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能融合到日常穿戴衣物、器材當(dāng)中，具有簡易便攜、長期監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。這類設(shè)備可隨時隨地長期監(jiān)測人體生理情況，現(xiàn)已廣泛使用于慢性疾病監(jiān)測、家庭護(hù)理保健、睡覺質(zhì)量監(jiān)測等方面，有利于完結(jié)慢性、隱性疾病的早發(fā)現(xiàn)、早確診、早醫(yī)治。

　　1.1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的使用

　　在商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，功用和功用也在不斷進(jìn)步。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，就能在各種情況下進(jìn)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(shí)時接連監(jiān)測體系（CGMS）能夠接連作業(yè)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(jìn)行丈量，并將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線方法傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長期作業(yè)500 h，僅需套在手指上即可實(shí)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經(jīng)過無線或有線的方法連接用戶、醫(yī)護(hù)人員和數(shù)據(jù)體系；③續(xù)航時刻長；④安全可靠。

　　1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求剖析

　　為了滿意穿戴式醫(yī)療設(shè)備在功耗、功用、體積等方面的要求，所選用的MCU需求滿意以下要求：①低本錢；②高能效；③高休眠功率；④高集成度。在操控本錢方面，能夠考慮低功耗的8/16 bit單片機(jī)或依據(jù)ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)功耗、高運(yùn)算才能的MCU系列，低功耗能夠進(jìn)步續(xù)航才能，高運(yùn)算才能有利于在片上運(yùn)轉(zhuǎn)雜亂算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠功率方面，應(yīng)挑選擁有靈敏多樣的休眠形式、超低休眠功耗、極短喚醒時刻的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設(shè)豐厚且功用優(yōu)越的MCU系列，有利于減少體積尺度、降低硬件本錢和進(jìn)步體系穩(wěn)定性。

　　2 典型低功耗MCU系列的比較

　　各大半導(dǎo)體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，紛繁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系列翻開比照，8 bitMCU不在比對列表中。這是因?yàn)? bit MCU現(xiàn)已不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢，其商場也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。

　　表1重點(diǎn)比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的功用不同，32bit的內(nèi)核在運(yùn)算功率方面全面逾越16 bit 的內(nèi)核，意味著當(dāng)穿戴式醫(yī)療設(shè)備需求在片上履行數(shù)據(jù)處理和雜亂算法時，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翻開能效比照，能夠發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢已不顯著，以低功耗著稱的MSP430系列在運(yùn)轉(zhuǎn)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)下的喚醒時刻也能做到了10 μs以下，在休眠功率、快速響應(yīng)方面有良好體現(xiàn)。

　　注：（1）內(nèi)核功用的測驗(yàn)成果（CoreMark Scores）以EEMBC安排發(fā)布的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

　　注： （1） 對于表1的MCU系列詳細(xì)類型的測驗(yàn)報告，所挑選的類型片上裝備相近，F(xiàn)lash容量均為64 kB；

　?。?） 常溫條件+25 oC，一切外設(shè)封閉，程序從Flash運(yùn)轉(zhuǎn)；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；各類型的測驗(yàn)成果均為當(dāng)時主頻下的最佳裝備；

　?。?） 休眠功耗的測驗(yàn)規(guī)范：片內(nèi)主時鐘和一切外設(shè)封閉，RTC翻開，保存RAM。

　　歸納表1和表2可見，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bitMCU在功耗水平上現(xiàn)已做到與傳統(tǒng)8 /16 bit MCU適當(dāng)，而在運(yùn)算功率上優(yōu)勢顯著，更適合那些對使命和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。

　　3 依據(jù)Cortex-M0+內(nèi)核的MCU選型剖析

　　3.1 Cortex M系列內(nèi)核的比照

　　Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，是ARM公司針對那些對本錢敏感、同時對能效有較高要求的使用而規(guī)劃的。當(dāng)傳統(tǒng)的8/16 bit MCU在功用、功用上體現(xiàn)越來越乏力時，ARM公司于2009年推出了低本錢、低功耗、高能效的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0內(nèi)核以優(yōu)異的體現(xiàn)打敗了傳統(tǒng)的8bit MCU，成功殺入低端的MCU商場。在這契機(jī)下，ARM公司于2012年相應(yīng)適宜地推出M0的升級版——M0+，在能效和功用上作進(jìn)一步的優(yōu)化和增設(shè)，以超低的能耗供給更快的使命處理才能

從表1和2的數(shù)據(jù)可知，三者內(nèi)核功用的排序?yàn)镸3》M0+》M0，運(yùn)轉(zhuǎn)功耗的排序?yàn)镸3》M0》M0+，即M0+內(nèi)核的能效高于 M0，運(yùn)算功用僅次于M3。因?yàn)镸0+在價格方面比M3有優(yōu)勢，故更適合于履行低本錢、高能效的使命。歸納可知，那些對功耗有苛刻要求、運(yùn)算處理使命較雜亂、且需求操控本錢的設(shè)備挑選M0+內(nèi)核的MCU最為適宜。

　　3.2 依據(jù)Cortex M0+內(nèi)核的干流MCU系列

　　各大MCU出產(chǎn)廠商結(jié)合本身的優(yōu)勢對Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、功用和外設(shè)方面各有所長。表3列舉了商場上M0+內(nèi)核的干流MCU系列，并結(jié)合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求進(jìn)行剖析。

　　注：（1） ST公司和NXP公司都建立了包括Cortex-M系列一切內(nèi)核的產(chǎn)品線，Cortex-M系列MCU的中國商場在2012年到達(dá)1.68億美元，其間ST以35%的商場份額居于首位，而NXP位居第二占有32%；

　?。?） 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(diǎn)。

　　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)者供給多種挑選，而詳細(xì)的MCU類型要依據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求來決議。在同一系列里，MCU的最高主頻、內(nèi)核功率、功耗情況都是一致的，詳細(xì)類型之間的不同在于片上資源。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)在一些特別的集成外設(shè)，如DAC、USB操控器和LCD操控器。恰當(dāng)?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)，可降低體系本錢和功耗。因此，片上集成資源的品種、數(shù)量、功耗和功用，都是決議MCU選型的重要參閱要素。

　　3.3 MCU體系的低功耗策略

　　Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列兼具低功耗、高功用和靈敏的休眠形式，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)供給了優(yōu)秀的平臺和電氣根底。然而，如安在堅(jiān)持高功用的情況下，將使命的全體均勻功耗降到最低，將是設(shè)備開發(fā)者的重要使命。MCU體系的低功耗策略決議了設(shè)備的功用和續(xù)航時刻，策略的制定需求從以下四個方面下手：

　?。?） 合理地操控MCU的時鐘體系，針對特定的使命，挑選適合體系運(yùn)轉(zhuǎn)的時鐘頻率，敏捷完結(jié)雜亂的使命爭奪更多的休眠時刻；

　?。?） 挑選恰當(dāng)?shù)男菝咝问胶托菝邥r刻；

　　（3） 進(jìn)入休眠形式時， 將未用到的外設(shè)以及時鐘封閉；

　　（4） 優(yōu)化使命的時刻片，將均勻功耗降到最低。

　　展示了依據(jù)表3的Zero Gecko系列規(guī)劃的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，低功耗MCU體系使命的理論耗電流如圖2所示。其間，MCU主要在三個形式之間切換：運(yùn)轉(zhuǎn)形式 1（EM0_1），運(yùn)轉(zhuǎn)形式2（EM0_2），深度睡覺形式（EM2）。平時MCU作業(yè)在EM2，高頻時鐘和外設(shè)封閉，耗電流為IEM2；當(dāng)定時器發(fā)生中止時，MCU從EM2中喚醒，將進(jìn)入EM0_1以f1主頻高速運(yùn)轉(zhuǎn)，此刻耗電流為IEM0_1，同時啟動A/D進(jìn)行心電信號采樣，采樣結(jié)束后將數(shù)據(jù)暫存在 RAM中；如果緩存的數(shù)據(jù)量沒有到達(dá)閾值，MCU將直接進(jìn)入EM2并定時等候；如果緩存的數(shù)據(jù)量到達(dá)閾值，則超低功耗MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時刻內(nèi)到達(dá)IEM0_2，對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲到SD卡上，存儲結(jié)束后進(jìn)入EM2。運(yùn)轉(zhuǎn)形式下使用到兩個不同的主頻f1和f2，分別是由 A/D采樣使命和SD卡存儲使命對運(yùn)算才能的不同需求來決議，將使命的均勻功耗最優(yōu)化。

　　4 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型事例

　　血氧飽和度的監(jiān)測是了解人體心血管生理情況的重要手法，規(guī)劃一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀，規(guī)劃目標(biāo)：依據(jù)反射式光電容積脈息波的丈量方法，完結(jié)無創(chuàng)、接連地檢測人體動脈血的血氧飽和度；對脈息波信號進(jìn)行處理、剖析，核算得到心率和呼吸頻率這兩個重要的生理參數(shù)；當(dāng)用戶的血氧飽和度或心率超出正常預(yù)訂范圍時，會主動報警提醒。

　　依據(jù)規(guī)劃方案和目標(biāo)進(jìn)行體系功用規(guī)劃，腕戴式血氧飽和度監(jiān)測儀的功用框圖如圖3所示。該設(shè)備對MCU的特別要求有：

　?。?） 高能效，即低運(yùn)轉(zhuǎn)功耗、超低休眠功耗和較高的運(yùn)算功用；

　?。?） 低功耗的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈息波采樣頻率設(shè)為200Hz；

　?。?） USB操控器，需求經(jīng)過USB接口燒寫程序或與主機(jī)通訊。

　　歸納考慮了該設(shè)備對MCU功用、功耗以及外設(shè)所提出的要求，能夠分三個步驟來進(jìn)行MCU選型：

　　（1） 結(jié)合前文對不同內(nèi)核的剖析，挑選低功耗、高功用的Cortex-M0+內(nèi)核；

       （2）依據(jù)Cortex M0+內(nèi)核MCU系列的橫向比較，挑選集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿意長期采樣的需求；

　　（3） 考慮到帶USB操控器的類型， 能夠挑選STM32L052C8作為設(shè)備的主操控器，然后到達(dá)在功用、功耗、本錢和體積方面的最佳平衡。

　　在實(shí)際的MCU選型中要詳細(xì)問題詳細(xì)剖析，依據(jù)現(xiàn)有的MCU系列和設(shè)備的實(shí)在需求，做出最恰當(dāng)?shù)木駬瘛?/span>