便携医疗设备MCU选型必备宝典

对于某些功耗要求极为苛刻、运算处理任务简单和成本极为敏感的仪器设计，传统8 bit低功耗MCU为最佳之选。

2.2 集成外设及其性能分析

半导体技术的发展推动了系统集成度变得越来越高，这使得硬件系统的体积、功耗、成本和稳定度等指标都得到了大幅提升，硬件系统的设计也变得越来越简单。对于便携式医疗电子仪器，其主要对象是面向人体，缩小仪器体积是提高便携性的直接途径，片上外设的种类、数量和性能，成为决定最终MCU选型的关键参考因素。如图1所示，列举出低功耗MCU通常集成的外设及其主要功能。

图1 MCU集成外设及其主要功能

生理参数的主要特点为：种类多，彼此间多存在相关性;信号谱多集中在几十kHz范围内;信号微弱，变化范围较大;特征变异的突发性和无规律性较强。因此，以信号测量为主要目的便携式医疗电子仪器，MCU模拟外设的集成度及其性能，值得高度关注。如表4所示，首先，EFM32全系列内ADC最多通道数为 8 个，对于传统12导联动态心电记录仪设计，测量将没有任何扩展余地。其次，KL系列独有的片上16 bit逐次逼近型ADC，在测量系统中可以节省一级信号放大，从而缩减模拟电路规模，降低系统成本并提高稳定度和集成度;在同等条件下，精度可提高16 倍，动态范围可扩大25 dB。

由于 ， 部分仪器通常需要同步测量多参数信号，数据量和记录时间的提高将造成控制模块和通讯接口的频繁操作，表4显示，STM32L部分型号含有SDIO接口，在设计带有SD卡记录功能的仪器时，可提高SD卡读写的可靠性和速率等指标。此外，除了考虑它们的数量、限制速率等指标是否符合设计需求外，必须关注各部分的单位功耗。表5举例说明了Energy Micro和ST公司的两款集成度和功能相近的32 bit低功耗MCU，可见，外设功耗的差距对于系统整体功耗的影响不容忽视。

2.3 时钟系统的重要性

在选定一款低功耗类型的MCU后，CPU及各功能外设的功耗绝对值只是仪器低功耗设计平台的物理基础，如何合理控制MCU内部灵活多变的时钟系统，是决定仪器低功耗设计效果好坏的关键。因此，作为控制MCU运行的“驾驶舱”，时钟系统成为衡量低功耗MCU各部件功耗可控度高低的重要指标。

表4 典型低功耗微处理器的外设对比

表5 两款MCU数字外设功耗对比

表6 飞思卡尔Kinetis MCU家族全系列介绍

2.4 软件开发与可扩展性

仪器设计离不开嵌入式软件的开发 ， 由16 bitMCU开始，C语言程序设计已基本代替了原本基于指令集的汇编语言设计，仅仅在篇幅不多的启动文件中，才会利用汇编指令进行一些堆栈初始化、中断向量表配置和系统初始化函数的跳转等操作。为了简化软件的重用性、缩短微控制器新开发人员的学习过程、提高新设备的开发效率，ARM公司设计了以C语言为基础的Cortex-M内核微控制器软件接口标准(CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard)，为不同MCU库函数开发提供了统一的硬件抽象。因此，选用32 bit低功耗MCU，统一遵守CMSIS规则，软件开发成本和效率都会得到改善，尤其对于入门设计和平台移植，将事半功倍。

此外，如表6所示，低功耗MCU系列往往只是该品牌家族中的一部分，同一品牌中的不同系列一般在外设结构、管脚封装和底层驱动函数上保持一定兼容性。因此，宏观把握MCU系列的完整面貌，可以全面认识所选平台的可扩展性，为将来仪器升级、提高新产品开发的效率做好铺垫。

3 典型设计案例

针对慢性心血管病的特点，设计一款新型动态心血管参数监测仪，设计目标：患者随身携带该仪器进行24 h以上动态参数测量和记录;白天利用示波法定时测量患者的上臂血压(用于夜间基于心电脉搏波估算血压值的校准基础)，夜间通过光电容积术连续记录患者的脉搏波，24 h全程连续记录多导ECG信号。该设计，整合了动态心电记录仪与动态血压监测仪的功能，此外借助脉搏波与心电在夜间无扰动地测量血压的连续变化，同时还可获得血氧饱和度参数，具有较高的临床应用价值。

系统结构如图2所示，根据方案设计对MCU及其外设提出的要求，综合前文第2部分的比较分析，选择STM32L或Kinetis L系列中的STM32L151VDT6或MKL25Z128VLK4作为系统的主控芯片，可以使得仪器在功耗、体积、成本和性能上获得最佳平衡。

图2 便携式动态心血管参数监测仪的系统框图

4 结语

便携式医疗电子仪器的家用化进程逐渐加快，半导体公司已纷纷洞察该市场，并推出各具特色的低成本、低功耗和高集成度MCU系列，甚至专门成立医疗产品事业部，为此类仪器开发提供解决方案，从而抢占芯片市场。以ARM Cortex-M为内核的32 bit低功耗MCU凭借极具性价比的产品优势，逐步加深了对8 bit、16 bitMCU市场份额的挤压，设计者当紧跟时代步伐，切身关注半导体技术的发展趋势，结合当前产品的特点与未来新产品的需求，选择最为合适的MCU平台，从而设计出性能卓越、价格低廉的仪器设备，为人类健康事业做出更切实的贡献。