【作 者】吳灶全，劉夢星，秦麗平，葉樹明，陳杭

1 浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，杭州市，310027

2 浙江大學生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，杭州市，310027

3 浙江省醫(yī)療器械檢驗院，杭州市，310018

基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的穿戴式醫(yī)療設備MCU選型分析

【作 者】吳灶全1,2，劉夢星1,2，秦麗平3，葉樹明1,2，陳杭1,2

1 浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院，杭州市，310027

2 浙江大學生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，杭州市，310027

3 浙江省醫(yī)療器械檢驗院，杭州市，310018

根據(jù)穿戴式醫(yī)療設備低成本、高性能、高集成度和續(xù)航時間長的特點，對比了當前主流的低功耗微控制器（MCU）系列，分析得出ARM?Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列適合該領域的產(chǎn)品開發(fā)。在功耗水平、運算性能、外設集成和產(chǎn)品成本等方面，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列展開參數(shù)對比，為穿戴式醫(yī)療設備的MCU選型提供指南。

穿戴式醫(yī)療設備；MCU選型；Cortex M0+；高能效

0 引言

近年來穿戴式醫(yī)療設備的市場需求在快速增長，將成為拉動經(jīng)濟增長的一個創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國移動醫(yī)療市場年度報告》顯示[1]，在2012年我國移動醫(yī)療市場規(guī)模達到18.6億元，其中穿戴式醫(yī)療設備占4.2億元，較上一年增長20%。預計到2017年底，我國穿戴式醫(yī)療設備的市場規(guī)模將接近50億元，在未來十年內(nèi)呈現(xiàn)急速增長的態(tài)勢。

隨著市場需求的增長和產(chǎn)品的普及，穿戴式醫(yī)療設備正在往低成本、高性能、續(xù)航時間長和體積小的方向發(fā)展，這就對設備的控制核心——微控制器（MCU）提出了更苛刻的要求?？纱┐鞯内呄蚴沟迷O備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質(zhì)[2]，否則將會被市場和用戶淘汰。

1 穿戴式醫(yī)療設備的簡介

穿戴式醫(yī)療設備將非介入式生理信號檢測技術融合到日常穿戴衣物、器件當中，具有簡易便攜、長時間監(jiān)測的優(yōu)點。這類設備可隨時隨地長時間監(jiān)測人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應用于慢性疾病監(jiān)測、家庭護理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測等方面，有利于實現(xiàn)慢性、隱性疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。

1.1 穿戴式醫(yī)療設備的應用

在市場和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫(yī)療設備的解決方案和新產(chǎn)品層出不窮，功能和性能也在不斷提升。例如我國的邁瑞公司推出的MC-6800型動態(tài)血壓監(jiān)測儀[3]，僅需將充放氣的袖帶綁在用戶手臂上，就能在各種狀況下進行24 h無創(chuàng)性動態(tài)血壓監(jiān)測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CGMS）可以連續(xù)工作3 d[4]，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10 s會對皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度

進行測量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過無線方式傳送到接收器上。美國SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長時間工作500 h[5]，僅需套在手指上即可實時監(jiān)測用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計或血壓計。這些產(chǎn)品都體現(xiàn)了區(qū)別于常規(guī)電子儀器的顯著特征：①非介入地檢測生理信號；②通過無線或有線的方式連接用戶、醫(yī)護人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng)；③續(xù)航時間長；④安全可靠。

1.2 穿戴式醫(yī)療設備的需求分析

為了滿足穿戴式醫(yī)療設備在功耗、性能、體積等方面的要求，所選用的MCU需要滿足以下要求：①低成本；②高能效；③高休眠效率；④高集成度。在控制成本方面，可以考慮低功耗的8/16 bit單片機或基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機，這些芯片出貨量巨大，批量價格一般比較低。在能效方面，應選用低運行功耗、高運算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設豐富且性能優(yōu)越的MCU系列，有利于減少體積尺寸、降低硬件成本和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 典型低功耗MCU系列的比較

各大半導體公司如Freescale、ST、NXP、Silicon Labs、Atmel 、TI、Microchip等，紛紛推出適用于穿戴式醫(yī)療設備的中低端MCU系列。表1和表2將16 bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開對比，8 bit MCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設備的發(fā)展趨勢，其市場也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。

表1重點比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的性能差別，32 bit的內(nèi)核在運算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當穿戴式醫(yī)療設備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復雜算法時，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢已不明顯，以低功耗著稱的MSP430系列在運行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit內(nèi)核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應方面有良好表現(xiàn)[6]。

綜合表1和表2可見，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU在功耗水平上已經(jīng)做到與傳統(tǒng)8 /16 bit MCU相當，而在運算效率上優(yōu)勢明顯，更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設備。

表1 典型低功耗內(nèi)核架構的性能對比Tab.1 The performance comparison between typical low-power architectures

表2 典型低功耗MCU的能效對比(1)Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs

3 基于Cortex-M0+內(nèi)核的MCU選型分析

3.1 Cortex M系列內(nèi)核的對比

Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，

是ARM公司針對那些對成本敏感、同時對能效有較高要求的應用而設計的。當傳統(tǒng)的8/16 bit MCU在性能、功能上表現(xiàn)越來越乏力時，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內(nèi)核[8]。Cortex-M0內(nèi)核以優(yōu)異的表現(xiàn)擊敗了傳統(tǒng)的8 bit MCU，成功殺入低端的MCU市場。在這契機下，ARM公司于2012年相應適宜地推出M0的升級版——M0+，在能效和功能上作進一步的優(yōu)化和增設，以超低的能耗提供更快的任務處理能力。

從表1和2的數(shù)據(jù)可知，三者內(nèi)核性能的排序為M3＞M0+＞M0，運行功耗的排序為M3＞M0＞M0+，即M0+內(nèi)核的能效高于M0，運算性能僅次于M3。由于M0+在價格方面比M3有優(yōu)勢，故更適合于執(zhí)行低成本、高能效的任務。綜合可知，那些對功耗有苛刻要求、運算處理任務較復雜、且需要控制成本的設備選擇M0+內(nèi)核的MCU最為合適。

3.2 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列

各大MCU生產(chǎn)廠商結合自身的優(yōu)勢對Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、性能和外設方面各有所長。表3列舉了市場上M0+內(nèi)核的主流MCU系列，并結合穿戴式醫(yī)療設備的需求進行分析。

上述Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列可為穿戴式醫(yī)療設備開發(fā)者提供多種選擇，而具體的MCU型號要根據(jù)設備的實際需求來決定。在同一系列里，MCU的最高主頻、內(nèi)核效率、功耗狀況都是一致的，具體型號之間的差別在于片上資源。如表4所示，STM32L0系列分為3條主要的產(chǎn)品線，差異就體現(xiàn)在一些特殊的集成外設，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當?shù)剡x用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個數(shù)，可降低系統(tǒng)成本和功耗。因此，片上集成資源的種類、數(shù)量、功耗和性能，都是決定MCU選型的重要參考因素。

表3 基于Cortex M0+內(nèi)核的主流MCU系列Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture

3.3 MCU系統(tǒng)的低功耗策略

Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式，為穿戴式醫(yī)療設備的開發(fā)提供了優(yōu)良的平臺和電氣基礎。然而，如何在保持高性能

的情況下，將任務的整體平均功耗降到最低，將是設備開發(fā)者的重要任務。MCU系統(tǒng)的低功耗策略決定了設備的性能和續(xù)航時間，策略的制定需要從以下四個方面入手：

(1) 合理地控制MCU的時鐘系統(tǒng)，針對特定的任務，選擇適合系統(tǒng)運行的時鐘頻率[11]，迅速完成復雜的任務爭取更多的休眠時間；

(2) 選擇恰當?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r間；

(3) 進入休眠模式時，將未用到的外設以及時鐘關閉；

(4) 優(yōu)化任務的時間片，將平均功耗降到最低。

表4 STM32L0系列的3條產(chǎn)品線Tab.4 Three product lines of STM32L0 series

圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設計的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個模式之間切換：運行模式1(EM0_1)，運行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時MCU工作在EM2，高頻時鐘和外設關閉，耗電流為IEM2；當定時器發(fā)生中斷時，MCU從EM2中喚醒，將進入EM0_1以f1主頻高速運行，此時耗電流為IEM0_1，同時啟動A/D進行心電信號采樣，采樣完畢后將數(shù)據(jù)暫存在RAM中；如果緩存的數(shù)據(jù)量沒有達到閾值，MCU將直接進入EM2并定時等待；如果緩存的數(shù)據(jù)量達到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進入EM0_2，耗電流短時間內(nèi)達到IEM0_2，對緩存數(shù)據(jù)進行處理并存儲到SD卡上，存儲完畢后進入EM2。運行模式下使用到兩個不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣任務和SD卡存儲任務對運算能力的不同需求來決定，將任務的平均功耗最優(yōu)化。

圖1 基于Zero Gecko系列的動態(tài)心電記錄儀的低功耗策略Fig.1 The low-power strategy of the dynamic ECG recorder based on Zero Gecko series

圖2 動態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務下的理論耗電流曲線Fig.2 The theoretical power consumption profile of the dynamic ecg recorder performing different tasks

圖3 腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀的功能框圖Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry

4 穿戴式醫(yī)療設備的MCU選型案例

血氧飽和度的監(jiān)測是了解人體心血管生理狀況的重要手段[12]，設計一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測儀，設計目標：基于反射式光電容積脈搏波的測量方法，實現(xiàn)無創(chuàng)、連續(xù)地檢測人體動脈血的血氧飽和度；對脈搏波信號進行處理、分析，計算得到心率和呼吸頻率這兩個重要的生理參數(shù)[13]；當用戶的血氧飽和度或心率超出正常預定范圍時，會自動報警提醒。

根據(jù)設計方案和目標進行系統(tǒng)功能規(guī)劃，腕戴式

血氧飽和度監(jiān)測儀的功能框圖如圖3所示。該設備對MCU的特殊要求有：

(1) 高能效，即低運行功耗、超低休眠功耗和較高的運算性能；

(2) 低功耗的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈搏波采樣頻率設為200Hz；

(3) USB控制器，需要通過USB接口燒寫程序或與主機通訊。

綜合考慮了該設備對MCU性能、功耗以及外設所提出的要求，可以分三個步驟來進行MCU選型：

(1) 結合前文對不同內(nèi)核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內(nèi)核；

(2) 根據(jù)Cortex M0+內(nèi)核MCU系列的橫向比較，選擇集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿足長時間采樣的需求；

(3)考慮到帶USB控制器的型號，可以選擇STM32L052C8作為設備的主控制器，從而達到在性能、功耗、成本和體積方面的最佳平衡。

在實際的MCU選型中要具體問題具體分析，根據(jù)現(xiàn)有的MCU系列和設備的切實需求，做出最恰當?shù)木駬瘛?/p>

5 結語

本文將市場上典型的低功耗MCU系列進行了比較，分析得出基于ARM?Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列最適合穿戴式醫(yī)療設備的開發(fā)。設備開發(fā)者當密切關注其發(fā)展動向，結合現(xiàn)有的市場需求、產(chǎn)品體系的構建和升級換代的規(guī)劃等因素進行合理分析，抉擇出適合自身產(chǎn)品的MCU型號。繼而針對特殊醫(yī)療監(jiān)測任務的需求，為MCU系統(tǒng)制定最優(yōu)化的低功耗策略，從而開發(fā)出價格親民、性能優(yōu)越的設備。

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Wearable Medical Devices’ MCU Selection Analysis Based on the ARM Cortex-M0+ Architecture

【W(wǎng)riters】WU Zaoquan1,2, LIU Mengxing1,2, QIN Liping3, YE Shuming1,2, CHEN Hang1,2
1 College of Biomedical Engineering & Instrument Science, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
2 Key Lab of Biomedical Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou, 310027
3 Zhejiang Institute for the Control of Medical Device, Hangzhou, 310018

According to the characteristics of low cost, high performance, high integration and long battery life of wearable medical devices, the mainstream low-power microcontroller(MCU) series were compared, and came to the conclusion that the MCU series based on ARM Cortex-M0+ architecture were suitable for the development of wearable medical devices. In aspects of power consumption, operational performance, integrated peripherals and cost, the MCU series based on Cortex-M0+ architecture of primary semiconductor companies were compared, aimed at providing the guides of MCU selection for wearable medical devices.

wearable medical devices, MCU selection, Cortex M0+, energy-efficient

TP332

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.011

1671-7104(2015)03-0192-05

2015-01-29

吳灶全，E-mail: wzqcsu@126.com

陳杭，E-mail: ch-sun@263.net