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(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。
0 引言
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。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(yùn)算能力、高集成度的特質(zhì)，否則將會(huì)被市場(chǎng)和用戶淘汰。
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、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(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)。
表1 典型低功耗內(nèi)核架構(gòu)的性能對(duì)比
Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures
注：(1)內(nèi)核性能的測(cè)試結(jié)果(CoreMark Scores)以EEMBC組織公布的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
表2 典型低功耗MCU的能效對(duì)比
Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
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。
