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系列合适该范畴的产品开发。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，有利于完结缓慢、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现已不合适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
Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures
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
Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
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，更合适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年相应合适地推出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，故更合适于履行低本钱、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
Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture
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：
(1) 合理地操控MCU的时钟体系，针对特定的使命，挑选合适体系运转的时钟频率，敏捷完结杂乱的使命争夺更多的休眠时刻;
(2) 挑选恰当的休眠形式和休眠时刻;
(3) 进入休眠形式时， 将未用到的外设以及时钟封闭;
(4) 优化使命的时刻片，将均匀功耗降到最低。
图1 展现了依据表3的Zero Gecko系列规划的动态心电记录仪的低功耗战略，MCU体系使命的理论耗电流如图2所示。其间，MCU首要在三个形式之间切换：运转形式 1(EM0_1)，运转形式2(EM0_2)，深度睡觉形式(EM2)。平常MCU作业在EM2，高频时钟和外设封闭，耗电流为IEM2;当守时器产生中止时，MCU从EM2中唤醒，将进入EM0_1以f1主频高速运转，此刻耗电流为IEM0_1，一起发动A/D进行心电信号采样，采样结束后将数据暂存在 RAM中;假如缓存的数据量没有到达阈值，MCU将直接进入EM2并守时等候;假如缓存的数据量到达阈值，则MCU切换到更高的f2主频进入EM0_2，耗电流短时刻内到达IEM0_2，对缓存数据进行处理并存储到SD卡上，存储结束后进入EM2。运转形式下使用到两个不同的主频f1和f2，分别是由 A/D采样使命和SD卡存储使命对运算才能的不同需求来决议，将使命的均匀功耗最优化。
图1 依据Zero Gecko系列的动态心电记录仪的低功耗战略
Fig.1 The low-power strategy of the dynamic ECG recorder based on Zero Gecko series
图2 动态心电记录仪履行不同使命下的理论耗电流曲线
4 穿戴式医疗设备的MCU选型事例
血氧饱和度的监测是了解人体心血管生理情况的重要手法，规划一款腕带式血氧饱和度监测仪，规划方针：依据反射式光电容积脉息波的丈量方法，完结无创、接连地检测人体动脉血的血氧饱和度;对脉息波信号进行处理、剖析，核算得到心率和呼吸频率这两个重要的生理参数;当用户的血氧饱和度或心率超出正常预订规模时，会主动报警提示。
图3 腕带式血氧饱和度监测仪的功用框图
Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry
依据规划方案和方针进行体系功用规划，腕戴式血氧饱和度监测仪的功用框图如图3所示。该设备对MCU的特别要求有：
(1) 高能效，即低运转功耗、超低休眠功耗和较高的运算功用;
(2) 低功耗的ADC，采样精度不低于10 bit，脉息波采样频率设为200Hz;
(3) USB操控器，需求经过USB接口烧写程序或与主机通讯。
归纳考虑了该设备对MCU功用、功耗以及外设所提出的要求，能够分三个过程来进行MCU选型：
(1) 结合前文对不同内核的剖析，挑选低功耗、高功用的Cortex-M0+内核;
(2) 依据Cortex M0+内核MCU系列的横向比较，挑选集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，满意长期采样的需求;
(3) 考虑到带USB操控器的类型， 能够挑选STM32L052C8作为设备的主操控器，然后到达在功用、功耗、本钱和体积方面的最佳平衡。
在实践的MCU选型中要详细问题详细剖析，依据现有的MCU系列和设备的实在需求，做出最恰当的选择。
5 结语
本文将商场上典型的低功耗MCU系列进行了比较，剖析得出依据ARM. Cortex M0+内核的MCU系列最合适穿戴式医疗设备的开发。设备开发者当亲近重视其开展意向，结合现有的商场需求、产品体系的构建和升级换代的规划等要素进行合理剖析，选择出合适本身产品的MCU类型。继而针对特别医疗监测使命的需求，为MCU体系拟定最优化的低功耗战略，然后开发出价格亲民、功用优越的设备。
