低功耗，低噪音，低成本的MCU正在為下一代便攜式醫(yī)療設(shè)備提供動(dòng)力。

復(fù)雜而實(shí)惠的個(gè)人醫(yī)療設(shè)備正在改變醫(yī)療保健行業(yè)，使消費(fèi)者能夠監(jiān)控生命體征以及在家中和旅途中的健康的其他關(guān)鍵方面，無(wú)需昂貴和不方便的訪問(wèn)醫(yī)生的辦公室。據(jù)Gartner公司稱(chēng)，便攜式消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療設(shè)備，如血糖監(jiān)測(cè)儀，血壓計(jì)，胰島素泵和心率監(jiān)測(cè)儀，是醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的部分。 Databeans最近發(fā)布的醫(yī)療半導(dǎo)體報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)五年家用醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到9％。

個(gè)人醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的爆炸性增長(zhǎng)源于各種因素：穩(wěn)定的“老齡化”（老齡化）人群需要更頻繁的健康監(jiān)測(cè);傳統(tǒng)醫(yī)生指導(dǎo)的醫(yī)療費(fèi)用暴漲;消費(fèi)者越來(lái)越意識(shí)到健康產(chǎn)品的好處;個(gè)人醫(yī)療設(shè)備的廣泛使用，包括在線和零售店;以及半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步所帶來(lái)的消費(fèi)者保健產(chǎn)品的日益復(fù)雜，易用性和可承受性。

雖然消費(fèi)產(chǎn)品通常對(duì)價(jià)格敏感，但消費(fèi)者便攜式健康市場(chǎng)增加了其他嚴(yán)格的要求，以使設(shè)備在市場(chǎng)上取得成功。最重要的是，它們必須高度可靠和準(zhǔn)確，以便檢測(cè)并幫助預(yù)防健康問(wèn)題。這些要求受到美國(guó)食品藥品管理局（FDA）等政府實(shí)體的監(jiān)管。為了在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)取得成功，便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

易于使用

高度可靠和安全（政府監(jiān)管）運(yùn)營(yíng)

輕松，安全的連接

低功耗運(yùn)行（長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行）電池壽命

支持各種電壓（特別是低電壓）

測(cè)量精度高

外形小巧

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠成本

為了能夠以經(jīng)濟(jì)的價(jià)格向消費(fèi)者提供這一系列的產(chǎn)品功能，醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)人員必須通過(guò)限制設(shè)計(jì)中的分立元件數(shù)量來(lái)降低系統(tǒng)成本。半導(dǎo)體供應(yīng)商還負(fù)責(zé)提供高度集成的嵌入式控制解決方案，在嚴(yán)格的功耗和成本預(yù)算范圍內(nèi)提高性能和可靠性。這些便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)的核心是高度集成的混合信號(hào)微控制器（MCU），旨在以最低的電源電流提供卓越的處理性能。

易于使用對(duì)于所有便攜式醫(yī)療產(chǎn)品至關(guān)重要，因?yàn)樗梢詼p少因操作員錯(cuò)誤導(dǎo)致的測(cè)量誤差。這些設(shè)備應(yīng)該需要最少的用戶交互以實(shí)現(xiàn)正確的操作，簡(jiǎn)單的用戶輸入（例如，更少的按鈕和更簡(jiǎn)單的軟件菜單）和大的背光易于閱讀的顯示器。為了支持這些功能，MCU必須提供現(xiàn)場(chǎng)可編程，非易失性存儲(chǔ)器（通常是系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存），以及靈活的I/O配置，以充分利用有限數(shù)量的引腳。

雖然現(xiàn)在許多便攜式醫(yī)療設(shè)備只顯示健康監(jiān)測(cè)結(jié)果并將解釋和記錄留給最終用戶及其醫(yī)生，但較新的設(shè)備具有簡(jiǎn)單的連接功能，可以自動(dòng)記錄和傳輸結(jié)果。通常，這些更復(fù)雜的產(chǎn)品將通過(guò)可跟蹤結(jié)果的軟件連接到個(gè)人計(jì)算機(jī)或移動(dòng)健康設(shè)備，或者它們將安全地將信息無(wú)線傳輸給醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員，看護(hù)人或基于Web的應(yīng)用程序 - 這種做法稱(chēng)為遠(yuǎn)程醫(yī)療。

醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)采用了優(yōu)化的USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，即個(gè)人醫(yī)療保健設(shè)備（PHCD）類(lèi)（圖1），它利用無(wú)處不在的USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和消息的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸，無(wú)論設(shè)備制造商如何。展望未來(lái)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將通過(guò)簡(jiǎn)單而可靠的無(wú)線連接使連接更加輕松，從而實(shí)現(xiàn)更大的便利。 MCU需要提供各種集成連接接口方法，例如帶有精密振蕩器的集成USB控制器。

圖1：USB個(gè)人醫(yī)療保健設(shè)備類(lèi)支持輕松連接。

RF發(fā)射器和收發(fā)器與MCU協(xié)同工作可以為遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用提供無(wú)線連接。此外，無(wú)線MCU--高度集成的器件，將低功耗MCU內(nèi)核與高性能RF收發(fā)器集成在同一封裝中 - 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用。例如，Silicon Labs的Si10xx無(wú)線MCU可提供電池供電的便攜式醫(yī)療應(yīng)用所需的超低功耗操作，以及通過(guò)集成的sub-GHz收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展范圍和出色的RF靈敏度。

無(wú)論連接性如何在使用的方法或系統(tǒng)架構(gòu)中，通信協(xié)議棧將需要MCU中更多的代碼空間。因此，更小尺寸設(shè)備中的更多內(nèi)存將會(huì)有更大的需求。雖然高性能，低功耗MCU和通信選項(xiàng)的選擇很重要，但所有醫(yī)療設(shè)備都需要準(zhǔn)確一致地測(cè)量和某些方面一個(gè)人的健康，無(wú)論是光（血氧），電導(dǎo)率（血糖），壓力（血壓）或溫度。在醫(yī)療保健市場(chǎng)，測(cè)量中沒(méi)有錯(cuò)誤的余地混合信號(hào)MCU必須在小空間內(nèi)存在噪聲數(shù)字處理器和通信信號(hào)時(shí)提供卓越的模擬電壓測(cè)量結(jié)果。這是半導(dǎo)體供應(yīng)商面臨的最具挑戰(zhàn)性的工程問(wèn)題之一，產(chǎn)品工程師將對(duì)此類(lèi)規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)審查，尤其是在面對(duì)IC的低電池電壓時(shí)。測(cè)量必須具有低噪聲和失真（良好的信噪比和失真率）和高度線性。即使MCU工作，也必須允許模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）操作;最終用戶期望在測(cè)量期間觀察功能，并且MCU可能會(huì)實(shí)時(shí)解釋結(jié)果。此外，即使在最低電池電壓下也應(yīng)允許所有芯片功能;如果您無(wú)法在整個(gè)電池壽命期間進(jìn)行測(cè)量，那么MCU有什么用呢？簡(jiǎn)而言之，這個(gè)市場(chǎng)中的MCU供應(yīng)商必須毫不妥協(xié)地集成精確的模擬測(cè)量。

MCU供應(yīng)商面臨的下一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是終端產(chǎn)品對(duì)電池壽命的長(zhǎng)期需求。 “便攜式”通常意味著該設(shè)備是電池供電的。通常，增加的功能會(huì)導(dǎo)致更大的功耗，但開(kāi)發(fā)人員不會(huì)設(shè)計(jì)出需要最終用戶使用大型重型電池或經(jīng)常更換電池的便攜式醫(yī)療產(chǎn)品。

MCU必須支持低功耗策略的三個(gè)部分：處于活動(dòng)模式時(shí)的低功耗，處于待機(jī)模式時(shí)的低功耗以及處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間減少。便攜式設(shè)備以及MCU將在大多數(shù)時(shí)間處于關(guān)閉或降低功率狀態(tài);但是，它通常會(huì)在不使用時(shí)保持某種功能，如時(shí)鐘/日歷或鬧鐘。雖然有功功耗很重要，但最小化喚醒時(shí)間是延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵。 MCU設(shè)計(jì)人員必須設(shè)計(jì)出喚醒MCU時(shí)鐘和模擬電路的方法，以便進(jìn)行快速測(cè)量，然后讓MCU恢復(fù)到低功耗狀態(tài)。例如，使用ADC進(jìn)行電壓測(cè)量需要電壓參考。在進(jìn)行測(cè)量之前，這種電壓參考通常需要幾十毫秒才能開(kāi)啟和穩(wěn)定。在此期間，MCU打開(kāi)并耗盡電池電量。

Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx MCU（圖2）像許多低功耗MCU一樣在幾微秒內(nèi)喚醒，但片上電壓基準(zhǔn)也設(shè)計(jì)為在2微秒內(nèi)喚醒，從而可以開(kāi)始精確的ADC測(cè)量很快。該ADC還可以在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下快速累積許多測(cè)量值，從而改善結(jié)果，同時(shí)進(jìn)一步縮短喚醒時(shí)間。喚醒時(shí)間越短，電池消耗的電流越少，同時(shí)效果也越好。

圖2：快速喚醒時(shí)間和短操作間隔將延長(zhǎng)電池壽命。

MCU的另一個(gè)重要趨勢(shì)設(shè)計(jì)涉及支持新的電池使用配置和技術(shù)（圖3）。可充電電池很受歡迎，通常需要更高的電壓支持，因此必須集成片上穩(wěn)壓器。一種新興趨勢(shì)是，當(dāng)最終用戶希望供應(yīng)商裝運(yùn)已安裝的電池時(shí)，僅使用一個(gè)堿性電池來(lái)減小產(chǎn)品尺寸或節(jié)省成本。直到最近，這種方法還需要增加分立式DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的成本和空間，以提高堿性電池電壓，從而實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腗CU操作（堿性電池的使用壽命為0.9 V）。這些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不僅會(huì)在電壓測(cè)量中產(chǎn)生大量噪聲，它們必須始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，以使MCU從睡眠模式喚醒，從而耗盡功率并縮短電池壽命。

先進(jìn)的低功耗MCU Silicon Labs F9xx器件包含一個(gè)解決這些問(wèn)題的集成DC-DC穩(wěn)壓器。結(jié)果是降低了噪聲，降低了成本，減小了占用空間并提供了更好的控制，允許DC-DC穩(wěn)壓器在MCU處于低功耗狀態(tài)時(shí)關(guān)閉，從而延長(zhǎng)電池壽命。即使集成了這個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器，它仍然應(yīng)該將升壓電源從外部輸出到系統(tǒng)的其余部分，以獲得真正的低功耗單電池解決方案。

圖3：MCU應(yīng)支持電池提供的各種電壓。

雖然MCU供應(yīng)商不斷創(chuàng)新并集成了節(jié)能和節(jié)能功能，但如果能源效率的趨勢(shì)不是完全有利的話MCU的成本和占地面積大幅增加。目標(biāo)是幫助嵌入式開(kāi)發(fā)人員降低成本，縮小最終產(chǎn)品并降低功耗。此類(lèi)解決方案必須減少材料清單和設(shè)備尺寸。最好的MCU將以最小的外形提供充足的性能，集成連接，存儲(chǔ)器和卓越的模擬外設(shè)。換句話說(shuō)，半導(dǎo)體供應(yīng)商必須提供增加的功能密度而不妥協(xié)。

圖4：F9xx超低功耗MCU架構(gòu)。

請(qǐng)注意圖4中的超低功耗MCU示例 - 64 kB閃存代碼存儲(chǔ)，4 kB數(shù)據(jù)RAM，一個(gè)ADC和兩個(gè)穩(wěn)壓器（LDO和DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器），占位面積為4 mm x 4 mm（在某些情況下甚至更小）。這種緊湊的混合信號(hào)MCU設(shè)計(jì)允許在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)量和接口系統(tǒng)，而不會(huì)犧牲性能或電池壽命。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員將謹(jǐn)慎選擇具有適當(dāng)外設(shè)的MCU，以獲得最佳的成本/性能優(yōu)勢(shì)。

嵌入式開(kāi)發(fā)人員和產(chǎn)品經(jīng)理面臨著持續(xù)的壓力，要求降低成本，尺寸，功耗，并提高其便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的性能。答案是使用高度集成的混合信號(hào)MCU將產(chǎn)品交付給市場(chǎng)，這些市場(chǎng)要求在最小的外形尺寸下具有最佳的性能和經(jīng)濟(jì)性。功能密集的混合信號(hào)MCU將為下一代便攜式醫(yī)療設(shè)備提供心跳，而提供滿足消費(fèi)者需求的優(yōu)化產(chǎn)品的醫(yī)療設(shè)備制造商將享受這一快速增長(zhǎng)的細(xì)分市場(chǎng)帶來(lái)的好處。