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穿戴式医疗设备MCU选型对比分析

作者:时间:2018-08-22来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/387408.htm

(1) 合理地控制MCU的时钟系统,针对特定的任务,选择适合系统运行的时钟频率,迅速完成复杂的任务争取更多的休眠时间;

(2) 选择恰当的休眠模式和休眠时间;

(3) 进入休眠模式时, 将未用到的外设以及时钟关闭;

(4) 优化任务的时间片,将平均降到最低。

图1 展示了基于表3的Zero Gecko系列设计的动态心电记录仪的低策略,MCU系统任务的理论耗电流如图2所示。其中,MCU主要在三个模式之间切换:运行模式1(EM0_1),运行模式2(EM0_2),深度睡眠模式(EM2)。平时MCU工作在EM2,高频时钟和外设关闭,耗电流为IEM2;当定时器发生中断时,MCU从EM2中唤醒,将进入EM0_1以f1主频高速运行,此时耗电流为IEM0_1,同时启动A/D进行心电信号采样,采样完毕后将数据暂存在RAM中;如果缓存的数据量没有达到阈值,MCU将直接进入EM2并定时等待;如果缓存的数据量达到阈值,则MCU切换到更高的f2主频进入EM0_2,耗电流短时间内达到IEM0_2,对缓存数据进行处理并存储到SD卡上,存储完毕后进入EM2。运行模式下使用到两个不同的主频f1和f2,分别是由A/D采样任务和SD卡存储任务对运算能力的不同需求来决定,将任务的平均最优化。

图1 基于Zero Gecko系列的动态心电记录仪的低功耗策略

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

图2 动态心电记录仪执行不同任务下的理论耗电流曲线

4 穿戴式医疗设备的MCU选型案例

血氧饱和度的监测是了解人体心血管生理状况的重要手段,设计一款腕带式血氧饱和度监测仪,设计目标:基于反射式光电容积脉搏波的方法,实现无创、连续地检测人体动脉血的血氧饱和度;对脉搏波信号进行处理、分析,计算得到心率和呼吸频率这两个重要的生理参数;当用户的血氧饱和度或心率超出正常预定范围时,会自动报警提醒。

图3 腕带式血氧饱和度监测仪的功能框图

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

根据设计方案和目标进行系统功能规划,腕戴式血氧饱和度监测仪的功能框图如图3所示。该设备对MCU的特殊要求有:

(1) 高能效,即低运行功耗、超低休眠功耗和较高的运算性能;

(2) 低功耗的ADC,采样精度不低于10 bit,脉搏波采样频率设为200Hz;

(3) USB控制器,需要通过USB接口烧写程序或与主机通讯。

综合考虑了该设备对MCU性能、功耗以及外设所提出的要求,可以分三个步骤来进行MCU选型:

(1) 结合前文对不同内核的分析,选择低功耗、高性能的Cortex-M0+内核;

(2) 根据Cortex M0+内核MCU系列的横向比较,选择集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列,满足长时间采样的需求;

(3) 考虑到带USB控制器的型号, 可以选择STM32L052C8作为设备的主控制器,从而达到在性能、功耗、成本和体积方面的最佳平衡。

在实际的MCU选型中要具体问题具体分析,根据现有的MCU系列和设备的切实需求,做出最恰当的抉择。

5 结语

本文将市场上典型的低功耗MCU系列进行了比较,分析得出基于ARM. Cortex M0+内核的MCU系列最适合穿戴式医疗设备的开发。设备开发者当密切关注其发展动向,结合现有的市场需求、产品体系的构建和升级换代的规划等因素进行合理分析,抉择出适合自身产品的MCU型号。继而针对特殊医疗监测任务的需求,为MCU系统制定最优化的低功耗策略,从而开发出价格亲民、性能优越的设备。


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关键词: 测量 功耗

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