根據(jù)穿戴式醫(yī)療設備低成本、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+內核的MCU系列適合該領域的產(chǎn)品開發(fā),。在功耗水平、運算性能,、外設集成和產(chǎn)品成本等方面,，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內核的MCU系列展開參數(shù)對比，為穿戴式醫(yī)療設備的MCU選型提供指南,。
近年來穿戴式醫(yī)療設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)療設備占4.2億元，較上一年增長20%,。預計到2017年底,，我國穿戴式醫(yī)療設備的市場規(guī)模將接近50億元，在未來十年內呈現(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,，否則將會被市場和用戶淘汰。
1 穿戴式醫(yī)療設備的簡介
穿戴式醫(yī)療設備將非介入式生理信號檢測技術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,。這類設備可隨時隨地長時間監(jiān)測人體生理狀況,，已經(jīng)廣泛應用于慢性疾病監(jiān)測、家庭護理保健,、睡眠質量監(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)療設備的應用
在市場和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫(yī)療設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)療設備的需求分析
為了滿足穿戴式醫(yī)療設備在功耗,、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雜算法和數(shù)據(jù)處理,。在休眠效率方面,，應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)療設備的發(fā)展趨勢,，其市場也正被ARM Cortex-M系列內核的MCU蠶食,。
表1重點比較了16 bit/32 bit內核的性能差別，32bit的內核在運算效率方面全面超越16 bit 的內核,，意味著當穿戴式醫(yī)療設備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復雜算法時,，Cortex-M系列內核的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,、快速響應方面有良好表現(xiàn)。
Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析
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,，所有外設關閉,，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：片內主時鐘和所有外設關閉,，RTC打開，保留RAM。
綜合表1和表2可見,，Cortex-M系列內核的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，更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設備,。
3 基于Cortex-M0+內核的MCU選型分析
3.1 Cortex M系列內核的對比
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用而設計的,。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內核,。Cortex-M0內核以優(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，以超低的能耗提供更快的任務處理能力,。
從表1和2的數(shù)據(jù)可知，三者內核性能的排序為M3>M0+>M0,，運行功耗的排序為M3>M0>M0+,，即M0+內核的能效高于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,。綜合可知,，那些對功耗有苛刻要求、運算處理任務較復雜,、且需要控制成本的設備選擇M0+內核的MCU最為合適,。
3.2 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列
各大MCU生產(chǎn)廠商結合自身的優(yōu)勢對Cortex-M0+內核加以整合優(yōu)化，在功耗,、性能和外設方面各有所長,。表3列舉了市場上M0+內核的主流MCU系列，并結合穿戴式醫(yī)療設備的需求進行分析,。
表3 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列
Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture
基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析
注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內核的產(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+內核的MCU 系列可為穿戴式醫(yī)療設備開發(fā)者提供多種選擇,，而具體的MCU型號要根據(jù)設備的實際需求來決定,。在同一系列里，MCU的最高主頻,、內核效率,、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,，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
Tab.4 Three product lines of STM32L0 series
基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析
3.3 MCU系統(tǒng)的低功耗策略
Cortex M0+內核的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)療設備的開發(fā)提供了優(yōu)良的平臺和電氣基礎,。然而,，如何在保持高性能的情況下，將任務的整體平均功耗降到最低,，將是設備開發(fā)者的重要任務,。MCU系統(tǒng)的低功耗策略決定了設備的性能和續(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,，選擇適合系統(tǒng)運行的時鐘頻率，迅速完成復雜的任務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， 將未用到的外設以及時鐘關閉,；
(4) 優(yōu)化任務的時間片,，將平均功耗降到最低。
圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設計的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務的理論耗電流如圖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，高頻時鐘和外設關閉,，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采樣任務和SD卡存儲任務對運算能力的不同需求來決定,，將任務的平均功耗最優(yōu)化。
基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析
圖2 動態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務下的理論耗電流曲線
Fig.2 The theoretical power consumption profile of the dynamic ecg recorder performing different tasks
4 穿戴式醫(yī)療設備的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,，設計一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀，設計目標：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定范圍時,，會自動報警提醒,。
基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析
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,。
綜合考慮了該設備對MCU性能、功耗以及外設所提出的要求,，可以分三個步驟來進行MCU選型：
(1) 結合前文對不同內核的分析,，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內核,；
(2) 根據(jù)Cortex M0+內核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系列和設備的切實需求,，做出最恰當?shù)木駬瘛?br/>