1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的簡(jiǎn)介

穿戴式醫(yī)療設(shè)備將非介入式生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當(dāng)中，具有簡(jiǎn)易便攜、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。這類設(shè)備可隨時(shí)隨地長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于慢性疾病監(jiān)測(cè)、家庭護(hù)理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面，有利于實(shí)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(shè)備的應(yīng)用

在市場(chǎng)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，功能和性能也在不斷提升。例如我國(guó)的邁瑞公司推出的MC-6800型動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)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(jìn)行24 h無(wú)創(chuàng)性動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。美國(guó)Medtronic公司推出的血糖實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CGMS）可以連續(xù)工作3d，僅需將檢測(cè)探頭貼在患者腹部，每10s會(huì)對(duì)皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過無(wú)線方式傳送到接收器上。美國(guó)SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長(zhǎng)時(shí)間工作500 h，僅需套在手指上即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計(jì)或血壓計(jì)。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(cè)生理信號(hào)；②通過無(wú)線或有線的方式連接用戶、醫(yī)護(hù)人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng)；③續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)；④安全可靠。

1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求分析

為了滿足穿戴式醫(yī)療設(shè)備在功耗、性能、體積等方面的要求，所選用的超低功耗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(jī)或基于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?jī)r(jià)格一般比較低。在能效方面，應(yīng)選用低運(yùn)行功耗、高運(yùn)算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運(yùn)算能力有利于在片上運(yùn)行復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應(yīng)選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時(shí)間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設(shè)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(dǎo)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(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系列展開對(duì)比，8 bitMCU不在比對(duì)列表中。這是因?yàn)? bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，其市場(chǎng)也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。

32bit的內(nèi)核在運(yùn)算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當(dāng)穿戴式醫(yī)療設(shè)備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法時(shí)，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢(shì)。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)已不明顯，以低功耗著稱的MSP430系列在運(yùn)行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(wú)幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時(shí)間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應(yīng)方面有良好表現(xiàn)。

(2) 常溫條件+25 oC，所有外設(shè)關(guān)閉，程序從Flash運(yùn)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(hào)的測(cè)試結(jié)果均為當(dāng)前主頻下的最佳配置；

(3) 休眠功耗的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：片內(nèi)主時(shí)鐘和所有外設(shè)關(guān)閉，RTC打開，保留RAM。

綜合表1和表2可見，Cortex-M系列內(nèi)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(dāng)，而在運(yùn)算效率上優(yōu)勢(shì)明顯，更適合那些對(duì)任務(wù)和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。

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(duì)那些對(duì)本錢靈敏、一起對(duì)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在功能、功能上體現(xiàn)越來越乏力時(shí)，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(chǎng)。在這關(guān)鍵下，ARM公司于2012年相應(yīng)合適地推出M0的升級(jí)版——M0+，在能效和功能上作進(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。

三者內(nèi)核功能的排序?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)算功能僅次于M3。因?yàn)镸0+在價(jià)格方面比M3有優(yōu)勢(shì)，故更合適于履行低本錢、高能效的使命。歸納可知，那些對(duì)功耗有嚴(yán)苛要求、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 根據(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(shì)對(duì)Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、功能和外設(shè)方面各有所長(zhǎng)。表3列舉了商場(chǎng)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(guó)商場(chǎng)在2012年到達(dá)1.68億美元，其間ST以35%的商場(chǎng)份額居于首位，而NXP位居第二占有32%；

(2) Silicon Labs于2013年收買了專攻低功耗范疇的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的長(zhǎng)處。

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類型要根據(jù)設(shè)備的實(shí)踐需求來決議。在同一系列里，MCU的最高主頻、內(nèi)核功率、功耗情況都是共同的，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條首要的產(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有助于削減外部芯片的個(gè)數(shù)，可下降體系本錢和功耗。因而，片上集成資源的品種、數(shù)量、功耗和功能，都是決議MCU選型的重要參閱要素。

3.3 MCU體系的低功耗戰(zhàn)略

Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列兼具低功耗、高功能和靈敏的休眠形式，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)供給了優(yōu)秀的渠道和電氣根底。但是，如安在堅(jiān)持高功能的情況下，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體系的低功耗戰(zhàn)略決議了設(shè)備的功能和續(xù)航時(shí)刻，戰(zhàn)略的擬定需求從以下四個(gè)方面下手：

(1) 合理地操控MCU的時(shí)鐘體系，針對(duì)特定的使命，挑選合適體系運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)鐘頻率，敏捷完結(jié)雜亂的使命爭(zhēng)奪更多的休眠時(shí)刻；

(2) 挑選恰當(dāng)?shù)男菝咝问胶托菝邥r(shí)刻；

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

(4) 優(yōu)化使命的時(shí)刻片，將均勻功耗降到最低。

展現(xiàn)了根據(jù)表3的Zero Gecko系列規(guī)劃的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗戰(zhàn)略，MCU體系使命的理論耗電流如圖2所示。其間，MCU首要在三個(gè)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)。平常MCU作業(yè)在EM2，高頻時(shí)鐘和外設(shè)封閉，耗電流為IEM2；當(dāng)守時(shí)器產(chǎn)生中止時(shí)，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_1，一起發(fā)動(dòng)A/D進(jìn)行心電信號(hào)采樣，采樣結(jié)束后將數(shù)據(jù)暫存在RAM中；假如緩存的數(shù)據(jù)量沒有到達(dá)閾值，MCU將直接進(jìn)入EM2并守時(shí)等候；假如緩存的數(shù)據(jù)量到達(dá)閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時(shí)刻內(nèi)到達(dá)IEM0_2，對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)到SD卡上，存儲(chǔ)結(jié)束后進(jìn)入EM2。運(yùn)轉(zhuǎn)形式下使用到兩個(gè)不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣使命和SD卡存儲(chǔ)使命對(duì)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。

圖1 根據(jù)Zero Gecko系列的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗戰(zhàn)略

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

圖2 動(dòng)態(tài)心電記錄儀履行不同使命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(shè)備的MCU選型事例

血氧飽和度的監(jiān)測(cè)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(cè)儀，規(guī)劃方針：依據(jù)反射式光電容積脈息波的測(cè)量方法，完成無(wú)創(chuàng)、接連地檢測(cè)人體動(dòng)脈血的血氧飽和度；對(duì)脈息波信號(hào)進(jìn)行處理、剖析，核算得到心率和呼吸頻率這兩個(gè)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)訂規(guī)模時(shí)，會(huì)主動(dòng)報(bào)警提示。

圖3 腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功用框圖

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

依據(jù)規(guī)劃方案和方針進(jìn)行體系功用規(guī)劃，腕戴式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功用框圖如圖3所示。該設(shè)備超功耗MCU芯片的特殊要求有：

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

(2) 低功耗芯片的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈息波采樣頻率設(shè)為200Hz；

(3) USB控制器，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(duì)低功耗MCU芯片功能、功耗以及外設(shè)所提出的要求，能夠分三個(gè)過程來進(jìn)行MCU選型：

(1) 結(jié)合前文對(duì)不同內(nèi)核的剖析，挑選低功耗、高功能的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(zhǎng)期采樣的需求；

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

在實(shí)踐的MCU選型中要具體問題具體剖析，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)倪x擇。