口系統(tǒng)，且不影響性能或電池續(xù)航能力。產(chǎn)品設計人員選擇這類MCU時，僅需要關心所需要的外設功能，以獲得最佳的性價比。

　　　　新一代便攜式醫(yī)療設備設計中，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。應對這一局面的解決方法是使用高集成度的混合信號MCU，滿足市場所需的小尺寸、高性能和合理價格。功能密集的混合信號MCU將為新一代便攜式醫(yī)療設備提供核心部件，提供滿足消費者需求的優(yōu)化產(chǎn)品的保健設備制造商將從這一快速增長的市場中獲益。