便攜式醫(yī)療設(shè)備正在改善數(shù)百萬(wàn)患者的醫(yī)療保健。血糖監(jiān)測(cè)儀、心率監(jiān)測(cè)儀、可攝入胃腸道 （GI） 監(jiān)護(hù)儀、止痛植入物和許多其他設(shè)備等產(chǎn)品提高了慢性或急性疾病和病癥患者的生活質(zhì)量。便攜式自動(dòng)除顫器可在緊急情況下挽救生命。運(yùn)動(dòng)手表可以無(wú)線記錄用戶的 ?? 心率、測(cè)量距離、計(jì)算腳步數(shù)以及執(zhí)行其他功能，以最大限度地提高有氧鍛煉的益處。未來(lái)幾年將繼續(xù)為醫(yī)療應(yīng)用帶來(lái)許多新的創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將大大改善醫(yī)療保健的提供和有效性。

實(shí)際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要低功耗微控制器（MCU）來(lái)接收用戶或操作員的命令，并提供讀數(shù)和狀態(tài)更新。由于幾乎所有這些產(chǎn)品都使用電池運(yùn)行，因此一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是延長(zhǎng)電池壽命。這些產(chǎn)品所需的電池壽命各不相同，但更換電池之間的2-10年并不罕見。此外，這些空間受限的產(chǎn)品通常需要高度集成的模擬元件來(lái)調(diào)理信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以便對(duì)其進(jìn)行處理和解釋。

解決便攜式醫(yī)療領(lǐng)域的微控制器需求對(duì)半導(dǎo)體公司來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然工程學(xué)通常是在相反的功能、規(guī)格和空間限制之間進(jìn)行權(quán)衡，但在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域，這種權(quán)衡通常很難做到。這個(gè)市場(chǎng)的要求通常是不協(xié)調(diào)的，例如需要小尺寸和高功能，低功耗和高性能模擬，長(zhǎng)電池壽命和高處理能力。這些產(chǎn)品需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、可調(diào)增益、電源管理和液晶顯示器 （LCD）。

本文將討論醫(yī)療市場(chǎng)的一些創(chuàng)新產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的常見趨勢(shì)，以及如何使用SoC微控制器來(lái)改進(jìn)未來(lái)的設(shè)備。

創(chuàng)新

超低功耗、高度集成的MCU的推出催生了新產(chǎn)品，可以減輕疼痛，改善患者的??護(hù)理和生活質(zhì)量。

圣裘德醫(yī)療公司先進(jìn)神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的Eon脊髓刺激器是設(shè)計(jì)用于治療慢性疼痛的植入式裝置的一個(gè)例子。植入裝置向位于脊髓附近的導(dǎo)線發(fā)送溫和的電脈沖，當(dāng)它們從神經(jīng)系統(tǒng)傳播到大腦時(shí)，這些導(dǎo)線掩蓋或中斷了疼痛感，用更令人愉悅的感覺（稱為感覺異常）取代了疼痛感。

另一個(gè)有趣的，最近推出的產(chǎn)品，SmartPill，被設(shè)計(jì)為由患者吞咽以監(jiān)測(cè)胃腸道的狀況。在遍歷胃腸道時(shí)，它以無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式數(shù)據(jù)收集單元。以前通過(guò)胃腸道收集數(shù)據(jù)的方法對(duì)患者來(lái)說(shuō)更具侵入性和/或不方便。該器件必須滿足極小的外形尺寸和電池壽命要求。

正如SmartPill系統(tǒng)所揭示的那樣，低功耗無(wú)線協(xié)議，如RFID，ZigBee，802.15.4和其他專有協(xié)議，在醫(yī)療領(lǐng)域催生了新的創(chuàng)新水平。除了面向患者的產(chǎn)品外，多家公司最近還宣布了基于無(wú)線協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，旨在跟蹤醫(yī)院設(shè)備和人員。

集成

便攜式醫(yī)療設(shè)備可以從現(xiàn)代SoC與車載MCU的集成度中受益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成，在狹小的空間內(nèi)提供更多功能，許多這些微小的產(chǎn)品將是不可能的。

圖3顯示了現(xiàn)代微控制器的框圖，可用作便攜式醫(yī)療產(chǎn)品（如血糖監(jiān)測(cè)儀或脈搏血氧儀）的SoC。集成微控制器是運(yùn)行該器件所需的唯一 IC。這種類型的微控制器通常用于醫(yī)療應(yīng)用，可能包含以下功能：

圖 3

高性能 ADC，典型值為 12 位及以上

用于信號(hào)調(diào)理的運(yùn)算放大器，如自動(dòng)增益控制

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），有時(shí)用于反饋

基于分段的 LCD 驅(qū)動(dòng)器

用于 ADC 的高性能基準(zhǔn)電壓

集成閃存和 RAM 存儲(chǔ)器

電源管理和監(jiān)控器，這些產(chǎn)品通?？梢灾苯邮褂眉~扣鋰電池或兩個(gè)堿性電池運(yùn)行

集成的優(yōu)點(diǎn)包括減少PCB面積，更便宜的制造，更容易采購(gòu)和功耗最小化。集成的閃存和RAM不僅可以用于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還可以用于數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器（如果閃存是在線編程的）。

MSP430FG4270 MCU 是高度集成的器件的一個(gè)很好的例子，具有成本優(yōu)勢(shì)。它內(nèi)置一個(gè) ADC、DAC、可編程增益運(yùn)算放大器、高精度基準(zhǔn)電壓源和 LCD 驅(qū)動(dòng)器。使用單獨(dú)的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)這種芯片‘??s高水平的模擬性能將使物料清單（BOM）增加約1美元，更不用說(shuō)額外的采購(gòu)，物流和制造成本了。這些額外費(fèi)用在設(shè)計(jì)過(guò)程中很容易被忽視，但可能很大，特別是如果由于一個(gè)或多個(gè)組件缺貨而導(dǎo)致制造關(guān)閉。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，擁有內(nèi)存大小的選項(xiàng)也是一個(gè)顯著的好處。由于存儲(chǔ)器大小和芯片大小具有大致的線性關(guān)系，因此MCU的成本與存儲(chǔ)器大小成正比。根據(jù)編程需求選擇內(nèi)存大小的能力不僅可以優(yōu)化 BOM 成本，還可以降低編程內(nèi)存的初步估計(jì)值較低的風(fēng)險(xiǎn)。此功能還允許僅使用固件和 BOM 選項(xiàng)即可獲得具有不同功能的不同等級(jí)的最終產(chǎn)品。

低功耗

設(shè)備在電池充電之間運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，最終用戶的滿意度或患者舒適度就越高。此外，在大多數(shù)便攜式醫(yī)療設(shè)備中，MCU將花費(fèi)大部分時(shí)間處于待機(jī)模式（睡眠）。這意味著實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)電流的能力是決定設(shè)備電池壽命的主要因素。

對(duì)于頻繁進(jìn)入和退出待機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄儀等產(chǎn)品，另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是從待機(jī)狀態(tài)喚醒所需的時(shí)間。MCU在退出待機(jī)狀態(tài)時(shí)通?？梢允褂门c設(shè)備完全處理時(shí)一樣多的能量?？焖賳拘褧r(shí)間至關(guān)重要，因?yàn)樵趩拘哑陂g，MCU無(wú)法進(jìn)行有用的處理，這意味著從待機(jī)模式使用的能量實(shí)際上被浪費(fèi)了。此外，現(xiàn)代MCU需要快速喚醒以響應(yīng)觸發(fā)事件。例如，一些 TI’??s MSP430 MCU 可以在不到 1 ?μs 的時(shí)間內(nèi)以穩(wěn)定的時(shí)鐘喚醒至完全運(yùn)行模式，從而實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的待機(jī)操作。

由于MCU處于活動(dòng)狀態(tài)的每個(gè)周期都會(huì)消耗能量，因此最小化處理時(shí)間對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。低功耗MCU具有許多有助于最大限度地減少這一時(shí)間的功能。例如，在分析數(shù)據(jù)之前，產(chǎn)品需要從ADC收集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)。如果MCU在收集數(shù)據(jù)時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，則處理器在提供很少價(jià)值的同時(shí)使用能量。一些MCU可以使用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，通過(guò)允許ADC收集數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，從而最大限度地減少處理器必須處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。一旦收集到所需數(shù)量的樣本，處理器就會(huì)中斷，使其處于待機(jī)狀態(tài);然后它分析數(shù)據(jù)并輸出結(jié)果。

如前所述，最小化功耗是集成的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。MCU可以更簡(jiǎn)單、更好地控制運(yùn)算放大器、DAC或ADC等外設(shè)，并在不需要時(shí)有選擇地關(guān)閉這些外設(shè)。

運(yùn)營(yíng)能力是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。盡管MCU可能在活動(dòng)狀態(tài)下停留相對(duì)較短的時(shí)間，但如果工作功率不低，從待機(jī)模式喚醒以檢查電池電壓水平等狀態(tài)可能會(huì)迅速耗盡電池電量。此外，由于其中一些產(chǎn)品使用ZigBee，802.15.4等無(wú)線協(xié)議或?qū)Ｓ袩o(wú)線協(xié)議（如TI‘??s SimpliciTI），因此這些系統(tǒng)可能需要比平時(shí)更頻繁地喚醒以維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。有趣的是，即使醫(yī)療產(chǎn)品每天僅出于測(cè)量目的而短時(shí)間打開，利用《1.1 ?μA的MCU待機(jī)電流，低有功功率對(duì)于保持低平均電流消耗通常也很重要。

包裝

滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的外形尺寸要求通常意味著應(yīng)使用球柵陣列 （BGA） 封裝或芯片級(jí)封裝 （CSP）。較小尺寸的權(quán)衡是，這些封裝比傳統(tǒng)的引線封裝更難制造。此外，設(shè)計(jì)和調(diào)試可能需要X射線來(lái)確保焊盤焊接，并且重新加工CSP或BGA比引線封裝更具挑戰(zhàn)性。

雖然較大的四通道扁平封裝或塑料小外形封裝允許設(shè)計(jì)人員輕松探測(cè)和監(jiān)控引腳上的信號(hào)，但在原型設(shè)計(jì)階段可以選擇直接使用較小的封裝，這將使設(shè)計(jì)人員利用在概念驗(yàn)證階段開發(fā)的代碼和原理圖來(lái)節(jié)省時(shí)間。

助力突破的 SoC

這是醫(yī)療行業(yè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，醫(yī)療市場(chǎng)正在發(fā)生的創(chuàng)新正在改善全世界的生活。在某些時(shí)候，每個(gè)人都會(huì)受到現(xiàn)在發(fā)生的創(chuàng)新和醫(yī)學(xué)進(jìn)步的影響。健康和醫(yī)療設(shè)計(jì)人員、制造商和創(chuàng)新者越來(lái)越多地利用當(dāng)今??s微控制器中的低功耗、高處理能力和高性能模擬集成。如果營(yíng)銷產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)尺寸、電池壽命或精度的要求似乎過(guò)于苛刻，工程師應(yīng)該看看微控制器SoC中有哪些可用的東西。

審核編輯：郭婷