SoC微控制器助力便携式医疗设备创新

作者：Kevin Belnap

便携式医疗设备正在改善数百万患者的医疗保健。血糖监测仪、心率监测仪、可摄入胃肠道 （GI） 监护仪、止痛植入物和许多其他设备等产品提高了慢性或急性疾病和病症患者的生活质量。便携式自动除颤器可在紧急情况下挽救生命。运动手表可以无线记录用户的 Äô 心率、测量距离、计算脚步数以及执行其他功能，以最大限度地提高有氧锻炼的益处。未来几年将继续为医疗应用带来许多新的创新产品，这些产品将大大改善医疗保健的提供和有效性。

实际上，所有这些便携式产品都需要低功耗微控制器（MCU）来接收用户或操作员的命令，并提供读数和状态更新。由于几乎所有这些产品都使用电池运行，因此一个关键考虑因素是延长电池寿命。这些产品所需的电池寿命各不相同，但更换电池之间的2-10年并不罕见。此外，这些空间受限的产品通常需要高度集成的模拟元件来调理信号并将其转换为数字域，以便对其进行处理和解释。

解决便携式医疗领域的微控制器需求对半导体公司来说是一个挑战。虽然工程学通常是在相反的功能、规格和空间限制之间进行权衡，但在便携式医疗领域，这种权衡通常很难做到。这个市场的要求通常是不协调的，例如需要小尺寸和高功能，低功耗和高性能模拟，长电池寿命和高处理能力。这些产品需要模数转换器 （ADC）、可调增益、电源管理和液晶显示器 （LCD）。

本文将讨论医疗市场的一些创新产品、医疗设备行业的常见趋势，以及如何使用SoC微控制器来改进未来的设备。

创新

超低功耗、高度集成的MCU的推出催生了新产品，可以减轻疼痛，改善患者的Äô护理和生活质量。

圣裘德医疗公司先进神经调节系统的Eon脊髓刺激器是设计用于治疗慢性疼痛的植入式装置的一个例子。植入装置向位于脊髓附近的导线发送温和的电脉冲，当它们从神经系统传播到大脑时，这些导线掩盖或中断了疼痛感，用更令人愉悦的感觉（称为感觉异常）取代了疼痛感。

另一个有趣的，最近推出的产品，SmartPill，被设计为由患者吞咽以监测胃肠道的状况。在遍历胃肠道时，它以无线方式将数据传输到便携式数据收集单元。以前通过胃肠道收集数据的方法对患者来说更具侵入性和/或不方便。该器件必须满足极小的外形尺寸和电池寿命要求。

正如SmartPill系统所揭示的那样，低功耗无线协议，如RFID，ZigBee，802.15.4和其他专有协议，在医疗领域催生了新的创新水平。除了面向患者的产品外，多家公司最近还宣布了基于无线协议的资产跟踪系统，旨在跟踪医院设备和人员。

集成

便携式医疗设备可以从现代SoC与车载MCU的集成度中受益匪浅。如果没有高水平的模拟集成，在狭小的空间内提供更多功能，许多这些微小的产品将是不可能的。

图3显示了现代微控制器的框图，可用作便携式医疗产品（如血糖监测仪或脉搏血氧仪）的SoC。集成微控制器是运行该器件所需的唯一 IC。这种类型的微控制器通常用于医疗应用，可能包含以下功能：

图 3

高性能 ADC，典型值为 12 位及以上
用于信号调理的运算放大器，如自动增益控制
数模转换器 （DAC），有时用于反馈
基于分段的 LCD 驱动器
用于 ADC 的高性能基准电压
集成闪存和 RAM 存储器
电源管理和监控器，这些产品通常可以直接使用纽扣锂电池或两个碱性电池运行

集成的优点包括减少PCB面积，更便宜的制造，更容易采购和功耗最小化。集成的闪存和RAM不仅可以用于程序和数据存储器，还可以用于数据记录存储器（如果闪存是在线编程的）。

MSP430FG4270 MCU 是高度集成的器件的一个很好的例子，具有成本优势。它内置一个 ADC、DAC、可编程增益运算放大器、高精度基准电压源和 LCD 驱动器。使用单独的芯片来实现这种芯片‘Äôs高水平的模拟性能将使物料清单（BOM）增加约1美元，更不用说额外的采购，物流和制造成本了。这些额外费用在设计过程中很容易被忽视，但可能很大，特别是如果由于一个或多个组件缺货而导致制造关闭。

对于设计人员来说，拥有内存大小的选项也是一个显著的好处。由于存储器大小和芯片大小具有大致的线性关系，因此MCU的成本与存储器大小成正比。根据编程需求选择内存大小的能力不仅可以优化 BOM 成本，还可以降低编程内存的初步估计值较低的风险。此功能还允许仅使用固件和 BOM 选项即可获得具有不同功能的不同等级的最终产品。

低功耗

设备在电池充电之间运行的时间越长，最终用户的满意度或患者舒适度就越高。此外，在大多数便携式医疗设备中，MCU将花费大部分时间处于待机模式（睡眠）。这意味着实现超低待机电流的能力是决定设备电池寿命的主要因素。

对于频繁进入和退出待机状态的数据记录仪等产品，另一个关键参数是从待机状态唤醒所需的时间。MCU在退出待机状态时通常可以使用与设备完全处理时一样多的能量。快速唤醒时间至关重要，因为在唤醒期间，MCU无法进行有用的处理，这意味着从待机模式使用的能量实际上被浪费了。此外，现代MCU需要快速唤醒以响应触发事件。例如，一些 TI’Äôs MSP430 MCU 可以在不到 1 ¬μs 的时间内以稳定的时钟唤醒至完全运行模式，从而实现近乎实时的待机操作。

由于MCU处于活动状态的每个周期都会消耗能量，因此最小化处理时间对于延长电池寿命至关重要。低功耗MCU具有许多有助于最大限度地减少这一时间的功能。例如，在分析数据之前，产品需要从ADC收集一段时间的数据。如果MCU在收集数据时处于活动状态，则处理器在提供很少价值的同时使用能量。一些MCU可以使用直接存储器访问，通过允许ADC收集数据并将其存储到存储器中，从而最大限度地减少处理器必须处于活动状态的时间。一旦收集到所需数量的样本，处理器就会中断，使其处于待机状态;然后它分析数据并输出结果。

如前所述，最小化功耗是集成的另一个优势。MCU可以更简单、更好地控制运算放大器、DAC或ADC等外设，并在不需要时有选择地关闭这些外设。

运营能力是另一个关键参数。尽管MCU可能在活动状态下停留相对较短的时间，但如果工作功率不低，从待机模式唤醒以检查电池电压水平等状态可能会迅速耗尽电池电量。此外，由于其中一些产品使用ZigBee，802.15.4等无线协议或专有无线协议（如TI‘Äôs SimpliciTI），因此这些系统可能需要比平时更频繁地唤醒以维护无线网络。有趣的是，即使医疗产品每天仅出于测量目的而短时间打开，利用《1.1 ¬μA的MCU待机电流，低有功功率对于保持低平均电流消耗通常也很重要。

包装

满足便携式医疗产品的外形尺寸要求通常意味着应使用球栅阵列 （BGA） 封装或芯片级封装 （CSP）。较小尺寸的权衡是，这些封装比传统的引线封装更难制造。此外，设计和调试可能需要X射线来确保焊盘焊接，并且重新加工CSP或BGA比引线封装更具挑战性。

虽然较大的四通道扁平封装或塑料小外形封装允许设计人员轻松探测和监控引脚上的信号，但在原型设计阶段可以选择直接使用较小的封装，这将使设计人员利用在概念验证阶段开发的代码和原理图来节省时间。

助力突破的 SoC

这是医疗行业激动人心的时刻，医疗市场正在发生的创新正在改善全世界的生活。在某些时候，每个人都会受到现在发生的创新和医学进步的影响。健康和医疗设计人员、制造商和创新者越来越多地利用当今Äôs微控制器中的低功耗、高处理能力和高性能模拟集成。如果营销产品设计对尺寸、电池寿命或精度的要求似乎过于苛刻，工程师应该看看微控制器SoC中有哪些可用的东西。