介紹
飛思卡爾在低功耗和混合信號方面的先進技術(shù)導致出現(xiàn)更為靈活的微控制器(MCUs)，這些微控制器有許多關(guān)鍵的外圍設(shè)備，可用來進行妊娠期監(jiān)護的應用，包括妊娠糖尿病的監(jiān)護。在所有對于醫(yī)療應用重要的領(lǐng)域——低壓，混合信號物理集成，顯示和連接——飛思卡爾提供了下一代醫(yī)療系統(tǒng)方案所需要的強大的技術(shù)。
妊娠期糖尿病
非糖尿病患者的孕婦仍然會在懷孕期間有較高的血糖(葡萄糖)水平。這被稱為妊娠期糖尿病，它會對1%~3%的孕婦有影響?；旧希瑧言衅陂g的婦女荷爾蒙的產(chǎn)生會增加，從而導致胰島素抵抗，這意味著胰島素不能有效地降低血糖水平，這迫使身體里產(chǎn)生更多的胰島素來進行補償，從而導致了妊娠期糖尿病。
此外，盡管任何婦女都可能患上妊娠期糖尿病，有一些人會比另一些人更易患上妊娠期糖尿病，這些人包括那些：
- 年齡大于25歲
- 有家族糖尿病史，或那些在前一次妊娠中患有妊娠期糖尿病的
- 已經(jīng)生育過一個超過9磅重的嬰兒或經(jīng)歷過一次不明原因死胎的
- 在懷孕前體重過重的
此外，由于不明的原因，西班牙人，印第安人，亞洲人和黑人婦女比其他婦女更容易患上妊娠期糖尿病。對那些已經(jīng)患有糖尿病的婦女，受精前和懷孕期間良好的血糖控制不僅對于婦女本身，對胎兒的健康也是至關(guān)重要的。
在妊娠懷孕期間，如果血糖水平不能很好的受到控制，過多的血糖會通過胎盤抬高胎兒的血糖水平。這會使得胎兒的體格肥胖并形成新生兒巨大癥（出生時體重超過的9英磅15盎斯）。巨大癥嬰兒會面臨許多健康問題，包括容易患上呼吸系統(tǒng)疾病，小兒肥胖，在兒童時期發(fā)展成2型糖尿病，甚至在孕婦分娩期間造成身體傷害等。
因為這些原因，在懷孕前或懷孕早期，準確的血糖測量對于迅速診斷和治療妊娠期糖尿病是至關(guān)重要的（見圖1），尤其是，大部分婦女并不會表現(xiàn)出通常糖尿病有關(guān)的早期癥狀（過度口渴和尿頻）。
最初診斷包括一個口服葡萄糖耐受試驗。這通常在一個診所環(huán)境中進行，要求患者喝一種葡萄糖溶液，然后以一定的時間間隔進行血液葡萄糖監(jiān)測（見表1）。然而，對于后期連續(xù)的糖尿病癥狀的觀察，最為方便的是在家進行，這就需要精確的家庭監(jiān)測設(shè)備。
來自飛思卡爾的先進的半導體技術(shù)，具有低功耗，混合信號物理集成，顯示和連接接口，這些使得設(shè)計出小巧，易于使用的設(shè)備成為可能。這種設(shè)備對于家庭血糖監(jiān)測是很理想的方案。
飛思卡爾高度集成低功耗方案
通過將超低功耗平臺和高精度模擬外圍設(shè)備結(jié)合在一起，飛思卡爾在為妊娠監(jiān)護市場提供自動化監(jiān)護的整體系統(tǒng)方案方面有了很大進展。飛思卡爾的MCU能夠降低血糖儀設(shè)計的成本，這使更多的母親因為血糖水平得到檢測而得利。
這里有一些關(guān)鍵領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)τ趶V泛的便攜式醫(yī)療應用很重要：
- 低功耗技術(shù)
- 混合信號集成技術(shù)
- 顯示技術(shù)
- 連接技術(shù)
飛思卡爾正在幫助醫(yī)療市場的用戶能在這些領(lǐng)域中優(yōu)化他們的產(chǎn)品。
超低電功耗平臺
飛思卡爾MCU利用了創(chuàng)新技術(shù)使這些手提式醫(yī)療設(shè)備的應用獲得絕對的最低功耗。下面所列的MCU的低壓表現(xiàn)使它們成為手提式醫(yī)療設(shè)備的理想之選。
- MC9S08Lxx：有低成本入門級，具有LCD驅(qū)動模塊和出色功耗的MCU
- MC9S08QExx：同等級產(chǎn)品中最出色的功耗，適用于傳感器設(shè)備應用，具有中等的處理能力，并在價格上具有優(yōu)勢
- MCF51QE：出色的性能和低功耗特性，與9S08QE控制器的引腳兼容性，使它能夠很好的滿足醫(yī)療設(shè)備的復雜性和功能性的裁剪的要求
所有這些設(shè)備都具有四個主要特性，它們是低電壓操作的基礎(chǔ)。
低功耗振蕩器
晶體振蕩器在低功耗方面被優(yōu)化，可以以低增益或高增益模式來驅(qū)動晶振。這種外圍模塊在低功耗模式時，驅(qū)動32.768kHz晶振時，電流消耗少于500nA。當使用這種低功耗振蕩器時，可以使MCU在低功耗模式（停止模式）時保證精確的時間。
低功耗的MCU有許多操作模式，每一個模式都為特定的功能而設(shè)計，這使最高效的性能和功率損耗達到權(quán)衡。多樣的操作模式(運行，低功耗運行，等待，低功耗等待，停止2和停止3)使一些設(shè)備的功耗低到250nA那樣的水平，并且也能使醫(yī)療應用設(shè)備持續(xù)高效率的運作。使許多MCU的外圍設(shè)備能夠在低功耗運行模式下運行，在低功耗模式下提供適當?shù)墓δ堋?/p>
靈活時鐘源
由于多種操作模式帶來的好處，內(nèi)部時鐘(ICS)為低功耗方案的外圍提供了提高或降低設(shè)備操作頻率的能力。更高的操作頻率導致運行模式下更高的功耗。根據(jù)應用的需求，在低頻上運行使功率降低大約500μA每MHz。ICS使嵌入式開發(fā)的設(shè)計者能更好地調(diào)節(jié)MCU的性能來優(yōu)化功耗。
時鐘門控技術(shù)
為了進一步減低運行模式的功耗，每個低功耗平臺上的外圍設(shè)備有時鐘門控的能力。時鐘門控技術(shù)是將發(fā)送到外圍設(shè)備上的時鐘信號關(guān)閉。通過時鐘門控技術(shù)，一個單一的外圍設(shè)備僅僅減低幾十微安的功耗，為了達到最的得功耗，有必要關(guān)閉每個不需要的內(nèi)部時鐘信號。當把所有外圍設(shè)備時鐘關(guān)閉時，時鐘門控技術(shù)可以降低運行模式下大約1/3的功耗。
使用飛思卡爾方案的葡萄糖檢測儀設(shè)計
前面描述的特性可以結(jié)合在一起在低功耗方面優(yōu)化一個便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計，例如血糖儀。
低功耗振蕩器可以被用來提供非常低的待機功耗并保持準確的時間，這就使血糖儀可用作保存準確的葡萄糖水平測量歷史記錄以備查詢。
使用靈活的操作模式和內(nèi)部時鐘(ICS)，血糖儀固件可以設(shè)計成這樣的情況：當需要復雜的計算來進行一個葡萄糖測量時，可以提高MCU性能來縮短處理時間，方便用戶的使用。
最后，時鐘門控技術(shù)可以節(jié)約額外的功耗。這些技術(shù)的使用可以使一節(jié)電池的工作時間更長。它能夠使開發(fā)者使用一節(jié)更小的電池，這樣一來就增強了便攜性，方便了用戶的使用。
混合信號集成
對一個葡萄糖儀設(shè)計來說最重要的是進行葡萄糖測量中電化學反應中小信號分析的能力。一個分析步驟是要認識生物傳感器電信號輸出的峰值。利用模擬比較器(ACMP)外設(shè)，飛思卡爾的MCU能夠在一個峰值達到時候的產(chǎn)生一個中斷。
下一步驟是需要準確定時的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對葡萄糖試紙的線性衰減輸出進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。許多飛思卡爾期間都有一個特性豐富的12-比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它能使這些測量成為可能。ADC具有這些特性：比如自動比較和靈活的轉(zhuǎn)換時間的設(shè)置，它們對于這種應用是很理想的。
最后，8-比特或32-比特的CPU被用來進行數(shù)學分析。樣品（血液）和葡萄糖試紙之間的化學反應會產(chǎn)生一個線性衰減信號，需要幾秒鐘的時間進行處理。CPU使用時間平均或更復雜的IIR濾波對輸入信號就進行一些濾波。平均值在沿著輸入信號線性衰減的一些點上被采集，從這些點上就可以計算出線性衰減的斜率。就是這個斜率將直接和血糖水平數(shù)值相關(guān)聯(lián)。
在飛思卡爾MCU的片上集成模擬功能，為許多系統(tǒng)節(jié)約成本。一個明顯的好處就是它降低了對外部IC的需求。這樣一來就減小了BOM和板子的空間。同時，片上模擬功能也具有低電壓檢測和內(nèi)部帶隙參考電壓的特性，這些能進一步降低成本。
顯示特性
隨著L系列具有集成LCD驅(qū)動的8位MCU的發(fā)布，飛思卡爾為便攜式醫(yī)療設(shè)備提供了理想的顯示功能。在這些設(shè)備上的LCD驅(qū)動具有以下的特性，它能夠降低成本并為血糖儀提供更多的功能。
首先，飛思卡爾增加了把任意MCU引腳功能配置成前線(segment)或背線(common)的能力。通過這種特性，信號布局可以被優(yōu)化，從而使PCB板空間減小。這一特性也可快速適應LCD屏設(shè)計的變化，因為硬件的改變可以被軟件升級來解決。在飛思卡爾的應用筆記（LCD驅(qū)動說明）中記錄了一個靈活應用LCD驅(qū)動的例子，用戶可以在freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/AN3796.pdf">www.freescale.com 網(wǎng)站上下載PDF文檔（文檔號AN3796）
其次，利用LCD信號的X8模式，新的LCD驅(qū)動可以用更少引腳驅(qū)動更多的段碼。通過這種功能，它僅需使用28個引腳(8x20)就可以驅(qū)動160個LCD段碼。在許多同類競爭產(chǎn)品上，同樣的功能需要44個引腳來實現(xiàn)。通過使用更少的引腳，PCB板的尺寸和連接空間被減小了，這使更多袖珍的便攜式醫(yī)療設(shè)計成為可能。
最后，LCD驅(qū)動有出色的低功耗的表現(xiàn)。低功耗在設(shè)計的每個方面均考慮到。最終結(jié)果是當LCD被連接到整個系統(tǒng)時，系統(tǒng)的功耗低到僅有1.5μA。這一表現(xiàn)，加上低功耗閃爍模式（當停止模式時顯示閃爍的能力）使產(chǎn)品開發(fā)者能為他們的便攜式醫(yī)療設(shè)計降低平均70%的功耗。這將導致顯著的電池使用壽命的延長，更進一步的在最終設(shè)備中改變需要的電池類型而節(jié)約成本。
在血糖儀設(shè)計中，一個可視化的顯示是必要的。它使病人能夠讀到測量結(jié)果。用飛思卡爾的S08L系列微控制器，可以用單芯片獲得LCD顯示功能和一流的低功耗性能。飛思卡爾也提供軟件方案允許簡單的LCD屏的定制和快速的LCD GUI開發(fā)。此外，通過參考“LCD驅(qū)動說明”參考設(shè)計，設(shè)計者可以減少他們總的開發(fā)時間。
連接
從血糖儀到計算機的信息傳輸能力對新的血糖儀的設(shè)計者來說是一個重要的選項。飛思卡爾的MCU集成了許多外設(shè)可以提供這類連接，例如：SPI，SCI和I2C,這使得系統(tǒng)時間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。使用SPI，MCU可以容易地連接到ZigBee® 收發(fā)器來提供靈活的，低功耗的無線連接。
結(jié)論
飛思卡爾在低功耗和混合信號集成方面的領(lǐng)先技術(shù)使其開發(fā)的MCU成為血糖監(jiān)測儀應用的關(guān)鍵部件，血糖監(jiān)測儀可以在妊娠期糖尿病的診斷和治療中被使用。雖然目前飛思卡爾的設(shè)備提供了許多益處，但是公司一直致力于進一步改進低功耗，混合信號集成，顯示和連接特性使其更有利于妊娠監(jiān)護市場。