摘要：依据穿戴式医疗设备低本钱、高功用、高集成度和续航时刻长的特色，比照了当时干流的低功耗微操控器(MCU)系列，剖析得出ARM Cortex M0+内核的MCU系列适合该范畴的产品开发。在功耗水平、运算功用、外设集成和产品本钱等方面，进一步将各大半导体公司依据Cortex M0+内核的MCU系列翻开参数比照，为穿戴式医疗设备的MCU选型供给攻略。
0 导言
近年来穿戴式医疗设备的商场需求在快速增加，将成为拉动经济增加的一个创新型产业。依据艾媒(iiMedia Research)发布的《2012-2013中国移动医疗商场年度报告》显现，在2012年我国移动医疗商场规模到达18.6亿元，其间穿戴式医疗设备占4.2亿元，较上一年增加20%。估计到2017年末，我国穿戴式医疗设备的商场规模将挨近50亿元，在未来十年内出现急速增加的态势。跟着商场需求的增加和产品的遍及，穿戴式医疗设备正在往低本钱、高功用、续航时刻长和体积小的方向开展，这就对设备的操控中心——微操控器(MCU)提出了更严苛的要求。可穿戴的趋向使得设备所选用的MCU有必要具有低本钱、低功耗、高运算才能、高集成度的特质，不然将会被商场和用户筛选。
1 穿戴式医疗设备的简介
穿戴式医疗设备将非介入式生理信号检测技能融合到日常穿戴衣物、器材傍边，具有简易便携、长期监测的长处。这类设备可随时随地长期监测人体生理情况，现已广泛使用于缓慢疾病监测、家庭护理保健、睡觉质量监测等方面，有利于完成缓慢、隐性疾病的早发现、早确诊、早医治。
1.1 穿戴式医疗设备的使用
在商场和用户的追捧热潮下，各种穿戴式医疗设备的解决方案和新产品层出不穷，功用和功用也在不断进步。例如我国的迈瑞公司推出的MC-6800型动态血压监测仪，仅需将充放气的袖带绑在用户手臂上，就能在各种情况下进行24 h无创性动态血压监测。美国Medtronic公司推出的血糖实时接连监测体系(CGMS)能够接连作业3d，仅需将检测探头贴在患者腹部，每10s会对皮下间质液里的葡萄糖浓度进行丈量，并将取得的数据经过无线方法传送到接收器上。美国SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能长期作业500 h，仅需套在手指上即可实时监测用户的血氧饱和度和心率，可靠性堪比体温计或血压计。这些产品都体现了差异于惯例电子仪器的显着特征：①非介入地检测生理信号;②经过无线或有线的方法衔接用户、医护人员和数据体系;③续航时刻长;④安全可靠。
1.2 穿戴式医疗设备的需求剖析
为了满意穿戴式医疗设备在功耗、功用、体积等方面的要求，所选用的MCU需求满意以下要求：①低本钱;②高能效;③高休眠功率;④高集成度。在操控本钱方面，能够考虑低功耗的8/16 bit单片机或依据ARM Cortex-M系列内核的32 bit单片机，这些芯片出货量巨大，批量价格一般比较低。在能效方面，应选用低运转功耗、高运算才能的MCU系列，低功耗能够进步续航才能，高运算才能有利于在片上运转杂乱算法和数据处理。在休眠功率方面，应挑选具有灵敏多样的休眠形式、超低休眠功耗、极短唤醒时刻的MCU系列。在集成度方面，可选用那些外设丰厚且功用优越的MCU系列，有利于削减体积尺度、下降硬件本钱和进步体系稳定性。
2 典型低功耗MCU系列的比较
各大半导体公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，纷繁推出适用于穿戴式医疗设备的中低端MCU系列。表1和表2将16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列翻开比照，8 bitMCU不在比对列表中。这是因为8 bit MCU现已不适合穿戴式医疗设备的开展趋势，其商场也正被ARM Cortex-M系列内核的MCU蚕食。
表1要点比较了16 bit/32 bit内核的功用不同，32bit的内核在运算功率方面全面逾越16 bit 的内核，意味着当穿戴式医疗设备需求在片上履行数据处理和杂乱算法时，Cortex-M系列内核的32 bit MCU更具优势。表2则将典型的低功耗MCU翻开能效比照，能够发现16 bit MCU在低功耗方面的优势已不显着，以低功耗著称的MSP430系列在运转功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit内核的STM32L系列相差无几。而32 bit MCU在休眠状态下的唤醒时刻也能做到了10 μs以下，在休眠功率、快速呼应方面有杰出体现。
表1 典型低功耗内核架构的功用比照
注：(1)内核功用的测验成果(CoreMark Scores)以EEMBC安排发布的数据为准。
表2 典型低功耗MCU的能效比照
注： (1) 关于表1的MCU系列详细类型的测验报告，所挑选的类型片上装备附近，Flash容量均为64 kB;
(2) 常温条件+25 oC，一切外设封闭，程序从Flash运转;MCU供电电压除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均为3.0 V;各类型的测验成果均为当时主频下的最佳装备;
(3) 休眠功耗的测验规范：片内主时钟和一切外设封闭，RTC翻开，保存RAM。
归纳表1和表2可见，Cortex-M系列内核的32 bitMCU在功耗水平上现已做到与传统8 /16 bit MCU适当，而在运算功率上优势显着，更适合那些对使命和算法有较高要求的穿戴式医疗设备。
3 依据Cortex-M0+内核的MCU选型剖析
3.1 Cortex M系列内核的比照
Cortex-M系列中低功耗成员有M3、M0和M0+，是ARM公司针对那些对本钱灵敏、一起对能效有较高要求的使用而规划的。当传统的8/16 bit MCU在功用、功用上体现越来越乏力时，ARM公司于2009年推出了低本钱、低功耗、高能效的Cortex-M0内核。Cortex-M0内核以优异的体现打败了传统的8bit MCU，成功杀入低端的MCU商场。在这关键下，ARM公司于2012年相应适合地推出M0的升级版——M0+，在能效和功用上作进一步的优化和增设，以超低的能耗供给更快的使命处理才能。
从表1和2的数据可知，三者内核功用的排序为M3>M0+>M0，运转功耗的排序为M3>M0>M0+，即M0+内核的能效高于M0，运算功用仅次于M3。因为M0+在价格方面比M3有优势，故更适合于履行低本钱、高能效的使命。归纳可知，那些对功耗有严苛要求、运算处理使命较杂乱、且需求操控本钱的设备挑选M0+内核的MCU最为适宜。
3.2 依据Cortex M0+内核的干流MCU系列
各大MCU出产厂商结合本身的优势对Cortex-M0+内核加以整合优化，在功耗、功用和外设方面各有所长。表3列举了商场上M0+内核的干流MCU系列，并结合穿戴式医疗设备的需求进行剖析。
表3 依据Cortex M0+内核的干流MCU系列
注：(1) ST公司和NXP公司都建立了包括Cortex-M系列一切内核的产品线，Cortex-M系列MCU的中国商场在2012年到达1.68亿美元，其间ST以35%的商场份额居于首位，而NXP位居第二占有32%;
(2) Silicon Labs于2013年收买了专攻低功耗范畴的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的长处。
上述Cortex M0+内核的MCU 系列可为穿戴式医疗设备开发者供给多种挑选，而详细的MCU类型要依据设备的实践需求来决议。在同一系列里，MCU的最高主频、内核功率、功耗情况都是共同的，详细类型之间的不同在于片上资源。如表4所示，STM32L0系列分为3条首要的产品线，差异就体现在一些特别的集成外设，如DAC、USB操控器和LCD操控器。恰当地选用这些高集成度的MCU有助于削减外部芯片的个数，可下降体系本钱和功耗。因而，片上集成资源的品种、数量、功耗和功用，都是决议MCU选型的重要参阅要素。
表4 STM32L0系列的3条产品线
3.3 MCU体系的低功耗战略
Cortex M0+内核的MCU 系列兼具低功耗、高功用和灵敏的休眠形式，为穿戴式医疗设备的开发供给了优秀的渠道和电气根底。但是，如安在坚持高功用的情况下，将使命的全体均匀功耗降到最低，将是设备开发者的重要使命。MCU体系的低功耗战略决议了设备的功用和续航时刻，战略的拟定需求从以下四个方面下手：
