基于ARMCortex-M0+内核的穿戴式医疗设备MCU选型分析

0 引言

近年来穿戴式医疗设备的市场需求在快速增长,将成为拉动经济增长的一个创新型产业。根据艾媒(iiMedia Research)公布的《2012-2013中国移动医疗市场年度报告》显示,在2012年我国移动医疗市场规模达到18.6亿元,其中穿戴式医疗设备占4.2亿元,较上一年增长20%。预计到2017年底,我国穿戴式医疗设备的市场规模将接近50亿元,在未来十年内呈现急速增长的态势。随着市场需求的增长和产品的普及,穿戴式医疗设备正在往低成本、高性能、续航时间长和体积小的方向发展,这就对设备的控制核心——微控制器(MCU)提出了更苛刻的要求。可穿戴的趋向使得设备所选用的MCU必须具有低成本、低功耗、高运算能力、高集成度的特质,否则将会被市场和用户淘汰。

1 穿戴式医疗设备的简介

穿戴式医疗设备将非介入式生理信号检测技术融合到日常穿戴衣物、器件当中,具有简易便携、长时间监测的优点。这类设备可随时随地长时间监测人体生理状况,已经广泛应用于慢性疾病监测、家庭护理保健、睡眠质量监测等方面,有利于实现慢性、隐性疾病的早发现、早诊断、早治疗。

1.1 穿戴式医疗设备的应用

在市场和用户的追捧热潮下,各种穿戴式医疗设备的解决方案和新产品层出不穷,功能和性能也在不断提升。例如我国的迈瑞公司推出的MC-6800型动态血压监测仪,仅需将充放气的袖带绑在用户手臂上,就能在各种状况下进行24 h无创性动态血压监测。美国Medtronic公司推出的血糖实时连续监测系统(CGMS)可以连续工作3d,仅需将检测探头贴在患者腹部,每10s会对皮下间质液里的葡萄糖浓度进行测量,并将获得的数据通过无线方式传送到接收器上。美国SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能长时间工作500 h,仅需套在手指上即可实时监测用户的血氧饱和度和心率,可靠性堪比体温计或血压计。这些产品都体现了区别于常规电子仪器的显著特征:①非介入地检测生理信号;②通过无线或有线的方式连接用户、医护人员和数据系统;③续航时间长;④安全可靠。

1.2 穿戴式医疗设备的需求分析

为了满足穿戴式医疗设备在功耗、性能、体积等方面的要求,所选用的MCU需要满足以下要求: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,可以考虑低功耗的8/16 bit单片机或基于ARM Cortex-M系列内核的32 bit单片机,这些芯片出货量巨大,批量价格一般比较低。在能效方面,应选用低运行功耗、高运算能力的MCU系列,低功耗可以提高续航能力,高运算能力有利于在片上运行复杂算法和数据处理。在休眠效率方面,应选择拥有灵活多样的休眠模式、超低休眠功耗、极短唤醒时间的MCU系列。在集成度方面,可选用那些外设丰富且性能优越的MCU系列,有利于减少体积尺寸、降低硬件成本和提高系统稳定性。

2 典型低功耗MCU系列的比较

各大半导体公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等,纷纷推出适用于穿戴式医疗设备的中低端MCU系列。表1和表2将16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展开对比,8 bitMCU不在比对列表中。这是因为8 bit MCU已经不适合穿戴式医疗设备的发展趋势,其市场也正被ARM Cortex-M系列内核的MCU蚕食。

表1重点比较了16 bit/32 bit内核的性能差别,32bit的内核在运算效率方面全面超越16 bit 的内核,意味着当穿戴式医疗设备需要在片上执行数据处理和复杂算法时,Cortex-M系列内核的32 bit MCU更具优势。表2则将典型的低功耗MCU展开能效对比,可以发现16 bit MCU在低功耗方面的优势已不明显,以低功耗著称的MSP430系列在运行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit内核的STM32L系列相差无几。而32 bit MCU在休眠状态下的唤醒时间也能做到了10 μs以下,在休眠效率、快速响应方面有良好表现。

表1 典型低功耗内核架构的性能对比

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


基于ARM Cortex-M0+内核的穿戴式医疗设备MCU选型分析

注:(1)内核性能的测试结果(CoreMark Scores)以EEMBC组织公布的数据为准。

表2 典型低功耗MCU的能效对比

Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs


基于ARM Cortex-M0+内核的穿戴式医疗设备MCU选型分析

注: (1) 对于表1的MCU系列具体型号的测试报告,所挑选的型号片上配置相近,Flash容量均为64 kB;

(2) 常温条件+25 oC,所有外设关闭,程序从Flash运行;MCU供电电压除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外,其他均为3.0 V;各型号的测试结果均为当前主频下的最佳配置;

(3) 休眠功耗的测试标准:片内主时钟和所有外设关闭,RTC打开,保留RAM。

综合表1和表2可见,Cortex-M系列内核的32 bitMCU在功耗水平上已经做到与传统8 /16 bit MCU相当,而在运算效率上优势明显,更适合那些对任务和算法有较高要求的穿戴式医疗设备。