摘要：根據穿戴式醫療設備低成本、高性能、高集成度和續航時間長的特點，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+內核的MCU系列適合該領域的產品開發。在功耗水平、運算性能、外設集成和產品成本等方面，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內核的MCU系列展開參數對比，為穿戴式醫療設備的MCU選型提供指南。

　　0 引言

　　近年來穿戴式醫療設備的市場需求在快速增長，將成為拉動經濟增長的一個創新型產業。根據艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國移動醫療市場年度報告》顯示，在2012年我國移動醫療市場規模達到18.6億元，其中穿戴式醫療設備占4.2億元，較上一年增長20%。預計到2017年底，我國穿戴式醫療設備的市場規模將接近50億元，在未來十年內呈現急速增長的態勢。隨著市場需求的增長和產品的普及，穿戴式醫療設備正在往低成本、高性能、續航時間長和體積小的方向發展，這就對設備的控制核心——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，否則將會被市場和用戶淘汰。

　　1 穿戴式醫療設備的簡介

　　穿戴式醫療設備將非介入式生理信號檢測技術融合到日常穿戴衣物、器件當中，具有簡易便攜、長時間監測的優點。這類設備可隨時隨地長時間監測人體生理狀況，已經廣泛應用于慢性疾病監測、家庭護理保健、睡眠質量監測等方面，有利于實現慢性、隱性疾病的早發現、早診斷、早治療。

　　1.1 穿戴式醫療設備的應用

　　在市場和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫療設備的解決方案和新產品層出不窮，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型動態血壓監測儀，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無創性動態血壓監測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續監測系統（CGMS）可以連續工作3d，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10s會對皮下間質液里的葡萄糖濃度進行測量，并將獲得的數據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。這些產品都體現了區別于常規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、醫護人員和數據系統；③續航時間長；④安全可靠。

　　1.2 穿戴式醫療設備的需求分析

　　為了滿足穿戴式醫療設備在功耗、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，低功耗可以提高續航能力，高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數據處理。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，可選用那些外設豐富且性能優越的MCU系列，有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統穩定性。

　　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療設備的中低端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已經不適合穿戴式醫療設備的發展趨勢，其市場也正被ARM Cortex-M系列內核的MCU蠶食。

　　表1重點比較了16 bit/32 bit內核的性能差別，32bit的內核在運算效率方面全面超越16 bit 的內核，意味著當穿戴式醫療設備需要在片上執行數據處理和復雜算法時，Cortex-M系列內核的32 bit MCU更具優勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比，可以發現16 bit MCU在低功耗方面的優勢已不明顯，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內核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態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。

　　表1 典型低功耗內核架構的性能對比

　　Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures

　　注：(1)內核性能的測試結果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數據為準。

　　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，Flash容量均為64 kB；

　　(2) 常溫條件+25 oC，所有外設關閉，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：片內主時鐘和所有外設關閉，RTC打開，保留RAM。

　　綜合表1和表2可見，Cortex-M系列內核的32 bitMCU在功耗水平上已經做到與傳統8 /16 bit MCU相當，而在運算效率上優勢明顯，更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫療設備。