穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型對(duì)比分析

(1) 合理地控制MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)，針對(duì)特定的任務(wù)，選擇適合系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)鐘頻率，迅速完成復(fù)雜的任務(wù)爭(zhēng)取更多的休眠時(shí)間;

(2) 選擇恰當(dāng)?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r(shí)間;

(3) 進(jìn)入休眠模式時(shí)， 將未用到的外設(shè)以及時(shí)鐘關(guān)閉;

(4) 優(yōu)化任務(wù)的時(shí)間片，將平均功耗降到最低。

圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務(wù)的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個(gè)模式之間切換：運(yùn)行模式1(EM0_1)，運(yùn)行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時(shí)MCU工作在EM2，高頻時(shí)鐘和外設(shè)關(guān)閉，耗電流為IEM2;當(dāng)定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，MCU從EM2中喚醒，將進(jìn)入EM0_1以f1主頻高速運(yùn)行，此時(shí)耗電流為IEM0_1，同時(shí)啟動(dòng)A/D進(jìn)行心電信號(hào)采樣，采樣完畢后將數(shù)據(jù)暫存在RAM中;如果緩存的數(shù)據(jù)量沒(méi)有達(dá)到閾值，MCU將直接進(jìn)入EM2并定時(shí)等待;如果緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時(shí)間內(nèi)達(dá)到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)完畢后進(jìn)入EM2。運(yùn)行模式下使用到兩個(gè)不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣任務(wù)和SD卡存儲(chǔ)任務(wù)對(duì)運(yùn)算能力的不同需求來(lái)決定，將任務(wù)的平均功耗最優(yōu)化。

圖1 基于Zero Gecko系列的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略

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

圖2 動(dòng)態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務(wù)下的理論耗電流曲線

4 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型案例

血氧飽和度的監(jiān)測(cè)是了解人體心血管生理狀況的重要手段，設(shè)計(jì)一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀，設(shè)計(jì)目標(biāo)：基于反射式光電容積脈搏波的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、連續(xù)地檢測(cè)人體動(dòng)脈血的血氧飽和度;對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理、分析，計(jì)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)定范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒。

圖3 腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功能框圖

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

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)功能規(guī)劃，腕戴式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功能框圖如圖3所示。該設(shè)備對(duì)MCU的特殊要求有：

(1) 高能效，即低運(yùn)行功耗、超低休眠功耗和較高的運(yùn)算性能;

(2) 低功耗的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈搏波采樣頻率設(shè)為200Hz;

(3) USB控制器，需要通過(guò)USB接口燒寫程序或與主機(jī)通訊。

綜合考慮了該設(shè)備對(duì)MCU性能、功耗以及外設(shè)所提出的要求，可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行MCU選型：

(1) 結(jié)合前文對(duì)不同內(nèi)核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內(nèi)核;

(2) 根據(jù)Cortex M0+內(nèi)核MCU系列的橫向比較，選擇集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿足長(zhǎng)時(shí)間采樣的需求;

(3) 考慮到帶USB控制器的型號(hào)， 可以選擇STM32L052C8作為設(shè)備的主控制器，從而達(dá)到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。

在實(shí)際的MCU選型中要具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)現(xiàn)有的MCU系列和設(shè)備的切實(shí)需求，做出最恰當(dāng)?shù)木駬瘛?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

本文將市場(chǎng)上典型的低功耗MCU系列進(jìn)行了比較，分析得出基于ARM. Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列最適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)。設(shè)備開(kāi)發(fā)者當(dāng)密切關(guān)注其發(fā)展動(dòng)向，結(jié)合現(xiàn)有的市場(chǎng)需求、產(chǎn)品體系的構(gòu)建和升級(jí)換代的規(guī)劃等因素進(jìn)行合理分析，抉擇出適合自身產(chǎn)品的MCU型號(hào)。繼而針對(duì)特殊醫(yī)療監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求，為MCU系統(tǒng)制定最優(yōu)化的低功耗策略，從而開(kāi)發(fā)出價(jià)格親民、性能優(yōu)越的設(shè)備。