根據(jù)穿戴式醫(yī)療設(shè)備低成本、高性能、高集成度和續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)比了當(dāng)前主流的低功耗微控制器（MCU）系列，分析得出ARM Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列適合該領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在功耗水平、運(yùn)算性能、外設(shè)集成和產(chǎn)品成本等方面，進(jìn)一步將各大半導(dǎo)體公司基于Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列展開(kāi)參數(shù)對(duì)比，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型提供指南。
　　近年來(lái)穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)需求在快速增長(zhǎng)，將成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)年度報(bào)告》顯示，在2012年我國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到18.6億元，其中穿戴式醫(yī)療設(shè)備占4.2億元，較上一年增長(zhǎng)20%。預(yù)計(jì)到2017年底，我國(guó)穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將接近50億元，在未來(lái)十年內(nèi)呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)和產(chǎn)品的普及，穿戴式醫(yī)療設(shè)備正在往低成本、高性能、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和體積小的方向發(fā)展，這就對(duì)設(shè)備的控制核心——微控制器（MCU）提出了更苛刻的要求?？纱┐鞯内呄蚴沟迷O(shè)備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運(yùn)算能力、高集成度的特質(zhì)，否則將會(huì)被市場(chǎng)和用戶(hù)淘汰。

　　1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的簡(jiǎn)介
　　穿戴式醫(yī)療設(shè)備將非介入式生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當(dāng)中，具有簡(jiǎn)易便攜、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)設(shè)備可隨時(shí)隨地長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于慢性疾病監(jiān)測(cè)、家庭護(hù)理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面，有利于實(shí)現(xiàn)慢性、隱性疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。
　　1.1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用
　　在市場(chǎng)和用戶(hù)的追捧熱潮下，各種穿戴式醫(yī)療設(shè)備的解決方案和新產(chǎn)品層出不窮，功能和性能也在不斷提升。例如我國(guó)的邁瑞公司推出的MC-6800型動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀，僅需將充放氣的袖帶綁在用戶(hù)手臂上，就能在各種狀況下進(jìn)行24 h無(wú)創(chuàng)性動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。美國(guó)Medtronic公司推出的血糖實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CGMS）可以連續(xù)工作3d，僅需將檢測(cè)探頭貼在患者腹部，每10s會(huì)對(duì)皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送到接收器上。美國(guó)SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長(zhǎng)時(shí)間工作500 h，僅需套在手指上即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計(jì)或血壓計(jì)。這些產(chǎn)品都體現(xiàn)了區(qū)別于常規(guī)電子儀器的顯著特征：①非介入地檢測(cè)生理信號(hào)；②通過(guò)無(wú)線或有線的方式連接用戶(hù)、醫(yī)護(hù)人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng)；③續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)；④安全可靠。
　　1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求分析
　　為了滿(mǎn)足穿戴式醫(yī)療設(shè)備在功耗、性能、體積等方面的要求，所選用的MCU需要滿(mǎn)足以下要求：①低成本；②高能效；③高休眠效率；④高集成度。在控制成本方面，可以考慮低功耗的8/16 bit單片機(jī)或基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機(jī)，這些芯片出貨量巨大，批量?jī)r(jià)格一般比較低。在能效方面，應(yīng)選用低運(yùn)行功耗、高運(yùn)算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運(yùn)算能力有利于在片上運(yùn)行復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應(yīng)選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時(shí)間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設(shè)豐富且性能優(yōu)越的MCU系列，有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
　　2 典型低功耗MCU系列的比較
　　各大半導(dǎo)體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，紛紛推出適用于穿戴式醫(yī)療設(shè)備的中低端MCU系列。表1和表2將16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開(kāi)對(duì)比，8 bitMCU不在比對(duì)列表中。這是因?yàn)? bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，其市場(chǎng)也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。
　　表1重點(diǎn)比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的性能差別，32bit的內(nèi)核在運(yùn)算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當(dāng)穿戴式醫(yī)療設(shè)備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法時(shí)，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢(shì)。表2則將典型的低功耗MCU展開(kāi)能效對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)已不明顯，以低功耗著稱(chēng)的MSP430系列在運(yùn)行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內(nèi)核的STM32L系列相差無(wú)幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時(shí)間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應(yīng)方面有良好表現(xiàn)。
　

　　Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
　　基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析
　　注： (1) 對(duì)于表1的MCU系列具體型號(hào)的測(cè)試報(bào)告，所挑選的型號(hào)片上配置相近，F(xiàn)lash容量均為64 kB；
　　(2) 常溫條件+25 oC，所有外設(shè)關(guān)閉，程序從Flash運(yùn)行；MCU供電電壓除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均為3.0 V；各型號(hào)的測(cè)試結(jié)果均為當(dāng)前主頻下的最佳配置；
　　(3) 休眠功耗的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：片內(nèi)主時(shí)鐘和所有外設(shè)關(guān)閉，RTC打開(kāi)，保留RAM。
　　綜合表1和表2可見(jiàn)，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bitMCU在功耗水平上已經(jīng)做到與傳統(tǒng)8 /16 bit MCU相當(dāng)，而在運(yùn)算效率上優(yōu)勢(shì)明顯，更適合那些對(duì)任務(wù)和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。
　　3 基于Cortex-M0+內(nèi)核的MCU選型分析
　　3.1 Cortex M系列內(nèi)核的對(duì)比
　　Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，是ARM公司針對(duì)那些對(duì)成本敏感、同時(shí)對(duì)能效有較高要求的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。當(dāng)傳統(tǒng)的8/16 bit MCU在性能、功能上表現(xiàn)越來(lái)越乏力時(shí)，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內(nèi)核。Cortex-M0內(nèi)核以?xún)?yōu)異的表現(xiàn)擊敗了傳統(tǒng)的8bit MCU，成功殺入低端的MCU市場(chǎng)。在這契機(jī)下，ARM公司于2012年相應(yīng)適宜地推出M0的升級(jí)版——M0+，在能效和功能上作進(jìn)一步的優(yōu)化和增設(shè)，以超低的能耗提供更快的任務(wù)處理能力。
　　從表1和2的數(shù)據(jù)可知，三者內(nèi)核性能的排序?yàn)镸3>M0+>M0，運(yùn)行功耗的排序?yàn)镸3>M0>M0+，即M0+內(nèi)核的能效高于M0，運(yùn)算性能僅次于M3。由于M0+在價(jià)格方面比M3有優(yōu)勢(shì)，故更適合于執(zhí)行低成本、高能效的任務(wù)。綜合可知，那些對(duì)功耗有苛刻要求、運(yùn)算處理任務(wù)較復(fù)雜、且需要控制成本的設(shè)備選擇M0+內(nèi)核的MCU最為合適。
　　3.2 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列
　　各大MCU生產(chǎn)廠商結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)對(duì)Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、性能和外設(shè)方面各有所長(zhǎng)。表3列舉了市場(chǎng)上M0+內(nèi)核的主流MCU系列，并結(jié)合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求進(jìn)行分析。
　　表3 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列

　　Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture
　　基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析
　　注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內(nèi)核的產(chǎn)品線，Cortex-M系列MCU的中國(guó)市場(chǎng)在2012年達(dá)到1.68億美元，其中ST以35%的市場(chǎng)份額居于首位，而NXP位居第二占有32%；
　　(2) Silicon Labs于2013年收購(gòu)了專(zhuān)攻低功耗領(lǐng)域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。
　　上述Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列可為穿戴式醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)者提供多種選擇，而具體的MCU型號(hào)要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求來(lái)決定。在同一系列里，MCU的最高主頻、內(nèi)核效率、功耗狀況都是一致的，具體型號(hào)之間的差別在于片上資源。如表4所示，STM32L0系列分為3條主要的產(chǎn)品線，差異就體現(xiàn)在一些特殊的集成外設(shè)，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當(dāng)?shù)剡x用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個(gè)數(shù)，可降低系統(tǒng)成本和功耗。因此，片上集成資源的種類(lèi)、數(shù)量、功耗和性能，都是決定MCU選型的重要參考因素。
　　表4 STM32L0系列的3條產(chǎn)品線

　　Tab.4 Three product lines of STM32L0 series
　　基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析
　　3.3 MCU系統(tǒng)的低功耗策略
　　Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)良的平臺(tái)和電氣基礎(chǔ)。然而，如何在保持高性能的情況下，將任務(wù)的整體平均功耗降到最低，將是設(shè)備開(kāi)發(fā)者的重要任務(wù)。MCU系統(tǒng)的低功耗策略決定了設(shè)備的性能和續(xù)航時(shí)間，策略的制定需要從以下四個(gè)方面入手：
　　(1) 合理地控制MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)，針對(duì)特定的任務(wù)，選擇適合系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)鐘頻率，迅速完成復(fù)雜的任務(wù)爭(zhēng)取更多的休眠時(shí)間；
　　(2) 選擇恰當(dāng)?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r(shí)間；
　　(3) 進(jìn)入休眠模式時(shí)， 將未用到的外設(shè)以及時(shí)鐘關(guān)閉；
　　(4) 優(yōu)化任務(wù)的時(shí)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(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務(wù)的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個(gè)模式之間切換：運(yùn)行模式1(EM0_1)，運(yùn)行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時(shí)MCU工作在EM2，高頻時(shí)鐘和外設(shè)關(guān)閉，耗電流為IEM2；當(dāng)定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，MCU從EM2中喚醒，將進(jìn)入EM0_1以f1主頻高速運(yùn)行，此時(shí)耗電流為IEM0_1，同時(shí)啟動(dòng)A/D進(jìn)行心電信號(hào)采樣，采樣完畢后將數(shù)據(jù)暫存在RAM中；如果緩存的數(shù)據(jù)量沒(méi)有達(dá)到閾值，MCU將直接進(jìn)入EM2并定時(shí)等待；如果緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時(shí)間內(nèi)達(dá)到IEM0_2，對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)到SD卡上，存儲(chǔ)完畢后進(jìn)入EM2。運(yùn)行模式下使用到兩個(gè)不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣任務(wù)和SD卡存儲(chǔ)任務(wù)對(duì)運(yùn)算能力的不同需求來(lái)決定，將任務(wù)的平均功耗最優(yōu)化。
　　基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析

　　圖2 動(dòng)態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務(wù)下的理論耗電流曲線
　　Fig.2 The theoretical power consumption profile of the dynamic ecg recorder performing different tasks
　　4 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型案例
　　血氧飽和度的監(jiān)測(cè)是了解人體心血管生理狀況的重要手段，設(shè)計(jì)一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀，設(shè)計(jì)目標(biāo)：基于反射式光電容積脈搏波的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、連續(xù)地檢測(cè)人體動(dòng)脈血的血氧飽和度；對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理、分析，計(jì)算得到心率和呼吸頻率這兩個(gè)重要的生理參數(shù)；當(dāng)用戶(hù)的血氧飽和度或心率超出正常預(yù)定范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒。
　　基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設(shè)備MCU選型分析
　　圖3 腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功能框圖
　　Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry
　　根據(jù)設(shè)計(jì)方案和目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)功能規(guī)劃，腕戴式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀的功能框圖如圖3所示。該設(shè)備對(duì)MCU的特殊要求有：
　　(1) 高能效，即低運(yùn)行功耗、超低休眠功耗和較高的運(yùn)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(shè)為200Hz；
　　(3) USB控制器，需要通過(guò)USB接口燒寫(xiě)程序或與主機(jī)通訊。
　　綜合考慮了該設(shè)備對(duì)MCU性能、功耗以及外設(shè)所提出的要求，可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行MCU選型：
　　(1) 結(jié)合前文對(duì)不同內(nèi)核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內(nèi)核；
　　(2) 根據(jù)Cortex M0+內(nèi)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(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間采樣的需求；
　　(3) 考慮到帶USB控制器的型號(hào)， 可以選擇STM32L052C8作為設(shè)備的主控制器，從而達(dá)到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。
　　在實(shí)際的MCU選型中要具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)現(xiàn)有的MCU系列和設(shè)備的切實(shí)需求，做出最恰當(dāng)?shù)木駬瘛?br/>