摘要：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)航時間長的特點，對比了當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)品開發(fā)。在功耗水平、運算性能、外設(shè)集成和產(chǎn)品成本等方面，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列展開參數(shù)對比，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型提供指南。
0 引言
近年來穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場需求在快速增長，將成為拉動經(jīng)濟增長的一個創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國移動醫(yī)療市場年度報告》顯示，在2012年我國移動醫(yī)療市場規(guī)模達到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20%。預計到2017年底，我國穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場規(guī)模將接近50億元，在未來十年內(nèi)呈現(xiàn)急速增長的態(tài)勢。隨著市場需求的增長和產(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)航時間長和體積小的方向發(fā)展，這就對設(shè)備的控制核心——微控制器（MCU）提出了更苛刻的要求。可穿戴的趨向使得設(shè)備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質(zhì)，否則將會被市場和用戶淘汰。
1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的簡介
穿戴式醫(yī)療設(shè)備將非介入式生理信號檢測技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當中，具有簡易便攜、長時間監(jiān)測的優(yōu)點。這類設(shè)備可隨時隨地長時間監(jiān)測人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應用于慢性疾病監(jiān)測、家庭護理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測等方面，有利于實現(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)備的應用
在市場和用戶的追捧熱潮下，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。例如我國的邁瑞公司推出的MC-6800型動態(tài)血壓監(jiān)測儀，僅需將充放氣的袖帶綁在用戶手臂上，就能在各種狀況下進行24 h無創(chuàng)性動態(tài)血壓監(jiān)測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CGMS）可以連續(xù)工作3d，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10s會對皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度進行測量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長時間工作500 h，僅需套在手指上即可實時監(jiān)測用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計或血壓計。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非介入地檢測生理信號；②通過無線或有線的方式連接用戶、醫(yī)護人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng)；③續(xù)航時間長；④安全可靠。
1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求分析
為了滿足穿戴式醫(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單片機或基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機，這些芯片出貨量巨大，批量價格一般比較低。在能效方面，應選用低運行功耗、高運算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時間的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系列展開對比，8 bitMCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢，其市場也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。
表1重點比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的性能差別，32bit的內(nèi)核在運算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當穿戴式醫(yī)療設(shè)備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復雜算法時，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢已不明顯，以低功耗著稱的MSP430系列在運行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內(nèi)核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應方面有良好表現(xiàn)。
表1 典型低功耗內(nèi)核架構(gòu)的性能對比
Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures
注：(1)內(nèi)核性能的測試結(jié)果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數(shù)據(jù)為準。
表2 典型低功耗MCU的能效對比
Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
注： (1) 對于表1的MCU系列具體型號的測試報告，所挑選的型號片上配置相近，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；各型號的測試結(jié)果均為當前主頻下的最佳配置；
(3) 休眠功耗的測試標準：片內(nèi)主時鐘和所有外設(shè)關(guān)閉，RTC打開，保留RAM。
綜合表1和表2可見，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，而在運算效率上優(yōu)勢明顯，更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。
