本文將市場上典型的低功耗MCU系列進行了比較,分析得出基于ARM. Cortex M0+內核的MCU系列最適合穿戴式醫療設備的開發。設備開發者當密切關注其發展動向,結合現有的市場需求、產品體系的構建和升級換代的規劃等因素進行合理分析,抉擇出適合自身產品的MCU型號。繼而針對特殊醫療監測任務的需求,為MCU系統制定最優化的低功耗策略,從而開發出價格親民、性能優越的設備。
根據穿戴式醫療設備低成本、高性能、高集成度和續航時間長的特點,對比了當前主流的低功耗微控制器(MCU)系列,分析得出ARM Cortex M0+內核的MCU系列適合該領域的產品開發。在功耗水平、運算性能、外設集成和產品成本等方面,進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內核的MCU系列展開參數對比,為穿戴式醫療設備的MCU選型提供指南。
近年來穿戴式醫療設備的市場需求在快速增長,將成為拉動經濟增長的一個創新型產業。根據艾媒(iiMedia Research)公布的《2012-2013中國移動醫療市場年度報告》顯示,在2012年我國移動醫療市場規模達到18.6億元,其中穿戴式醫療設備占4.2億元,較上一年增長20%。預計到2017年底,我國穿戴式醫療設備的市場規模將接近50億元,在未來十年內呈現急速增長的態勢。隨著市場需求的增長和產品的普及,穿戴式醫療設備正在往低成本、高性能、續航時間長和體積小的方向發展,這就對設備的控制核心——微控制器(MCU)提出了更苛刻的要求。可穿戴的趨向使得設備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質,否則將會被市場和用戶淘汰。
1 穿戴式醫療設備的簡介
穿戴式醫療設備將非介入式生理信號檢測技術融合到日常穿戴衣物、器件當中,具有簡易便攜、長時間監測的優點。這類設備可隨時隨地長時間監測人體生理狀況,已經廣泛應用于慢性疾病監測、家庭護理保健、睡眠質量監測等方面,有利于實現慢性、隱性疾病的早發現、早診斷、早治療。
1.1 穿戴式醫療設備的應用
在市場和用戶的追捧熱潮下,各種穿戴式醫療設備的解決方案和新產品層出不窮,功能和性能也在不斷提升。例如我國的邁瑞公司推出的MC-6800型動態血壓監測儀,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行24 h無創性動態血壓監測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續監測系統(CGMS)可以連續工作3d,僅需將檢測探頭貼在患者腹部,每10s會對皮下間質液里的葡萄糖濃度進行測量,并將獲得的數據通過無線方式傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長時間工作500 h,僅需套在手指上即可實時監測用戶的血氧飽和度和心率,可靠性堪比體溫計或血壓計。這些產品都體現了區別于常規電子儀器的顯著特征:①非介入地檢測生理信號;②通過無線或有線的方式連接用戶、醫護人員和數據系統;③續航時間長;④安全可靠。
1.2 穿戴式醫療設備的需求分析
為了滿足穿戴式醫療設備在功耗、性能、體積等方面的要求,所選用的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單片機或基于ARM Cortex-M系列內核的32 bit單片機,這些芯片出貨量巨大,批量價格一般比較低。在能效方面,應選用低運行功耗、高運算能力的MCU系列,低功耗可以提高續航能力,高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數據處理。在休眠效率方面,應選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時間的MCU系列。在集成度方面,可選用那些外設豐富且性能優越的MCU系列,有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統穩定性。
2 典型低功耗MCU系列的比較
各大半導體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等,紛紛推出適用于穿戴式醫療設備的中低端MCU系列。表1和表2將16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開對比,8 bitMCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經不適合穿戴式醫療設備的發展趨勢,其市場也正被ARM Cortex-M系列內核的MCU蠶食。
表1重點比較了16 bit/32 bit內核的性能差別,32bit的內核在運算效率方面全面超越16 bit 的內核,意味著當穿戴式醫療設備需要在片上執行數據處理和復雜算法時,Cortex-M系列內核的32 bit MCU更具優勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比,可以發現16 bit MCU在低功耗方面的優勢已不明顯,以低功耗著稱的MSP430系列在運行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態下的喚醒時間也能做到了10 μs以下,在休眠效率、快速響應方面有良好表現。
表1 典型低功耗內核架構的性能對比
注:(1)內核性能的測試結果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數據為準。
表2 典型低功耗MCU的能效對比
注: (1) 對于表1的MCU系列具體型號的測試報告,所挑選的型號片上配置相近,Flash容量均為64 kB;
(2) 常溫條件+25 oC,所有外設關閉,程序從Flash運行;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;各型號的測試結果均為當前主頻下的最佳配置;
(3) 休眠功耗的測試標準:片內主時鐘和所有外設關閉,RTC打開,保留RAM。
綜合表1和表2可見,Cortex-M系列內核的32 bitMCU在功耗水平上已經做到與傳統8 /16 bit MCU相當,而在運算效率上優勢明顯,更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫療設備。
3 基于Cortex-M0+內核的MCU選型分析
3.1 Cortex M系列內核的對比
Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+,是ARM公司針對那些對成本敏感、同時對能效有較高要求的應用而設計的。當傳統的8/16 bit MCU在性能、功能上表現越來越乏力時,ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內核。Cortex-M0內核以優異的表現擊敗了傳統的8bit MCU,成功殺入低端的MCU市場。在這契機下,ARM公司于2012年相應適宜地推出M0的升級版——M0+,在能效和功能上作進一步的優化和增設,以超低的能耗提供更快的任務處理能力。
從表1和2的數據可知,三者內核性能的排序為M3》M0+》M0,運行功耗的排序為M3》M0》M0+,即M0+內核的能效高于 M0,運算性能僅次于M3。由于M0+在價格方面比M3有優勢,故更適合于執行低成本、高能效的任務。綜合可知,那些對功耗有苛刻要求、運算處理任務較復雜、且需要控制成本的設備選擇M0+內核的MCU最為合適。
3.2 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列
各大MCU生產廠商結合自身的優勢對Cortex-M0+內核加以整合優化,在功耗、性能和外設方面各有所長。表3列舉了市場上M0+內核的主流MCU系列,并結合穿戴式醫療設備的需求進行分析。
表3 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列
注:(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內核的產品線,Cortex-M系列MCU的中國市場在2012年達到1.68億美元,其中ST以35%的市場份額居于首位,而NXP位居第二占有32%;
(2) Silicon Labs于2013年收購了專攻低功耗領域的Energy Micro,之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的優點。
上述Cortex M0+內核的MCU 系列可為穿戴式醫療設備開發者提供多種選擇,而具體的MCU型號要根據設備的實際需求來決定。在同一系列里,MCU的最高主頻、內核效率、功耗狀況都是一致的,具體型號之間的差別在于片上資源。如表4所示,STM32L0系列分為3條主要的產品線,差異就體現在一些特殊的集成外設,如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當地選用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個數,可降低系統成本和功耗。因此,片上集成資源的種類、數量、功耗和性能,都是決定MCU選型的重要參考因素。
表4 STM32L0系列的3條產品線
3.3 MCU系統的低功耗策略
Cortex M0+內核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式,為穿戴式醫療設備的開發提供了優良的平臺和電氣基礎。然而,如何在保持高性能的情況下,將任務的整體平均功耗降到最低,將是設備開發者的重要任務。MCU系統的低功耗策略決定了設備的性能和續航時間,策略的制定需要從以下四個方面入手:
(1) 合理地控制MCU的時鐘系統,針對特定的任務,選擇適合系統運行的時鐘頻率,迅速完成復雜的任務爭取更多的休眠時間;
(2) 選擇恰當的休眠模式和休眠時間;
(3) 進入休眠模式時, 將未用到的外設以及時鐘關閉;
(4) 優化任務的時間片,將平均功耗降到最低。
圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設計的動態心電記錄儀的低功耗策略,MCU系統任務的理論耗電流如圖2所示。其中,MCU主要在三個模式之間切換:運行模式 1(EM0_1),運行模式2(EM0_2),深度睡眠模式(EM2)。平時MCU工作在EM2,高頻時鐘和外設關閉,耗電流為IEM2;當定時器發生中斷時,MCU從EM2中喚醒,將進入EM0_1以f1主頻高速運行,此時耗電流為IEM0_1,同時啟動A/D進行心電信號采樣,采樣完畢后將數據暫存在 RAM中;如果緩存的數據量沒有達到閾值,MCU將直接進入EM2并定時等待;如果緩存的數據量達到閾值,則MCU切換到更高的f2主頻進入EM0_2,耗電流短時間內達到IEM0_2,對緩存數據進行處理并存儲到SD卡上,存儲完畢后進入EM2。運行模式下使用到兩個不同的主頻f1和f2,分別是由 A/D采樣任務和SD卡存儲任務對運算能力的不同需求來決定,將任務的平均功耗最優化。
圖1 基于Zero Gecko系列的動態心電記錄儀的低功耗策略
圖2 動態心電記錄儀執行不同任務下的理論耗電流曲線
4 穿戴式醫療設備的MCU選型案例
血氧飽和度的監測是了解人體心血管生理狀況的重要手段,設計一款腕帶式血氧飽和度監測儀,設計目標:基于反射式光電容積脈搏波的測量方法,實現無創、連續地檢測人體動脈血的血氧飽和度;對脈搏波信號進行處理、分析,計算得到心率和呼吸頻率這兩個重要的生理參數;當用戶的血氧飽和度或心率超出正常預定范圍時,會自動報警提醒。
圖3 腕帶式血氧飽和度監測儀的功能框圖
根據設計方案和目標進行系統功能規劃,腕戴式血氧飽和度監測儀的功能框圖如圖3所示。該設備對MCU的特殊要求有:
(1) 高能效,即低運行功耗、超低休眠功耗和較高的運算性能;
(2) 低功耗的ADC,采樣精度不低于10 bit,脈搏波采樣頻率設為200Hz;
(3) USB控制器,需要通過USB接口燒寫程序或與主機通訊。
綜合考慮了該設備對MCU性能、功耗以及外設所提出的要求,可以分三個步驟來進行MCU選型:
(1) 結合前文對不同內核的分析,選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內核;
(2) 根據Cortex M0+內核MCU系列的橫向比較,選擇集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列,滿足長時間采樣的需求;
(3) 考慮到帶USB控制器的型號, 可以選擇STM32L052C8作為設備的主控制器,從而達到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。
在實際的MCU選型中要具體問題具體分析,根據現有的MCU系列和設備的切實需求,做出最恰當的抉擇。
評論
查看更多