片上系统微控制器推动便携式医疗设备创新

便携式医疗设备正在改善提供给数百万患者的医疗水平。血糖仪、心率监测仪、胃造影（GI）、无痛植入及许多其它设备为急慢性病症患者的生活带来福音。便携式自动除颤器可以在紧急情况下拯救患者的生命。运动表能自动记录使用者的心率，自动测量距离，计算步数，并可最大限度实现增氧运动的效果。未来更多用于医疗的创新产品，将大大提高医疗保健的效率。

实际上所有这些便携式产品都需要一个低功耗的微控制器获取来自使用者或操作人员的命令，提供信息和进行状态更新。因为几乎所有产品都是依靠电池运行，所以应重点考虑延长电池寿命。这些产品对电池寿命的要求不同，一般二到十年更换电池。此外，这些受空间限制的产品通常需要高度集成的模拟元件，将信号置于适当的条件下并转换为数字形式，以对这些信号进行处理和转换。

便携式医疗设备对微控制器的需求给半导体公司带来了挑战。设计通常是在功能特性、规格和空间限制之间进行取舍，但是在便携式医疗领域中很难进行这些取舍。便携式医疗市场的要求往往是相互矛盾的：既要求多功能，又要求小巧；既要求高性能模拟，又要求低功耗；既要求高处理能力，又要求电池寿命长。这些产品需要有模拟数字转换器（ADC）、可调增益、电源管理系统和液晶显示器。

本文将讨论医疗电子市场中的一些创新产品，医疗设备行业的普遍趋势，以及如何应用片上系统微控制器改进未来的设备。

创新

得益于超低功耗、高度集成微控制器的推出，能减轻病痛、提高患者保健和生活质量的新产品大批量的走入市场当中。

Advanced Neuromodulation Systems公司是St. Jude Medical的一个子公司，该公司生产的Eon脊髓刺激器是一种治疗慢性病痛的植入式设备（图1）。它的工作原理是，植入设备将温和的电脉冲发送到脊髓附近的传导区域，当这些电脉冲穿过神经系统进入大脑时，可遮盖或中断痛觉，取而代之的是一种舒适的感觉，称作“感觉异常”。



图1. Eon脊髓刺激系统已被批准为治疗躯干四肢慢性疼痛症和腰椎手术失败综合症（FBSS）的专业仪器。它的工作原理是：植入设备将温和的电脉冲发送到脊髓附近的传导区域，当电脉冲传入大脑时可中断疼痛信号。

最近推出的另一种比较有趣的设备是智能药丸（图2）。它的工作原理是：患者将其吞咽下去，就可监测胃肠道的情况。当智能药丸经过胃肠道时，将数据自动传输到便携式数据收集器中。与传统胃肠道数据收集的方法相比，它的副作用更小，也更为方便。这种设备对小型化和电池寿命的具有极高的要求。



图2. 智能药丸：患者将其吞咽下去，监测胃肠道情况

智能药丸胃肠道监测系统表明，包括RFID、ZigBee、802.15.4及其它专有协议的低功耗无线协议使医疗领域的创新上升到一个新水平。除了为病人设计的产品外，多家公司近来已发布了基于无线协议的资产跟踪系统，用于跟踪医院设备和人员情况。

集成

具有板载微控制器的片上系统所提供的集成水平使便携式医疗设备获益匪浅。如果没有高水平的模拟集成提供小型空间里的更多容量，就不可能产生这么多小型便携产品。

图3是现代微控制器的结构图，此微控制器可用作血糖仪或脉搏血氧仪等便携式医疗产品的片上系统。集成的微控制器是运行这些设备所需的唯一集成电路。用于医疗设备的微控制器具备如下特征：

• 高性能模拟数字转换器，通常12bit以上；
• 用于自动增益控制等信号调节的运算放大器；
• 数模转换器，有时用于反馈；
• 基于分段的液晶显示器驱动；
• 模拟数字转换器的高性能基准电压；
• 集成闪存卡和随机存取存储器（RAM）内存条；
• 能源管理系统和监管系统，这些产品直接由一节硬币型锂电池或两节碱性电池供电运行。
  

图3. 现代微控制器结构图

集成的优势包括：电路板面积减小、生产成本较低、方便采购和功耗最小化。如果将闪存程序编辑到电路内，集成闪存卡和RAM内存条不仅可用作程序和数据存储器，还可用作资料记录记忆器。

MSP430FG4270微控制器是具有成本优势的高度集成设备中的一个典范。它由模拟数字转换器、数模转换器，可编程增益运算放大器、高精度电压基准和液晶显示器驱动组成。用分立器件实现高水平模拟性能会增加大约1美元的材料成本，更不必说采购、物流和制造成本的增加了。在设计过程中很容易忽略这些额外开支，但额外开支可能具有重大影响，特别是有时会由于一个或多个元件缺货造成生产停滞。

内存大小的可选性对设计者也是一个重要的有利因素。内存大小和芯片尺寸大致上呈线性关系，微控制器的成本与内存大小成正比。基于程序设计的需要选择内存，不仅可以优化材料成本，还可以减少由于对编程内存的初步估算较低而产生的风险。此外，该能力还允许仅使用固件和材料清单选项制成的成品具有不同的等级和不同的功能。

低功耗

设备在电池再充电之前运转时间越长，终端用户的满意度就越高。大多数便携式医疗设备中的微控制器大部分时间处于待机模式，也就是说，实现超低待机功耗的能力是决定设备电池寿命的主要因素。

对于数据记录器等需要频繁待机和唤醒的产品，由待机到唤醒所需的时间是其另一个临界参数。微控制器启动过程中消耗的能量往往与设备运行时消耗的能量一样多，因此，较短的唤醒时间很重要，原因是在唤醒阶段，微控制器不能做任何有效操作，用于退出待机模式的能量被完全浪费了。此外，为响应触发事件，现代的微控制器也需要快速的唤醒。例如，德州仪器的一些MSP430微控制器能在一微秒内唤醒进入时钟稳定的完全运行模式，从而实现了近似实时的待机唤醒。

微控制器参与的每个环节都需要能量，最大限度缩短处理时间是延长电池寿命的关键。低功耗微控制器具有许多能最大限度缩短处理时间的特征。例如，在分析数据前，产品从模拟数字转换器收集数据需要一段时间，如果在收集数据时，微控制器处于活动状态，会消耗能量，但并不发挥什么作用。一些微控制器允许模拟数字转换器收集数据并将其保存到内存中，使用直接内存存取，最大限度缩短处理器需要保持活动的时间。当收集到规定数目的示例后，处理器退出待机模式，开始分析数据并输出结果。

如前所述，集成的另一优势是能将功耗减至最低。通过启动和关闭运算放大器、数模转换器、模拟数字转换器等外设，或根据需要有选择地关闭某些外设，可以更简便地控制微控制器。

运行功耗是另一项关键参数。尽管微控制器在活动状态的时间相对较短，但如果运行功耗高，从待机模式到检查状态的启动过程中的电池电压电平就会快速耗尽电池的电量。此外，由于一些产品应用如ZigBee、802.15.4等无线协议或德州仪器SimpliciTI等专有无线协议，为维持无线网络，这些系统可能需要更频繁的唤醒。尽管每天使用医疗产品监测的时间很短，微控制器的待机电流小于1.1微安，但保持较低的平均功耗仍然很重要。

封装

为满足便携式医疗产品小尺寸的要求，可采用芯片级封装和球状矩阵排列（BGA）两种封装方式。为了减小外型尺寸，这两种封装比传统有引线封装更难。此外，为确保板被焊接，可使用X射线进行设计和调试，再加工芯片级封装或球状矩阵排列比再加工引线封装更具挑战性。

由于更大的四方扁平封装或塑料小尺寸封装使设计者能轻易地探测到引线上的信号，所以可以选择直接将较小的封装用于原型阶段，这样可通过使设计者利用概念验证阶段的代码和图表节省时间。

片上系统SoC带来技术突破

这是医疗行业令人激动的时刻，在医疗市场中发生的创新正在改善全世界人民的生活。从某个角度来说，人人都会受益于这些创新和医疗进步。保健和医疗设计师、制造商和创新者对低功耗、高速处理能力和高性能模拟集成的应用日益增多，这些特征在当今的微控制器中都可见到。如果产品设计对尺寸、电池寿命或准确性提出更高要求，工程师可从微控制器片上系统中得到更多启示。
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