盤點可穿戴設(shè)備醫(yī)療行業(yè)十大主流MCU

可穿戴醫(yī)療是最被業(yè)內(nèi)人士看好的可穿戴設(shè)備應(yīng)用，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用擴大，智能醫(yī)療也將逐漸走向人們身邊。然而，對于可穿戴醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計依然存在眾多技術(shù)難題，如何實現(xiàn)設(shè)備的低功耗特性、便攜性以及穩(wěn)定性仍然是技術(shù)人員需要解決的首要問題。

MCU可以充分滿足大多數(shù)可穿戴設(shè)備的需求，此外，最新MCU可在單個芯片中集成大部分功能，這對降低可穿戴設(shè)備的整體尺寸和BOM成本都具有重要作 用。可以說，MCU直接決定了設(shè)備的整體性能。有鑒于此，筆者專門整合了10款主流的可穿戴醫(yī)療MCU(排名不分先后)。

一、TI MSP430FG47x可穿戴醫(yī)療的理想選擇

德州儀器 (TI)致力于為未來醫(yī)療電子領(lǐng)域帶來革命性變革，以提高醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量與易用性。TI 正在努力推進創(chuàng)新醫(yī)療電子設(shè)備的創(chuàng)新，不斷提高靈活性與易用性，努力降低成本

TI MSP430FG47x 超低功耗微處理器(MCU)產(chǎn)品系列，充分滿足工程師對可提供低功耗、高性能以及有針對性外設(shè)集成等特性的 MCU的需求，幫助他們迅速高效地開發(fā)具有可靠性、便捷性以及低成本等優(yōu)勢的醫(yī)療設(shè)備。FG47x MCU 實現(xiàn)了完整信號鏈的片上集成，不但可降低設(shè)計復(fù)雜性，而且還可顯著節(jié)省空間與成本。這些器件將幫助開發(fā)人員改進醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量與產(chǎn)品易用性，滿足血糖計、數(shù)字體表、脈搏血氧計以及血壓/心率監(jiān)測器等多種產(chǎn)品的需求。

MSP430FG47x 的主要特性與優(yōu)勢

?片上集成了完整的信號鏈，包括兩個可配置的運算放大器、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、比較器以及 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，不但可縮減板級空間與物料清單成本，而且還可加速產(chǎn)品上市進程;

?16 位 Σ 型 ADC，可滿足應(yīng)用對高分辨率信號轉(zhuǎn)換的需求;

?支持對比度控制的 128 段 LCD 驅(qū)動器可實現(xiàn)方便的診斷顯示;

?提供多種存儲器選擇：高達 60KB 的閃存與 2KB 的 RAM，可充分滿足便捷的可編程性需求;

?MSP430 MCU 的超低功耗提高了便攜性，電池使用時間長達 20 年以上;

?MSP430 MCU的集成智能外設(shè)可提供高性能，實現(xiàn)了非工作狀態(tài)下零功耗;

?兩種封裝選項可充分滿足各種印制電路板 (PCB) 的尺寸要求：80 引腳 QFP 或 113 焊球 BGA，大小僅為 7.1 毫米 x 7.1 毫米。

FG47x 器件是 TI 針對醫(yī)療應(yīng)用的各種 MCU 產(chǎn)品系列中的最新成員。TI 可提供全系列嵌入式處理以及互補型模擬解決方案，幫助設(shè)計人員創(chuàng)建具有更高靈活性與便捷性的低成本醫(yī)療產(chǎn)品，從而改進診斷并提高易用性。TI MCU 解決方案的超低功耗可提高便攜性，實現(xiàn)更輕松的慢性疾病監(jiān)護與治療。

二、Silicon labs efm32 gecko構(gòu)造超低功耗系統(tǒng)

Silicon Labs 非常看好物聯(lián)網(wǎng)的廣闊的市場前景，這是Silicon Labs 全力以赴的領(lǐng)域;而且針對可穿戴設(shè)備和智能家居領(lǐng)域都有一系列的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品推出，去年年底還推出了一款新的SoC，它將具有超低功耗，支持并集成Zigbee、藍(lán)牙等多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，非常適合應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

特點：

?高達 128 kB 的閃存和 16 kB RAM 內(nèi)存

?多達 90 個 GPIO，驅(qū)動強度為 20 mA

?靈活的能耗管理系統(tǒng)，5 個不同能耗模式

?硬件 AES，128/256 位加密和解密

?適用于自主運行的周邊反射系統(tǒng)

?超低功耗的精度和模擬外圍設(shè)備

?具有高達 16 Mbps 的 UART 和 SPI 模式的 USART

?具有 100 nA 接收模式的低能耗 UART

?具有比較/捕獲功能的 16 位定時器/計數(shù)器

Silicon Labs 的 EFM32 Gecko 32 位微控制器(MCU) 系列包括 25 設(shè)備，這些設(shè)備具有高達 128 kB、8C16 kB RAM 的閃存，以及速度高達 32 MHz 的 CPU 的配置?；趶姶蟮?ARM Cortex-M3 內(nèi)核，Gecko 系列采用創(chuàng)新低能耗技術(shù)，節(jié)能模式喚醒時間縮短，可搭配各種外圍設(shè)備，是電池驅(qū)動應(yīng)用及其他需要高性能和低功耗系統(tǒng)的理想選擇。

三、意法半導(dǎo)體首款M0+ MCU STM32L0，挑戰(zhàn)對手的殺手锏

今年，ST發(fā)布了一款新系列32位通用微控制器產(chǎn)品，此系列產(chǎn)品將大幅延長醫(yī)療保健設(shè)備的電池使用壽命。STM32L0超低功耗系列微控制器基于 32MHz ARM Cortex M0+處理器內(nèi)核，內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 和USB FS 2.0無晶振型解決方案。

新系列STM32微控制器讓客戶能夠取得前所未有的低功耗，整合高能效的ARM Cortex-M0+內(nèi)核、優(yōu)化架構(gòu)、電源管理模式、超低功耗外設(shè)、支持節(jié)能型USB功能、獨有的超低功耗制造工藝。

此產(chǎn)品的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器樹立了一個新的低功耗標(biāo)準(zhǔn)，在100ksps轉(zhuǎn)換速率時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器耗電僅為40μA，在1.14Msps時，功耗僅升至 200μA。結(jié)合處理器內(nèi)核的優(yōu)異能效和外設(shè)的超低功耗，新系列微控制器將降低健身追蹤器(fitness tracker)和家用煙火檢測器(smoke detector)等非充電電池供電設(shè)備的電池更換率，節(jié)省終端用戶的支出和廢舊電池對環(huán)境的影響。例如，使用一枚非充電型硬幣電池的健身追蹤器，在改用 STM32L0后，使用壽命可長達2年。

此系列微控制器的另一大優(yōu)勢是，能夠讓設(shè)備制造商設(shè)計出電池更小的終端產(chǎn)品，從而縮減產(chǎn)品尺 寸、降低產(chǎn)品價格。例如，血糖計以及產(chǎn)品種類不斷增加的便攜式醫(yī)療儀器和健身器材。此外，新系列產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體獨有的CMOS制造工藝，不僅提供嵌入 式EEPROM存儲器，而且在25°C - 125°C工作溫度范圍內(nèi)，取得了業(yè)內(nèi)功耗變化最小的成績，創(chuàng)下高溫環(huán)境內(nèi)功耗新低。

四&五、瑞薩適用于可穿戴式血壓監(jiān)視儀的兩款MCU

血壓監(jiān)視儀作為電子醫(yī)療產(chǎn)品的代 表，近年來在眾多家庭中迅速普及。隨著上臂式血壓監(jiān)視儀的廣泛普及，可以輕松測量的手腕式血壓監(jiān)視儀的需求也日益增加，而裝置的小型化、電池的高壽命化就變得尤為必要。此外，為了測量數(shù)據(jù)的共享，以及在哪兒都可以調(diào)出數(shù)據(jù)，就必須加強電腦或手機與USB / Bluetooth使用的通信功能，向泛網(wǎng)社會發(fā)展。

根據(jù)電池的高壽命化，或裝置的小型化可以降低所需電池的數(shù)量，因此需要低功耗。瑞 薩擁有豐富的MCU產(chǎn)品線，其中，R8CLx 內(nèi)置LCD低功耗的8位MCU，R8C/Lx系列內(nèi)置LCD驅(qū)動控制電路。它繼承了R8C/3x系列產(chǎn)品的很多外圍功能(如多功能定時器和各種通信功能) 以及38000/740和 H8/300L超低功耗系列產(chǎn)品中簡便易用的LCD驅(qū)動控制電路。

78K0R / LX3微控制器是16位單片機微控制器。它包括78K0R CPU核心和外圍功能器件如ROM/RAM，LCD控制器/驅(qū)動器，A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，運算放大器，多功能的串行接口，多功能定時器，實時計數(shù)器，和看門狗定時器。

78K0R / LX3功能框圖

這兩款MCU均內(nèi)置了LCD驅(qū)動控制電路，可實現(xiàn)低功耗，并包含了血壓監(jiān)視儀所需的外圍功能，減少了傳統(tǒng)血壓監(jiān)視儀的外置器件，進一步降低了設(shè)計成本。

六、ADI可穿戴無線心電監(jiān)護儀精密模擬MCU

傳統(tǒng)心電監(jiān)護儀通常需要隨身攜帶記錄監(jiān)視儀，放在靠近病人頸部或腕部的口袋里，而無線心電圖監(jiān)視儀的噪聲和干擾大大降低，尺寸減小到甚至可以安裝在電極 背面，能夠提供比傳統(tǒng)方案更精確的信號。這種電路價格便宜，且能夠提供診斷質(zhì)量的1導(dǎo)聯(lián)心電圖跡線，驅(qū)動腿免除了對 60 Hz陷波濾波器的需求。所有的電路都能穿戴在衣服內(nèi)，因此患者舒適度和隱私度大幅提高。

ADI的精密模擬MCU――ADuC7026在 單芯片內(nèi)集成1 MSPS、12位、多通道高性能ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及16/32位MCU和Flash/EE存儲器。其中，ADC具有多達12個單端輸入通道，另外還 有4個ADC輸入通道也可以和4個DAC的輸出引腳復(fù)用;MCU內(nèi)核是ARM7TDMI，它是一個16位/32位RISC機器，其最高性能峰值高達41 MIPS。片內(nèi)集成有8KB的SRAM和62KB非易失性Flash/EE存儲器。低功耗，高集成等特性，使得ADuC7026這款高精度MCU十分適合 作為無線心電圖監(jiān)視儀的控制中樞。

ADuC7026功能框圖

七&八、飛思卡爾用于可穿戴無線醫(yī)療保健貼片的兩款MCU

可穿戴型無線貼片是一款一 體化監(jiān)測工具， 可測量心率、呼吸模式和其他生命體征。該貼片適用于臨床和個人醫(yī)療保健應(yīng)用。貼片型醫(yī)療保健產(chǎn)品可增加患者的移動性和舒適性，并可將生命體征數(shù)據(jù)無線上傳至云端，用于實時分析或長期保存記錄。飛思卡爾為該應(yīng)用提供了豐富的低功耗、低成本MCU解決方案：

Kinetis KL1x系列ARM Cortex-M0+ MCU具備超低功耗的性能，還配備了豐富的模擬、通信、定時和控制外設(shè)，并和基于ARM CortexTM-M4核的Kinetis K10 MCU系列兼容。

帶有集成模擬前端的Kinetis K50 ARM Cortex-M4微控制器。K50微控制器具備超低功耗的設(shè)計，集成了電容式觸摸感應(yīng)硬件等重要外設(shè)，能夠滿足醫(yī)療保健設(shè)備的各種要求。 除了上述特性以外，該器件還集成了支持DSP指令、符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高性能32位ARM Cortex-M4 CPU，隸屬于一個配備32KB至1MB集成式閃存的器件系列。

Kinetis K50功能方框圖

九、美信用于生命體征監(jiān)測服低功耗MCU

生命體征監(jiān)測服(Fit)使專業(yè)醫(yī)護人員和迫切想要了解自身健康狀況的用戶能夠以低成本頻繁監(jiān)測各項體征指標(biāo)。高度集成的監(jiān)護服設(shè)計可用于測量三導(dǎo)聯(lián)心電圖(ECG)、體溫和運動狀態(tài)。所有診斷工具均已集成到襯衫內(nèi)部，不會影響穿著舒適度。

該新型智能監(jiān)護服集成了干電極ECG測量技術(shù)、復(fù)雜的信號處理技術(shù)、溫度傳感器、運動傳感器、超低功耗微控制器及無線通信單元，是Maxim Integrated、Clearbridge VitalSigns和Orbital Research三家公司在經(jīng)驗、技術(shù)、創(chuàng)新層面積極合作的成果。

其中，由美信推出的具有紅外模塊和USB 功能的16位MCU――MAXQ622，包含低功耗、高吞吐率、16位的RISC架構(gòu)，128KB閃存和6KB數(shù)據(jù)SRAM，并具備超低功耗停止模式 (0.3μA，典型值)。該模式下，只有少數(shù)電路保持供電。喚醒源包括外部中斷、電源失效中斷以及定時器中斷。微控制器工作在1.70V至3.6V寬工作 電壓范圍，也可通過USB供電。

MAXQ622原理圖

十、Mircochip用于電離子滲入貼片設(shè)備的MCU

尼古丁貼片、防暈貼片是被大眾所熟悉的可穿戴式產(chǎn)品，這類產(chǎn)品為新一代電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。其中，電離子滲入貼片是新一代電子產(chǎn)品中新興的應(yīng)用。

隨著電子技術(shù)及低價、高效能MCU的發(fā)展，生產(chǎn)低成本的一次性藥物分配器已成為可能;許多消費者已在使用自助式電離子滲入產(chǎn)品，但是設(shè)計人員在設(shè)計電離子滲入貼片設(shè)備時面臨了許多挑戰(zhàn)，其中，最大的挑戰(zhàn)在于將關(guān)鍵電子元件制成可穿戴式組件，該組件在使用1次后就可能被丟棄，于是，貼片電子元件必須相當(dāng)?shù)蛢r。

設(shè)備必須產(chǎn)生足夠的電壓，并在規(guī)定的一段時間內(nèi)維持特定注入劑量所需的電流，才能使藥物透過皮膚完成注入。升壓穩(wěn)壓器用于將電池的 低電壓升高到足夠的準(zhǔn)位，進而讓所需電流通過皮膚?？墒褂贸杀镜土拟o扣式鋰電池或者堿性電池為電子貼片元件供電。要同時滿足成本和功能要求，則需要小巧又高度集成的 MCU。

Microchip的8位MCU――PIC12F1822 就可用于這種設(shè)備，其具有內(nèi)部10位ADC、固定參考電壓、比較器、PWM、硬件計時器和EEPROM，可滿足設(shè)計的集成要求。固定參考電壓可消 除對穩(wěn)壓器或外部參考電壓源的需求，并使設(shè)計保持在8接腳MCU范疇內(nèi)，以降低成本并縮小電路板尺寸。