片上系統(tǒng)微控制器推動便攜式醫(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。便攜式自動除顫器可以在緊急情況下拯救患者的生命。運動表能自動記錄使用者的心率，自動測量距離，計算步數(shù)，并可最大限度實現(xiàn)增氧運動的效果。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。

實際上所有這些便攜式產(chǎn)品都需要一個低功耗的微控制器獲取來自使用者或操作人員的命令，提供信息和進行狀態(tài)更新。因為幾乎所有產(chǎn)品都是依靠電池運行，所以應(yīng)重點考慮延長電池壽命。這些產(chǎn)品對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，將信號置于適當(dāng)?shù)臈l件下并轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以對這些信號進行處理和轉(zhuǎn)換。

便攜式醫(yī)療設(shè)備對微控制器的需求給半導(dǎo)體公司帶來了挑戰(zhàn)。設(shè)計通常是在功能特性、規(guī)格和空間限制之間進行取舍，但是在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域中很難進行這些取舍。便攜式醫(yī)療市場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。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)療電子市場中的一些創(chuàng)新產(chǎn)品，醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的普遍趨勢，以及如何應(yīng)用片上系統(tǒng)微控制器改進未來的設(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當(dāng)中。

Advanced Neuromodulation Systems公司是St. Jude Medical的一個子公司，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)進入大腦時，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)電脈沖傳入大腦時可中斷疼痛信號。

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)測胃腸道的情況。當(dāng)智能藥丸經(jīng)過胃腸道時，將數(shù)據(jù)自動傳輸?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)測胃腸道情況

智能藥丸胃腸道監(jiān)測系統(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)新上升到一個新水平。除了為病人設(shè)計的產(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；

用于自動增益控制等信號調(diào)節(jié)的運算放大器；

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，有時用于反饋；

基于分段的液晶顯示器驅(qū)動；

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的高性能基準(zhǔn)電壓；

集成閃存卡和隨機存取存儲器（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)堿性電池供電運行。

圖3. 現(xiàn)代微控制器結(jié)構(gòu)圖

集成的優(yōu)勢包括：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)勢的高度集成設(shè)備中的一個典范。它由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可編程增益運算放大器、高精度電壓基準(zhǔn)和液晶顯示器驅(qū)動組成。用分立器件實現(xiàn)高水平模擬性能會增加大約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，特別是有時會由于一個或多個元件缺貨造成生產(chǎn)停滯。

內(nèi)存大小的可選性對設(shè)計者也是一個重要的有利因素。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，還可以減少由于對編程內(nèi)存的初步估算較低而產(chǎn)生的風(fēng)險。此外，該能力還允許僅使用固件和材料清單選項制成的成品具有不同的等級和不同的功能。

低功耗

設(shè)備在電池再充電之前運轉(zhuǎn)時間越長，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間處于待機模式，也就是說，實現(xiàn)超低待機功耗的能力是決定設(shè)備電池壽命的主要因素。

對于數(shù)據(jù)記錄器等需要頻繁待機和喚醒的產(chǎn)品，由待機到喚醒所需的時間是其另一個臨界參數(shù)。微控制器啟動過程中消耗的能量往往與設(shè)備運行時消耗的能量一樣多，因此，較短的喚醒時間很重要，原因是在喚醒階段，微控制器不能做任何有效操作，用于退出待機模式的能量被完全浪費了。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)喚醒進入時鐘穩(wěn)定的完全運行模式，從而實現(xiàn)了近似實時的待機喚醒。

微控制器參與的每個環(huán)節(jié)都需要能量，最大限度縮短處理時間是延長電池壽命的關(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)需要一段時間，如果在收集數(shù)據(jù)時，微控制器處于活動狀態(tài)，會消耗能量，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的時間。當(dāng)收集到規(guī)定數(shù)目的示例后，處理器退出待機模式，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)勢是能將功耗減至最低。通過啟動和關(guān)閉運算放大器、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)，可以更簡便地控制微控制器。

運行功耗是另一項關(guān)鍵參數(shù)。盡管微控制器在活動狀態(tài)的時間相對較短，但如果運行功耗高，從待機模式到檢查狀態(tài)的啟動過程中的電池電壓電平就會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)測的時間很短，微控制器的待機電流小于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射線進行設(shè)計和調(diào)試，再加工芯片級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)計者能輕易地探測到引線上的信號，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)計者利用概念驗證階段的代碼和圖表節(jié)省時間。

片上系統(tǒng)SoC帶來技術(shù)突破

這是醫(yī)療行業(yè)令人激動的時刻，在醫(yī)療市場中發(fā)生的創(chuàng)新正在改善全世界人民的生活。從某個角度來說，人人都會受益于這些創(chuàng)新和醫(yī)療進步。保健和醫(yī)療設(shè)計師、制造商和創(chuàng)新者對低功耗、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)計對尺寸、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。