片上系統(tǒng)微控制器推動(dòng)便攜式醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新

便攜式醫(yī)療設(shè)備正在改善提供給數(shù)百萬患者的醫(yī)療水平。血糖儀、心率監(jiān)測(cè)儀、胃造影（GI）、無痛植入及許多其它設(shè)備為急慢性病癥患者的生活帶來福音。便攜式自動(dòng)除顫器可以在緊急情況下拯救患者的生命。運(yùn)動(dòng)表能自動(dòng)記錄使用者的心率，自動(dòng)測(cè)量距離，計(jì)算步數(shù)，并可最大限度實(shí)現(xiàn)增氧運(yùn)動(dòng)的效果。未來更多用于醫(yī)療的創(chuàng)新產(chǎn)品，將大大提高醫(yī)療保健的效率。

實(shí)際上所有這些便攜式產(chǎn)品都需要一個(gè)低功耗的微控制器獲取來自使用者或操作人員的命令，提供信息和進(jìn)行狀態(tài)更新。因?yàn)閹缀跛挟a(chǎn)品都是依靠電池運(yùn)行，所以應(yīng)重點(diǎn)考慮延長(zhǎng)電池壽命。這些產(chǎn)品對(duì)電池壽命的要求不同，一般二到十年更換電池。此外，這些受空間限制的產(chǎn)品通常需要高度集成的模擬元件，將信號(hào)置于適當(dāng)?shù)臈l件下并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。

便攜式醫(yī)療設(shè)備對(duì)微控制器的需求給半導(dǎo)體公司帶來了挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)通常是在功能特性、規(guī)格和空間限制之間進(jìn)行取舍，但是在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域中很難進(jìn)行這些取舍。便攜式醫(yī)療市場(chǎng)的要求往往是相互矛盾的：既要求多功能，又要求小巧；既要求高性能模擬，又要求低功耗；既要求高處理能力，又要求電池壽命長(zhǎng)。這些產(chǎn)品需要有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、可調(diào)增益、電源管理系統(tǒng)和液晶顯示器。

本文將討論醫(yī)療電子市場(chǎng)中的一些創(chuàng)新產(chǎn)品，醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的普遍趨勢(shì)，以及如何應(yīng)用片上系統(tǒng)微控制器改進(jìn)未來的設(shè)備。

創(chuàng)新

得益于超低功耗、高度集成微控制器的推出，能減輕病痛、提高患者保健和生活質(zhì)量的新產(chǎn)品大批量的走入市場(chǎng)當(dāng)中。

Advanced Neuromodulation Systems公司是St. Jude Medical的一個(gè)子公司，該公司生產(chǎn)的Eon脊髓刺激器是一種治療慢性病痛的植入式設(shè)備（圖1）。它的工作原理是，植入設(shè)備將溫和的電脈沖發(fā)送到脊髓附近的傳導(dǎo)區(qū)域，當(dāng)這些電脈沖穿過神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)入大腦時(shí)，可遮蓋或中斷痛覺，取而代之的是一種舒適的感覺，稱作“感覺異常”。

圖1. Eon脊髓刺激系統(tǒng)已被批準(zhǔn)為治療軀干四肢慢性疼痛癥和腰椎手術(shù)失敗綜合癥（FBSS）的專業(yè)儀器。它的工作原理是：植入設(shè)備將溫和的電脈沖發(fā)送到脊髓附近的傳導(dǎo)區(qū)域，當(dāng)電脈沖傳入大腦時(shí)可中斷疼痛信號(hào)。

最近推出的另一種比較有趣的設(shè)備是智能藥丸（圖2）。它的工作原理是：患者將其吞咽下去，就可監(jiān)測(cè)胃腸道的情況。當(dāng)智能藥丸經(jīng)過胃腸道時(shí)，將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖銛y式數(shù)據(jù)收集器中。與傳統(tǒng)胃腸道數(shù)據(jù)收集的方法相比，它的副作用更小，也更為方便。這種設(shè)備對(duì)小型化和電池壽命的具有極高的要求。

圖2. 智能藥丸：患者將其吞咽下去，監(jiān)測(cè)胃腸道情況

智能藥丸胃腸道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)表明，包括RFID、ZigBee、802.15.4及其它專有協(xié)議的低功耗無線協(xié)議使醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新上升到一個(gè)新水平。除了為病人設(shè)計(jì)的產(chǎn)品外，多家公司近來已發(fā)布了基于無線協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，用于跟蹤醫(yī)院設(shè)備和人員情況。

集成

具有板載微控制器的片上系統(tǒng)所提供的集成水平使便攜式醫(yī)療設(shè)備獲益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成提供小型空間里的更多容量，就不可能產(chǎn)生這么多小型便攜產(chǎn)品。

圖3是現(xiàn)代微控制器的結(jié)構(gòu)圖，此微控制器可用作血糖儀或脈搏血氧儀等便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的片上系統(tǒng)。集成的微控制器是運(yùn)行這些設(shè)備所需的唯一集成電路。用于醫(yī)療設(shè)備的微控制器具備如下特征：

高性能模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通常12bit以上；

用于自動(dòng)增益控制等信號(hào)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器；

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有時(shí)用于反饋；

基于分段的液晶顯示器驅(qū)動(dòng)；

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高性能基準(zhǔn)電壓；

集成閃存卡和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）內(nèi)存條；

能源管理系統(tǒng)和監(jiān)管系統(tǒng)，這些產(chǎn)品直接由一節(jié)硬幣型鋰電池或兩節(jié)堿性電池供電運(yùn)行。

圖3. 現(xiàn)代微控制器結(jié)構(gòu)圖

集成的優(yōu)勢(shì)包括：電路板面積減小、生產(chǎn)成本較低、方便采購和功耗最小化。如果將閃存程序編輯到電路內(nèi)，集成閃存卡和RAM內(nèi)存條不僅可用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還可用作資料記錄記憶器。

MSP430FG4270微控制器是具有成本優(yōu)勢(shì)的高度集成設(shè)備中的一個(gè)典范。它由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可編程增益運(yùn)算放大器、高精度電壓基準(zhǔn)和液晶顯示器驅(qū)動(dòng)組成。用分立器件實(shí)現(xiàn)高水平模擬性能會(huì)增加大約1美元的材料成本，更不必說采購、物流和制造成本的增加了。在設(shè)計(jì)過程中很容易忽略這些額外開支，但額外開支可能具有重大影響，特別是有時(shí)會(huì)由于一個(gè)或多個(gè)元件缺貨造成生產(chǎn)停滯。

內(nèi)存大小的可選性對(duì)設(shè)計(jì)者也是一個(gè)重要的有利因素。內(nèi)存大小和芯片尺寸大致上呈線性關(guān)系，微控制器的成本與內(nèi)存大小成正比?；诔绦蛟O(shè)計(jì)的需要選擇內(nèi)存，不僅可以優(yōu)化材料成本，還可以減少由于對(duì)編程內(nèi)存的初步估算較低而產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。此外，該能力還允許僅使用固件和材料清單選項(xiàng)制成的成品具有不同的等級(jí)和不同的功能。

低功耗

設(shè)備在電池再充電之前運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，終端用戶的滿意度就越高。大多數(shù)便攜式醫(yī)療設(shè)備中的微控制器大部分時(shí)間處于待機(jī)模式，也就是說，實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗的能力是決定設(shè)備電池壽命的主要因素。

對(duì)于數(shù)據(jù)記錄器等需要頻繁待機(jī)和喚醒的產(chǎn)品，由待機(jī)到喚醒所需的時(shí)間是其另一個(gè)臨界參數(shù)。微控制器啟動(dòng)過程中消耗的能量往往與設(shè)備運(yùn)行時(shí)消耗的能量一樣多，因此，較短的喚醒時(shí)間很重要，原因是在喚醒階段，微控制器不能做任何有效操作，用于退出待機(jī)模式的能量被完全浪費(fèi)了。此外，為響應(yīng)觸發(fā)事件，現(xiàn)代的微控制器也需要快速的喚醒。例如，德州儀器的一些MSP430微控制器能在一微秒內(nèi)喚醒進(jìn)入時(shí)鐘穩(wěn)定的完全運(yùn)行模式，從而實(shí)現(xiàn)了近似實(shí)時(shí)的待機(jī)喚醒。

微控制器參與的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要能量，最大限度縮短處理時(shí)間是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。低功耗微控制器具有許多能最大限度縮短處理時(shí)間的特征。例如，在分析數(shù)據(jù)前，產(chǎn)品從模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器收集數(shù)據(jù)需要一段時(shí)間，如果在收集數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器處于活動(dòng)狀態(tài)，會(huì)消耗能量，但并不發(fā)揮什么作用。一些微控制器允許模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器收集數(shù)據(jù)并將其保存到內(nèi)存中，使用直接內(nèi)存存取，最大限度縮短處理器需要保持活動(dòng)的時(shí)間。當(dāng)收集到規(guī)定數(shù)目的示例后，處理器退出待機(jī)模式，開始分析數(shù)據(jù)并輸出結(jié)果。

如前所述，集成的另一優(yōu)勢(shì)是能將功耗減至最低。通過啟動(dòng)和關(guān)閉運(yùn)算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器等外設(shè)，或根據(jù)需要有選擇地關(guān)閉某些外設(shè)，可以更簡(jiǎn)便地控制微控制器。

運(yùn)行功耗是另一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。盡管微控制器在活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)較短，但如果運(yùn)行功耗高，從待機(jī)模式到檢查狀態(tài)的啟動(dòng)過程中的電池電壓電平就會(huì)快速耗盡電池的電量。此外，由于一些產(chǎn)品應(yīng)用如ZigBee、802.15.4等無線協(xié)議或德州儀器SimpliciTI等專有無線協(xié)議，為維持無線網(wǎng)絡(luò)，這些系統(tǒng)可能需要更頻繁的喚醒。盡管每天使用醫(yī)療產(chǎn)品監(jiān)測(cè)的時(shí)間很短，微控制器的待機(jī)電流小于1.1微安，但保持較低的平均功耗仍然很重要。

封裝

為滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品小尺寸的要求，可采用芯片級(jí)封裝和球狀矩陣排列（BGA）兩種封裝方式。為了減小外型尺寸，這兩種封裝比傳統(tǒng)有引線封裝更難。此外，為確保板被焊接，可使用X射線進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，再加工芯片級(jí)封裝或球狀矩陣排列比再加工引線封裝更具挑戰(zhàn)性。

由于更大的四方扁平封裝或塑料小尺寸封裝使設(shè)計(jì)者能輕易地探測(cè)到引線上的信號(hào)，所以可以選擇直接將較小的封裝用于原型階段，這樣可通過使設(shè)計(jì)者利用概念驗(yàn)證階段的代碼和圖表節(jié)省時(shí)間。

片上系統(tǒng)SoC帶來技術(shù)突破

這是醫(yī)療行業(yè)令人激動(dòng)的時(shí)刻，在醫(yī)療市場(chǎng)中發(fā)生的創(chuàng)新正在改善全世界人民的生活。從某個(gè)角度來說，人人都會(huì)受益于這些創(chuàng)新和醫(yī)療進(jìn)步。保健和醫(yī)療設(shè)計(jì)師、制造商和創(chuàng)新者對(duì)低功耗、高速處理能力和高性能模擬集成的應(yīng)用日益增多，這些特征在當(dāng)今的微控制器中都可見到。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)尺寸、電池壽命或準(zhǔn)確性提出更高要求，工程師可從微控制器片上系統(tǒng)中得到更多啟示。