使用混合信号MCU提高便携式医疗设备设计的性能

低功耗，低噪音，低成本的MCU正在为下一代便携式医疗设备提供动力。

复杂而实惠的个人医疗设备正在改变医疗保健行业，使消费者能够监控生命体征以及在家中和旅途中的健康的其他关键方面，无需昂贵和不方便的访问医生的办公室。据Gartner公司称，便携式消费类医疗设备，如血糖监测仪，血压计，胰岛素泵和心率监测仪，是医疗设备市场中增长最快的部分。 Databeans最近发布的医疗半导体报告预测，未来五年家用医疗设备市场的复合年增长率（CAGR）将达到9％。

个人医疗设备市场的爆炸性增长源于各种因素：稳定的“老龄化”（老龄化）人群需要更频繁的健康监测;传统医生指导的医疗费用暴涨;消费者越来越意识到健康产品的好处;个人医疗设备的广泛使用，包括在线和零售店;以及半导体技术不断进步所带来的消费者保健产品的日益复杂，易用性和可承受性。

虽然消费产品通常对价格敏感，但消费者便携式健康市场增加了其他严格的要求，以使设备在市场上取得成功。最重要的是，它们必须高度可靠和准确，以便检测并帮助预防健康问题。这些要求受到美国食品药品管理局（FDA）等政府实体的监管。为了在竞争日益激烈的家庭医疗保健市场取得成功，便携式医疗设备应具备以下特点：

易于使用

高度可靠和安全（政府监管）运营

轻松，安全的连接

低功耗运行（长时间运行）电池寿命

支持各种电压（特别是低电压）

测量精度高

外形小巧

经济实惠成本

为了能够以经济的价格向消费者提供这一系列的产品功能，医疗设备开发人员必须通过限制设计中的分立元件数量来降低系统成本。半导体供应商还负责提供高度集成的嵌入式控制解决方案，在严格的功耗和成本预算范围内提高性能和可靠性。这些便携式设备设计的核心是高度集成的混合信号微控制器（MCU），旨在以最低的电源电流提供卓越的处理性能。

易于使用对于所有便携式医疗产品至关重要，因为它可以减少因操作员错误导致的测量误差。这些设备应该需要最少的用户交互以实现正确的操作，简单的用户输入（例如，更少的按钮和更简单的软件菜单）和大的背光易于阅读的显示器。为了支持这些功能，MCU必须提供现场可编程，非易失性存储器（通常是系统内可编程闪存），以及灵活的I/O配置，以充分利用有限数量的引脚。

虽然现在许多便携式医疗设备只显示健康监测结果并将解释和记录留给最终用户及其医生，但较新的设备具有简单的连接功能，可以自动记录和传输结果。通常，这些更复杂的产品将通过可跟踪结果的软件连接到个人计算机或移动健康设备，或者它们将安全地将信息无线传输给医疗专业人员，看护人或基于Web的应用程序 - 这种做法称为远程医疗。

医疗设备市场采用了优化的USB设备标准，即个人医疗保健设备（PHCD）类（图1），它利用无处不在的USB接口实现数据和消息的标准化传输，无论设备制造商如何。展望未来，无线数据传输将通过简单而可靠的无线连接使连接更加轻松，从而实现更大的便利。 MCU需要提供各种集成连接接口方法，例如带有精密振荡器的集成USB控制器。

图1：USB个人医疗保健设备类支持轻松连接。

RF发射器和收发器与MCU协同工作可以为远程医疗应用提供无线连接。此外，无线MCU--高度集成的器件，将低功耗MCU内核与高性能RF收发器集成在同一封装中 - 现已广泛应用。例如，Silicon Labs的Si10xx无线MCU可提供电池供电的便携式医疗应用所需的超低功耗操作，以及通过集成的sub-GHz收发器实现的扩展范围和出色的RF灵敏度。

无论连接性如何在使用的方法或系统架构中，通信协议栈将需要MCU中更多的代码空间。因此，更小尺寸设备中的更多内存将会有更大的需求。虽然高性能，低功耗MCU和通信选项的选择很重要，但所有医疗设备都需要准确一致地测量和某些方面一个人的健康，无论是光（血氧），电导率（血糖），压力（血压）或温度。在医疗保健市场，测量中没有错误的余地混合信号MCU必须在小空间内存在噪声数字处理器和通信信号时提供卓越的模拟电压测量结果。这是半导体供应商面临的最具挑战性的工程问题之一，产品工程师将对此类规范进行详细审查，尤其是在面对IC的低电池电压时。测量必须具有低噪声和失真（良好的信噪比和失真率）和高度线性。即使MCU工作，也必须允许模数转换器（ADC）操作;最终用户期望在测量期间观察功能，并且MCU可能会实时解释结果。此外，即使在最低电池电压下也应允许所有芯片功能;如果您无法在整个电池寿命期间进行测量，那么MCU有什么用呢？简而言之，这个市场中的MCU供应商必须毫不妥协地集成精确的模拟测量。

MCU供应商面临的下一个设计挑战是终端产品对电池寿命的长期需求。 “便携式”通常意味着该设备是电池供电的。通常，增加的功能会导致更大的功耗，但开发人员不会设计出需要最终用户使用大型重型电池或经常更换电池的便携式医疗产品。

MCU必须支持低功耗策略的三个部分：处于活动模式时的低功耗，处于待机模式时的低功耗以及处于活动状态的时间减少。便携式设备以及MCU将在大多数时间处于关闭或降低功率状态;但是，它通常会在不使用时保持某种功能，如时钟/日历或闹钟。虽然有功功耗很重要，但最小化唤醒时间是延长电池寿命的关键。 MCU设计人员必须设计出唤醒MCU时钟和模拟电路的方法，以便进行快速测量，然后让MCU恢复到低功耗状态。例如，使用ADC进行电压测量需要电压参考。在进行测量之前，这种电压参考通常需要几十毫秒才能开启和稳定。在此期间，MCU打开并耗尽电池电量。

Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx MCU（图2）像许多低功耗MCU一样在几微秒内唤醒，但片上电压基准也设计为在2微秒内唤醒，从而可以开始精确的ADC测量很快。该ADC还可以在没有CPU干预的情况下快速累积许多测量值，从而改善结果，同时进一步缩短唤醒时间。唤醒时间越短，电池消耗的电流越少，同时效果也越好。

图2：快速唤醒时间和短操作间隔将延长电池寿命。

MCU的另一个重要趋势设计涉及支持新的电池使用配置和技术（图3）。可充电电池很受欢迎，通常需要更高的电压支持，因此必须集成片上稳压器。一种新兴趋势是，当最终用户希望供应商装运已安装的电池时，仅使用一个碱性电池来减小产品尺寸或节省成本。直到最近，这种方法还需要增加分立式DC-DC开关稳压器的成本和空间，以提高碱性电池电压，从而实现适当的MCU操作（碱性电池的使用寿命为0.9 V）。这些开关稳压器不仅会在电压测量中产生大量噪声，它们必须始终保持开启状态，以使MCU从睡眠模式唤醒，从而耗尽功率并缩短电池寿命。

先进的低功耗MCU Silicon Labs F9xx器件包含一个解决这些问题的集成DC-DC稳压器。结果是降低了噪声，降低了成本，减小了占用空间并提供了更好的控制，允许DC-DC稳压器在MCU处于低功耗状态时关闭，从而延长电池寿命。即使集成了这个DC-DC稳压器，它仍然应该将升压电源从外部输出到系统的其余部分，以获得真正的低功耗单电池解决方案。

图3：MCU应支持电池提供的各种电压。

虽然MCU供应商不断创新并集成了节能和节能功能，但如果能源效率的趋势不是完全有利的话MCU的成本和占地面积大幅增加。目标是帮助嵌入式开发人员降低成本，缩小最终产品并降低功耗。此类解决方案必须减少材料清单和设备尺寸。最好的MCU将以最小的外形提供充足的性能，集成连接，存储器和卓越的模拟外设。换句话说，半导体供应商必须提供增加的功能密度而不妥协。

图4：F9xx超低功耗MCU架构。

请注意图4中的超低功耗MCU示例 - 64 kB闪存代码存储，4 kB数据RAM，一个ADC和两个稳压器（LDO和DC-DC升压转换器），占位面积为4 mm x 4 mm（在某些情况下甚至更小）。这种紧凑的混合信号MCU设计允许在单个芯片上实现完整的测量和接口系统，而不会牺牲性能或电池寿命。产品设计人员将谨慎选择具有适当外设的MCU，以获得最佳的成本/性能优势。

嵌入式开发人员和产品经理面临着持续的压力，要求降低成本，尺寸，功耗，并提高其便携式医疗设备设计的性能。答案是使用高度集成的混合信号MCU将产品交付给市场，这些市场要求在最小的外形尺寸下具有最佳的性能和经济性。功能密集的混合信号MCU将为下一代便携式医疗设备提供心跳，而提供满足消费者需求的优化产品的医疗设备制造商将享受这一快速增长的细分市场带来的好处。