穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析

摘要：根據(jù)穿戴式醫(yī)療設(shè)備低成本、高性能、高集成度和續(xù)航時間長的特點，對比了當前主流的低功耗微控制器(MCU)系列，分析得出ARM Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列適合該領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)。在功耗水平、運算性能、外設(shè)集成和產(chǎn)品成本等方面，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列展開參數(shù)對比，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型提供指南。

0 引言

近年來穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場需求在快速增長，將成為拉動經(jīng)濟增長的一個創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)艾媒(iiMedia Research)公布的《2012-2013中國移動醫(yī)療市場年度報告》顯示，在2012年我國移動醫(yī)療市場規(guī)模達到18.6億元，其中穿戴式醫(yī)療設(shè)備占4.2億元，較上一年增長20%。預(yù)計到2017年底，我國穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場規(guī)模將接近50億元，在未來十年內(nèi)呈現(xiàn)急速增長的態(tài)勢。隨著市場需求的增長和產(chǎn)品的普及，穿戴式醫(yī)療設(shè)備正在往低成本、高性能、續(xù)航時間長和體積小的方向發(fā)展，這就對設(shè)備的控制核心——微控制器(MCU)提出了更苛刻的要求?？纱┐鞯内呄蚴沟迷O(shè)備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質(zhì)，否則將會被市場和用戶淘汰。

1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的簡介

穿戴式醫(yī)療設(shè)備將非介入式生理信號檢測技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當中，具有簡易便攜、長時間監(jiān)測的優(yōu)點。這類設(shè)備可隨時隨地長時間監(jiān)測人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于慢性疾病監(jiān)測、家庭護理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測等方面，有利于實現(xiàn)慢性、隱性疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。

1.1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用

在市場和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫(yī)療設(shè)備的解決方案和新產(chǎn)品層出不窮，功能和性能也在不斷提升。例如我國的邁瑞公司推出的MC-6800型動態(tài)血壓監(jiān)測儀，僅需將充放氣的袖帶綁在用戶手臂上，就能在各種狀況下進行24 h無創(chuàng)性動態(tài)血壓監(jiān)測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CGMS)可以連續(xù)工作3d，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10s會對皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進行測量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長時間工作500 h，僅需套在手指上即可實時監(jiān)測用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計或血壓計。這些產(chǎn)品都體現(xiàn)了區(qū)別于常規(guī)電子儀器的顯著特征：①非介入地檢測生理信號;②通過無線或有線的方式連接用戶、醫(yī)護人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng);③續(xù)航時間長;④安全可靠。

1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求分析

為了滿足穿戴式醫(yī)療設(shè)備在功耗、性能、體積等方面的要求，所選用的MCU需要滿足以下要求：①低成本;②高能效;③高休眠效率;④高集成度。在控制成本方面，可以考慮低功耗的8/16 bit單片機或基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機，這些芯片出貨量巨大，批量價格一般比較低。在能效方面，應(yīng)選用低運行功耗、高運算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運算能力有利于在片上運行復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應(yīng)選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設(shè)豐富且性能優(yōu)越的MCU系列，有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 典型低功耗MCU系列的比較

各大半導體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，紛紛推出適用于穿戴式醫(yī)療設(shè)備的中低端MCU系列。表1和表2將16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開對比，8 bitMCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢，其市場也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。

表1重點比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的性能差別，32bit的內(nèi)核在運算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當穿戴式醫(yī)療設(shè)備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法時，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢已不明顯，以低功耗著稱的MSP430系列在運行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內(nèi)核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應(yīng)方面有良好表現(xiàn)。

表1 典型低功耗內(nèi)核架構(gòu)的性能對比

Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures

注：(1)內(nèi)核性能的測試結(jié)果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數(shù)據(jù)為準。

表2 典型低功耗MCU的能效對比

Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs

注： (1) 對于表1的MCU系列具體型號的測試報告，所挑選的型號片上配置相近，F(xiàn)lash容量均為64 kB;

(2) 常溫條件+25 oC，所有外設(shè)關(guān)閉，程序從Flash運行;MCU供電電壓除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均為3.0 V;各型號的測試結(jié)果均為當前主頻下的最佳配置;

(3) 休眠功耗的測試標準：片內(nèi)主時鐘和所有外設(shè)關(guān)閉，RTC打開，保留RAM。

綜合表1和表2可見，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bitMCU在功耗水平上已經(jīng)做到與傳統(tǒng)8 /16 bit MCU相當，而在運算效率上優(yōu)勢明顯，更適合那些對任務(wù)和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。

3 基于Cortex-M0+內(nèi)核的MCU選型分析

3.1 Cortex M系列內(nèi)核的對比

Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，是ARM公司針對那些對成本敏感、同時對能效有較高要求的應(yīng)用而設(shè)計的。當傳統(tǒng)的8/16 bit MCU在性能、功能上表現(xiàn)越來越乏力時，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0內(nèi)核以優(yōu)異的表現(xiàn)擊敗了傳統(tǒng)的8bit MCU，成功殺入低端的MCU市場。在這契機下，ARM公司于2012年相應(yīng)適宜地推出M0的升級版——M0+，在能效和功能上作進一步的優(yōu)化和增設(shè)，以超低的能耗提供更快的任務(wù)處理能力。

從表1和2的數(shù)據(jù)可知，三者內(nèi)核性能的排序為M3>M0+>M0，運行功耗的排序為 M3>M0>M0+，即M0+內(nèi)核的能效高于M0，運算性能僅次于M3。由于M0+在價格方面比M3有優(yōu)勢，故更適合于執(zhí)行低成本、高能效的任務(wù)。綜合可知，那些對功耗有苛刻要求、運算處理任務(wù)較復(fù)雜、且需要控制成本的設(shè)備選擇M0+內(nèi)核的MCU最為合適。

3.2 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列

各大MCU生產(chǎn)廠商結(jié)合自身的優(yōu)勢對Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、性能和外設(shè)方面各有所長。表3列舉了市場上M0+內(nèi)核的主流MCU系列，并結(jié)合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求進行分析。

表3 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列

Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture

注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內(nèi)核的產(chǎn)品線，Cortex-M系列MCU的中國市場在2012年達到1.68億美元，其中ST以35%的市場份額居于首位，而NXP位居第二占有32%;

(2) Silicon Labs于2013年收購了專攻低功耗領(lǐng)域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的優(yōu)點。

上述Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列可為穿戴式醫(yī)療設(shè)備開發(fā)者提供多種選擇，而具體的MCU型號要根據(jù)設(shè)備的實際需求來決定。在同一系列里，MCU的最高主頻、內(nèi)核效率、功耗狀況都是一致的，具體型號之間的差別在于片上資源。如表4所示，STM32L0系列分為3條主要的產(chǎn)品線，差異就體現(xiàn)在一些特殊的集成外設(shè)，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當?shù)剡x用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個數(shù)，可降低系統(tǒng)成本和功耗。因此，片上集成資源的種類、數(shù)量、功耗和性能，都是決定MCU選型的重要參考因素。

表4 STM32L0系列的3條產(chǎn)品線

3.3 MCU系統(tǒng)的低功耗策略

Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)提供了優(yōu)良的平臺和電氣基礎(chǔ)。然而，如何在保持高性能的情況下，將任務(wù)的整體平均功耗降到最低，將是設(shè)備開發(fā)者的重要任務(wù)。MCU系統(tǒng)的低功耗策略決定了設(shè)備的性能和續(xù)航時間，策略的制定需要從以下四個方面入手：

(1) 合理地控制MCU的時鐘系統(tǒng)，針對特定的任務(wù)，選擇適合系統(tǒng)運行的時鐘頻率，迅速完成復(fù)雜的任務(wù)爭取更多的休眠時間;

(2) 選擇恰當?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r間;

(3) 進入休眠模式時， 將未用到的外設(shè)以及時鐘關(guān)閉;

(4) 優(yōu)化任務(wù)的時間片，將平均功耗降到最低。

圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設(shè)計的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務(wù)的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個模式之間切換：運行模式 1(EM0_1)，運行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時MCU工作在EM2，高頻時鐘和外設(shè)關(guān)閉，耗電流為IEM2;當定時器發(fā)生中斷時，MCU從EM2中喚醒，將進入EM0_1以f1主頻高速運行，此時耗電流為IEM0_1，同時啟動A/D進行心電信號采樣，采樣完畢后將數(shù)據(jù)暫存在 RAM中;如果緩存的數(shù)據(jù)量沒有達到閾值，MCU將直接進入EM2并定時等待;如果緩存的數(shù)據(jù)量達到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進入EM0_2，耗電流短時間內(nèi)達到IEM0_2，對緩存數(shù)據(jù)進行處理并存儲到SD卡上，存儲完畢后進入EM2。運行模式下使用到兩個不同的主頻f1和f2，分別是由 A/D采樣任務(wù)和SD卡存儲任務(wù)對運算能力的不同需求來決定，將任務(wù)的平均功耗最優(yōu)化。

圖1 基于Zero Gecko系列的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略

Fig.1 The low-power strategy of the dynamic ECG recorder based on Zero Gecko series

圖2 動態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務(wù)下的理論耗電流曲線

4 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型案例

血氧飽和度的監(jiān)測是了解人體心血管生理狀況的重要手段，設(shè)計一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀，設(shè)計目標：基于反射式光電容積脈搏波的測量方法，實現(xiàn)無創(chuàng)、連續(xù)地檢測人體動脈血的血氧飽和度;對脈搏波信號進行處理、分析，計算得到心率和呼吸頻率這兩個重要的生理參數(shù);當用戶的血氧飽和度或心率超出正常預(yù)定范圍時，會自動報警提醒。

圖3 腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀的功能框圖

Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry

根據(jù)設(shè)計方案和目標進行系統(tǒng)功能規(guī)劃，腕戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的功能框圖如圖3所示。該設(shè)備對MCU的特殊要求有：

(1) 高能效，即低運行功耗、超低休眠功耗和較高的運算性能;

(2) 低功耗的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈搏波采樣頻率設(shè)為200Hz;

(3) USB控制器，需要通過USB接口燒寫程序或與主機通訊。

綜合考慮了該設(shè)備對MCU性能、功耗以及外設(shè)所提出的要求，可以分三個步驟來進行MCU選型：

(1) 結(jié)合前文對不同內(nèi)核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內(nèi)核;

(2) 根據(jù)Cortex M0+內(nèi)核MCU系列的橫向比較，選擇集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿足長時間采樣的需求;

(3) 考慮到帶USB控制器的型號， 可以選擇STM32L052C8作為設(shè)備的主控制器，從而達到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。

在實際的MCU選型中要具體問題具體分析，根據(jù)現(xiàn)有的MCU系列和設(shè)備的切實需求，做出最恰當?shù)木駬瘛?/p>

5 結(jié)語

本文將市場上典型的低功耗MCU系列進行了比較，分析得出基于ARM. Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列最適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)。設(shè)備開發(fā)者當密切關(guān)注其發(fā)展動向，結(jié)合現(xiàn)有的市場需求、產(chǎn)品體系的構(gòu)建和升級換代的規(guī)劃等因素進行合理分析，抉擇出適合自身產(chǎn)品的MCU型號。繼而針對特殊醫(yī)療監(jiān)測任務(wù)的需求，為MCU系統(tǒng)制定最優(yōu)化的低功耗策略，從而開發(fā)出價格親民、性能優(yōu)越的設(shè)備。