穿戴式醫療設備MCU選型對比分析

(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

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

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

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

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。

5 結語

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。