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便攜式醫(yī)療設(shè)備正在改善數(shù)百萬患者的醫(yī)療保健。血糖監(jiān)測器、心率監(jiān)測器、可攝入胃腸 (GI) 道監(jiān)測器、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患者的生活質(zhì)量。便攜式自動除顫器可在緊急情況下挽救生命。運動手表可以無線記錄用戶的心率、測量距離、計算步數(shù)和執(zhí)行其他功能，以最大限度地提高有氧鍛煉的益處。未來幾年將繼續(xù)為醫(yī)療應(yīng)用帶來許多新的、創(chuàng)新的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將極大地改善醫(yī)療保健的交付和有效性。

實際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要一個低功耗微控制器 (MCU) 來接收來自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)品都使用電池供電，因此一個關(guān)鍵的考慮因素是延長電池壽命。這些產(chǎn)品所需的電池壽命各不相同，但 2-10 年的電池更換間隔并不罕見。此外，這些空間受限的產(chǎn)品通常需要高度集成的模擬組件來調(diào)節(jié)信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以便對其進行處理和解釋。

解決便攜式醫(yī)療領(lǐng)域的微控制器需求給半導(dǎo)體公司帶來了挑戰(zhàn)。雖然工程通常是在對立的特性、規(guī)格和空間限制之間進行權(quán)衡，但在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域通常很難進行這種權(quán)衡。這個市場的要求通常是不協(xié)調(diào)的，例如需要小尺寸、高功能、低功耗和高性能模擬，以及長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)療市場的一些創(chuàng)新產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的共同趨勢，以及如何使用 SoC 微控制器來改進未來的設(shè)備。

超低功耗、高度集成的 MCU 的推出催生了新產(chǎn)品，可以減輕疼痛并改善患者的護理和生活。

一體化

便攜式醫(yī)療設(shè)備可以從現(xiàn)代 SoC 與板載 MCU 提供的集成水平中受益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成以在小空間內(nèi)提供更多功能，許多這些微型產(chǎn)品將無法實現(xiàn)。

集成微控制器是運行便攜式醫(yī)療設(shè)備所需的唯一 IC。這種類型的微控制器通常用于醫(yī)療應(yīng)用，可能包含以下特性：

高性能 ADC，通常為 12 位及更高

用于信號調(diào)節(jié)的運算放大器，例如自動增益控制

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，有時用于反饋

基于段的 LCD 驅(qū)動器

ADC 的高性能參考電壓

集成閃存和 RAM 存儲器

電源管理和監(jiān)控器，這些產(chǎn)品通常可以直接使用紐扣鋰電池或兩節(jié)堿性電池供電

集成的優(yōu)勢包括減少PCB面積、制造成本更低、采購更容易和功耗最小化。集成的閃存和 RAM 不僅可用于程序和數(shù)據(jù)存儲器，而且如果閃存在電路中編程，還可用于數(shù)據(jù)記錄存儲器。

MSP430FG4270 MCU 是具有成本優(yōu)勢的高度集成器件的一個很好的例子。它包含一個 ADC、DAC 、可編程增益運算放大器、高精度電壓基準和 LCD 驅(qū)動器。使用單獨的芯片來實現(xiàn)該芯片的高水平模擬性能將使物料清單 (BOM) 增加約 1 美元，更不用說額外的采購、物流和制造成本了。在設(shè)計過程中，這些額外費用很容易被忽視，但可能是巨大的，尤其是在由于一個或多個組件缺貨而導(dǎo)致制造中斷的情況下。

對內(nèi)存大小的選擇對設(shè)計人員來說也是一個重要的好處。由于內(nèi)存大小和裸片大小大致呈線性關(guān)系，因此 MCU 的成本與內(nèi)存大小成正比。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，而且還可以降低編程內(nèi)存的初步估計值較低時的風(fēng)險。這種能力還允許僅使用固件和 BOM 選項的具有不同功能數(shù)量的不同等級的最終產(chǎn)品。

低電量

設(shè)備在兩次電池充電之間可以運行的時間越長，最終用戶的滿意度或患者的舒適度就越高。此外，在大多數(shù)便攜式醫(yī)療設(shè)備中，MCU 的大部分時間都處于待機模式（休眠）。這意味著實現(xiàn)超低待機電流的能力是決定設(shè)備電池壽命的主要因素。

對于頻繁進入和退出待機狀態(tài)的數(shù)據(jù)記錄儀等產(chǎn)品，另一個關(guān)鍵參數(shù)是從待機狀態(tài)喚醒所需的時間。MCU 在退出待機狀態(tài)時通常可以使用與設(shè)備完全處理時一樣多的能量。快速喚醒時間是必不可少的，因為在喚醒期間 MCU 無法進行有用的處理，這意味著從待機模式中使用的能量被有效地浪費了。此外，現(xiàn)代 MCU 需要快速喚醒以響應(yīng)觸發(fā)事件。例如， TI 的一些 MSP430 MCU 可以在不到 1 微秒的時間內(nèi)以穩(wěn)定的時鐘喚醒到完全運行模式，從而使非待機狀態(tài)下近乎實時的運行成為現(xiàn)實。

由于 MCU 處于活動狀態(tài)的每個周期都會消耗能量，因此最大限度地縮短處理時間對于延長電池壽命至關(guān)重要。低功耗 MCU 包括許多有助于最大程度減少此時間的功能。例如，在分析數(shù)據(jù)之前，產(chǎn)品需要從 ADC 收集一段時間的數(shù)據(jù)。如果在收集數(shù)據(jù)時 MCU 處于活動狀態(tài)，則處理器會消耗能量而幾乎沒有提供任何價值。一些 MCU 可以使用直接內(nèi)存訪問，通過允許 ADC 收集數(shù)據(jù)并將其存儲到內(nèi)存中來最大限度地減少處理器必須處于活動狀態(tài)的時間。一旦收集到所需數(shù)量的樣本，處理器就會中斷退出待機狀態(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優(yōu)勢。MCU 可以更簡單、更好地控制啟用和禁用運算放大器、DAC 或 ADC 等外設(shè)，并在不需要它們時有選擇地關(guān)閉它們。

運營能力是另一個關(guān)鍵參數(shù)。即使 MCU 可能會在活動狀態(tài)中花費相對較短的時間，但如果操作功率不低，從待機模式喚醒以檢查狀態(tài)（例如電池電壓水平）可能會迅速耗盡電池電量。此外，由于其中一些產(chǎn)品使用無線協(xié)議（如 ZigBee、802.15.4）或?qū)Ｓ袩o線協(xié)議（如 TI 的 SimpliciTI），這些系統(tǒng)可能需要比平時更頻繁地喚醒以維護無線網(wǎng)絡(luò)。有趣的是，即使醫(yī)療產(chǎn)品為了測量目的每天只開啟一小段時間，利用 <1.1 ?μA 的 MCU 待機電流，低有功功率對于保持低平均電流消耗通常很重要。

包裝

滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的外形要求通常意味著應(yīng)使用球柵陣列 (BGA) 封裝或芯片級封裝 (CSP)。較小尺寸的代價是這些封裝比傳統(tǒng)的有鉛封裝更難制造。此外，設(shè)計和調(diào)試可能需要 X 射線來確保焊盤被焊接，而重新加工 CSP 或 BGA 比引線封裝更具挑戰(zhàn)性。

雖然較大的四方扁平封裝或塑料小外形封裝允許設(shè)計人員輕松探測和監(jiān)控引腳上的信號，但在原型設(shè)計階段可以選擇直接進入較小的封裝將通過讓設(shè)計人員利用開發(fā)的代碼和原理圖來節(jié)省時間概念驗證階段。

SoC 助力突破

在某個時候，每個人都會受到現(xiàn)在發(fā)生的創(chuàng)新和醫(yī)學(xué)進步的影響。健康和醫(yī)療設(shè)計師、制造商和創(chuàng)新者越來越多地利用當今微控制器中的低功耗、高處理能力和高性能模擬集成。如果市場營銷產(chǎn)品對尺寸、電池壽命或精度的要求似乎過于激進，工程師應(yīng)該看看微控制器 SoC 中的可用內(nèi)容。