支持醫療保健應用的超低功耗微控制器

一個醫療保健產品的架構簡單地講，分為幾個區塊，如圖1所示。首先是微控制器本身，它包含著信號處理能力，其次，是用作信號調節的AD/DA的轉換，另外，還有電源管理區塊，在系統中，功耗表現良好非常重要，還有人機界面、音頻放大、通信接口等。通信接口還包括BT/LE、Wifi、ZigBee、GSM/CDMA、以太網/USB等。這些都牽涉到低功耗的界面，低功耗的規格等。

手持式或者是便攜型的醫療保健產品在設計上最大的挑戰之一就是如何延長電池的使用壽命，使用低功耗的微處理器是很重要的方面。

要求病人更換電池，令醫療設備的使用效益大大降低。針對這個挑戰，應對方案就是低功耗技術。將擁有無線技術的超低功耗微處理器作為低功耗網絡設備的大腦，還有就是通過高效的軟件設計使用各種睡眠模式。

圖1 醫療/保健設備架構

一般而言，低功耗的微處理器在設計上有一下的要求：84μA/MHz 運行電流(MCU); 停止模式運行50nA  (MCU);RTC運行600nA (MCU);LCD運行500nA  (MCU);4μs喚醒時間(MCU)。超低功耗微處理器要求1600+MIPS1W (MPU)。

飛思卡爾已經推出一些列Kinetis系列，其中以低功耗特點著稱的就有Kineits L系列。

Kineits L系列

Kineits  L系列微處理器是什么樣的一個產品呢?簡單來說，它可以替代眾多8位MCU的產品，因為它具有低功耗、低價位的特性，而且容易使用。從能源效率來講，它具有同級中較領先的Coremark/mW。另外，它還具有可擴展的性能和集成度，即Kinetis  L到K系列(Cortex-M0+toM4)。在容易使用上面，它得到飛思卡爾支持并加上ARM生態系統的支持。Kineits  L系列微處理器的主要特性如表1所示。同時它Kineits L系列微處理器在存儲器封裝的可擴展性方面表現也很出色。

超高效的Cortex-M0+處理器是較為節能的32位處理器，擁有較領先的吞吐量/mA，它的節能特點表現在以下三個方面：第一，節能架構，采用90nm  TFS技術、時鐘和功率門控技術進行低功耗優化，高效的平臺擁有低功耗啟動選項、具有位處理引擎、外設橋接交叉開關和零等待狀態閃存控制器;第二，超低功耗模式，多種靈活的功率模式，適合不同的應用使用情況，旨在較大限度地延長電池壽命;第三，節能的外設，智能外設可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數據，而無需喚醒內核。

表1 Kineits L系列：MCU家族

表2 超低功耗模式

Cortex-M0+，“+”代表什么呢?目的是采用2級管道以減少門控數，增加吞吐量/mA，從而提高能源效率，比Cortex-M0降低30%的功耗，比Cortex-M0提高56%的能效。不僅如此，它還具備出眾的性能，即2.42  CoreMark/MHz，比Cortex-M0提高9%的性能。

擴展系統級功能包括：單周期快速I/O訪問端口促進位拆裂(bit-banging)和軟件協議仿真，保持8位的“外觀和體驗”，速度比普通I/O快50%;片上微跟蹤緩沖區(MTB)提升了用戶調試體驗，優化的捕獲機制，只將程序流信息的變更存儲在用戶配置的系統RAM中，可以通過調試器使用MTB內容和應用程序源代碼重構大型程序序列。

節能的架構

? 90nm的薄膜存儲(TFS)技術

-與現有技術相比，動態功耗降低約1/3

- Flash支持低功耗模式和快速的編程/擦除時間

-從SRAM開始執行時，提供Flash禁用選項

-處于等待模式時，Flash打盹選項禁用(增加約1μs的喚醒時間)

?時鐘和功率門控

-為了節省功耗，外設時鐘默認為禁用

- LLS和VLLSx模式關閉大多數邏輯元件的電源，但保持節能外設和喚

?醒源的電源

-在計算操作(Compute Operation)和局部(Partial STOP)選項中提供自動平臺時鐘控制，以進一步降低動態功耗

?低功耗的I/O引腳配置

- I/O引腳默認為低功耗配置，將引 腳與數字邏輯斷開，這樣無需配置未使用的I/O引腳，以減少引腳漏電的情況

?低功耗啟動選項

-可配置上電復位和低功耗恢復時間，以消除電源尖峰電壓

?位處理引擎(BME)

-智能負載和存儲能力為外設改進了周期數，減少了代碼大小

?外設橋接交叉開關(AXBS Lite)

-支持從主機(內核和DMA)到從機(存儲器和外設)的并行訪問

?閃存控制器(FMC)

- 4路、4組32位閃存緩存，可減少flash訪問次數，從而消除等待狀態

從低功耗節能模式對比中可以看出，嵌入式系統中的典型功率模式分為運行——等待——停止。Cortex-M功率模式分為運行——睡眠——深度睡眠。但是，飛思卡爾Kinetis擴展性功率模式中，增加了低功耗喚醒單元，它可完全關閉內核邏輯，包括WIC，進一步減少低功耗模式下的電流漏電情況，支持16個外部輸入引腳和8個內部模塊作為喚醒源，喚醒輸入在LLS或VLLS模式中激活。表2詳細地說明了飛思卡爾Kinetis擴展性超低功耗模式。它超越了典型的運行、睡眠和深度睡眠模式電源選項的設計旨在大限度地延長不同應用中的電池壽命。

Kinetis KL02在超高效處理、靈活的超低功耗模式和自主的低功耗外設。其中，超高效處理包括ARM Cortex-M0+處理器;低功耗90nm TFS  Flash技術;位處理引擎;外設橋接交叉開關;零等待狀態的閃存控制器。靈活的超低功耗模式包括9種靈活的RUN、WAIT和STOP模式，支持多種應用使用情況;4μs的深度喚醒時間;時鐘和功率門控;低功耗啟動選項。自主的低功耗外設又包括智能外設可在深度睡眠模式下運行，可以做出明智的決策和處理數據，而無需喚醒內核UART、定時器、ADC。

智能外設可延長深度睡眠模式的時間，無CPU干擾，從而延長電池壽命。節能的外設細節和說明如下所示。

? DMA

-允許節能外設(不包括ADC，UART和定時器/ PWM)在停止/  VLPS模式中觸發異步DMA請求，執行DMA傳輸，隨后在無CPU干擾的情況下返回當前的電源模式

? UART

-支持總線時鐘的異步發送和接收操作，總線時鐘支持到停止/  VLPS模式的通信。可配置接收器波特率，過采樣率達4~32倍，允許以較低的時鐘源實現更高的波特率

? SPI

-支持從模式地址匹配喚醒功能和到 停止/ VLP模式的首條消息捕獲功能

? I2C

-支持到停止/ VLPS模式的多個地址匹配喚醒功能

?USB

-支持到停止/VLPS模式的異步喚醒恢復信令

? LPTPM(Timer/PWM)

-支持到停止/ VLPS模式的16位定時器輸入捕捉，輸出比較和PWM功能

? LPTMR(Timer/Pulse Counter)

-在所有電源模式中支持16位定時器和脈沖計數器功能

? RTC

-在所有電源模式中支持帶有秒中斷和可編程告警的32位秒計數器，包括溫度和電壓補償

? ADC

-停止/ VLPS模式支持多個結果寄 存器中的單次轉換，提供硬件平均和自動比較模式

? CMP (模擬比較器)

-在所有電源模式以及觸發比較模式中支持閾值越限檢測，比平均功率 更低

? DAC

-在所有電源模式中支持靜態參考

? LCD段

-在所有電源模式中支持交替顯示和閃爍功能

? TSI (電容觸摸感應接口)

-在所有電源模式中支持單個通道喚

醒電容式觸摸

? LLWU(低功耗喚醒單元)

-在LLS和VLLSx模式中支持8個喚醒引腳，RESET和NMI喚醒引腳，以及一些節能外設低功耗操作

低功耗關鍵點

在低功耗模式和活動運行模式兩種模式中，低功耗的關鍵是減少能源使用總量。L系列M0+內核在配備更快的系統時鐘速度時的運行速度Idd也許稍高，但L系列改進的效率允許更快進入低功耗模式，從而在整體上節省了功率。IOPORT允許單周期訪問GPIO，能直接減少活動電流，此功能在GPIO密集型應用中更顯著。BME最高能減少40%的位處理執行時間，從而直接減少活動電流。新的低功耗啟動選項允許量身定制啟動電流，以滿足某些特定的低功耗應用。新的節能外設和異步DMA允許其在停止和VLP模式中運行。

問：請問支持醫療設備的和工業設備的MCU區別是什么?

答：飛思卡爾的MCU解決方案同時支持工業和醫療應用設計。飛思卡爾推出的產品長期供貨計劃，產品推出之后至少供應10年。醫療用的IC至少15年。

問：飛思卡爾MCU超低功耗的具體水平能達多少呢?

答：功耗水平可以達到nA級別。

問：飛思卡爾都是低功耗的嗎?

答：飛思卡爾微控制器中，L系列都是Low Power系列。

問：Kinetis L系列的低功率操作模式有幾種?

答：一共9種。

問：Kinetis L系列微控制器有休眠、待機之類的模式嗎?切換起來方便嗎?能否由中斷喚醒?

答：飛思卡爾豐富了Kinetis L系列微控制器不同的工作模式，不同的功耗模式切換容易，有外設中斷喚醒功能。

問：飛思卡爾是否提供支持KinetisL系列產品的開發平臺和軟件?

答：飛思卡爾提供了Codewarrior，現在版本10.5，另外還支持IAR和KEIL的支持，在飛思卡爾MCU產品的sample  code中會包含這三種IDE的示例代碼。

問：KinetisL系列MCU的封裝標準是什么?

答：Kinetis L系列支持LQFP、BGA、QFN和WLCSP封裝。

問：飛思卡爾E系列MCU的ADC有什么基本性能指標?

答：1個16通道12位SAR  ADC，帶有內部帶隙參考通道，在停止模式下運行，可選擇的硬件觸發器(ADC)，兩個模擬比較器，內含一個6位DAC和可編程參考輸入(ACMP) 。

問：請問M0+有哪些低功耗外設可以獨立工作?

答：所有外設都可以在低功耗模式下工作(LPRUN、LPSTOP等)，其中TPM、UART0、DMA可以在更低的功耗模式下工作，RTC、LPTMR、 LLS  GPIO可以在相對最低的功耗模式下工作。

問：低功耗的MCU有沒有16位ADC?

答：KL1X、KL2X、KL4X都是16bits ADC，只有KL0X和部分KL1X是12bits。

問：ADC最多是幾路?

答：最多24路ADC，兩個ADC模塊。

問：醫療應用有哪些特殊要求?

答：醫療用MCU的新的設計趨勢是：更高的測量精度、更低的功耗、更長的產品生命支持、片上閃存設計而不是OTP、提高產品的可靠性等等。飛思卡爾的Kinetis  L MCU滿足這些設計要求。

問：醫療設計中的網絡通信設計這塊可以提供哪些?

答：有BAN、WAN、Wi-Fi、NFC、Bluetooth、ANT+、GPRS/3G等等都是很好的例子。

問：醫療保健應用的微控制器系列支持哪幾種操作系統?

答：飛思卡爾的Kinetis L MCU可與飛思卡爾的實時操作系統 RTOS MQX-lite (MQX精簡版)，以及其他低體重 (low  weight)實時操作系統，例如FreeRTOS等。

問：這款MCU有沒有較小封裝?是什么樣的SoC封裝?

答：飛思卡爾的Kinetis L MCU支持2mm×2mm WLCSP封裝，它是迄今為止世界上較小的封裝MCU產品。

問：請問KinetisKL02系列的特點有些什么?

答：32位ARM  Cortex-M0+內核，與最接近的8/16位架構相比，CoreMark/mA能效得分高約2倍;內部的LPUART、SPI、I2C、ADC和LP定時器和DMA支持低功耗模式運行，無需喚醒內核;多達28個可控GPIO，支持引腳中斷;內部的LPTMR低功耗定時器能夠在除VLLS0外的所有功率模式下運行;內部帶有12位AD等。

問：器件最多能提供幾路I/O口?

答：這要具體看封裝，比如64腳的，有50多路GPIO。

問：32位MCU和16位MCU哪個更適合繼電保護應用?

答：都可以，具體可以根據需求選擇。

問：具體應用上有哪些須特別注重的問題或關鍵點呢?

答：這個要看具體的應用了，如一些應用中，對EMC性能要求比較高，就要考慮處理不使用的引腳，reset引腳，NMI引腳的處理和設置等。