【作 者】吳灶全，劉夢(mèng)星，秦麗平，葉樹(shù)明，陳杭

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州市，310018

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

【作 者】吳灶全1,2，劉夢(mèng)星1,2，秦麗平3，葉樹(shù)明1,2，陳杭1,2

1 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州市，310027

2 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州市，310027

3 浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院，杭州市，310018

根據(jù)穿戴式醫(yī)療設(shè)備低成本、高性能、高集成度和續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)比了當(dāng)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(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。在功耗水平、運(yùn)算性能、外設(shè)集成和產(chǎn)品成本等方面，進(jìn)一步將各大半導(dǎo)體公司基于Cortex M0+內(nèi)核的MCU系列展開(kāi)參數(shù)對(duì)比，為穿戴式醫(yī)療設(shè)備的MCU選型提供指南。

穿戴式醫(yī)療設(shè)備；MCU選型；Cortex M0+；高能效

0 引言

近年來(lái)穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)需求在快速增長(zhǎng)，將成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)。根據(jù)艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)年度報(bào)告》顯示[1]，在2012年我國(guó)移動(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到18.6億元，其中穿戴式醫(yī)療設(shè)備占4.2億元，較上一年增長(zhǎng)20%。預(yù)計(jì)到2017年底，我國(guó)穿戴式醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將接近50億元，在未來(lái)十年內(nèi)呈現(xiàn)急速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)和產(chǎn)品的普及，穿戴式醫(yī)療設(shè)備正在往低成本、高性能、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和體積小的方向發(fā)展，這就對(duì)設(shè)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(shè)備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運(yùn)算能力、高集成度的特質(zhì)[2]，否則將會(huì)被市場(chǎng)和用戶淘汰。

1 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的簡(jiǎn)介

穿戴式醫(yī)療設(shè)備將非介入式生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)融合到日常穿戴衣物、器件當(dāng)中，具有簡(jiǎn)易便攜、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。這類設(shè)備可隨時(shí)隨地長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)人體生理狀況，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于慢性疾病監(jiān)測(cè)、家庭護(hù)理保健、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)等方面，有利于實(shí)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(shè)備的應(yīng)用

在市場(chǎng)和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫(yī)療設(shè)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(guó)的邁瑞公司推出的MC-6800型動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)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(jìn)行24 h無(wú)創(chuàng)性動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。美國(guó)Medtronic公司推出的血糖實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CGMS）可以連續(xù)工作3 d[4]，僅需將檢測(cè)探頭貼在患者腹部，每10 s會(huì)對(duì)皮下間質(zhì)液里的葡萄糖濃度

進(jìn)行測(cè)量，并將獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳送到接收器上。美國(guó)SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能長(zhǎng)時(shí)間工作500 h[5]，僅需套在手指上即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計(jì)或血壓計(jì)。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(cè)生理信號(hào)；②通過(guò)無(wú)線或有線的方式連接用戶、醫(yī)護(hù)人員和數(shù)據(jù)系統(tǒng)；③續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)；④安全可靠。

1.2 穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求分析

為了滿足穿戴式醫(yī)療設(shè)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(jī)或基于ARM Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit單片機(jī)，這些芯片出貨量巨大，批量?jī)r(jià)格一般比較低。在能效方面，應(yīng)選用低運(yùn)行功耗、高運(yùn)算能力的MCU系列，低功耗可以提高續(xù)航能力，高運(yùn)算能力有利于在片上運(yùn)行復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理。在休眠效率方面，應(yīng)選擇擁有靈活多樣的休眠模式、超低休眠功耗、極短喚醒時(shí)間的MCU系列。在集成度方面，可選用那些外設(shè)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(dǎo)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(shè)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(kāi)對(duì)比，8 bit MCU不在比對(duì)列表中。這是因?yàn)? bit MCU已經(jīng)不適合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，其市場(chǎng)也正被ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU蠶食。

表1重點(diǎn)比較了16 bit/32 bit內(nèi)核的性能差別，32 bit的內(nèi)核在運(yùn)算效率方面全面超越16 bit 的內(nèi)核，意味著當(dāng)穿戴式醫(yī)療設(shè)備需要在片上執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法時(shí)，Cortex-M系列內(nèi)核的32 bit MCU更具優(yōu)勢(shì)。表2則將典型的低功耗MCU展開(kāi)能效對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)16 bit MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)已不明顯，以低功耗著稱的MSP430系列在運(yùn)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(wú)幾。而32 bit MCU在休眠狀態(tài)下的喚醒時(shí)間也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速響應(yīng)方面有良好表現(xiàn)[6]。

綜合表1和表2可見(jiàn)，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(dāng)，而在運(yùn)算效率上優(yōu)勢(shì)明顯，更適合那些對(duì)任務(wù)和算法有較高要求的穿戴式醫(yī)療設(shè)備。

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

表2 典型低功耗MCU的能效對(duì)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(duì)比

Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，

是ARM公司針對(duì)那些對(duì)成本敏感、同時(shí)對(duì)能效有較高要求的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。當(dāng)傳統(tǒng)的8/16 bit MCU在性能、功能上表現(xiàn)越來(lái)越乏力時(shí)，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(chǎng)。在這契機(jī)下，ARM公司于2012年相應(yīng)適宜地推出M0的升級(jí)版——M0+，在能效和功能上作進(jìn)一步的優(yōu)化和增設(shè)，以超低的能耗提供更快的任務(wù)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?yàn)镸3＞M0+＞M0，運(yùn)行功耗的排序?yàn)镸3＞M0＞M0+，即M0+內(nèi)核的能效高于M0，運(yùn)算性能僅次于M3。由于M0+在價(jià)格方面比M3有優(yōu)勢(shì)，故更適合于執(zhí)行低成本、高能效的任務(wù)。綜合可知，那些對(duì)功耗有苛刻要求、運(yùn)算處理任務(wù)較復(fù)雜、且需要控制成本的設(shè)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(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)對(duì)Cortex-M0+內(nèi)核加以整合優(yōu)化，在功耗、性能和外設(shè)方面各有所長(zhǎng)。表3列舉了市場(chǎng)上M0+內(nèi)核的主流MCU系列，并結(jié)合穿戴式醫(yī)療設(shè)備的需求進(jìn)行分析。

上述Cortex M0+內(nèi)核的MCU 系列可為穿戴式醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)者提供多種選擇，而具體的MCU型號(hào)要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求來(lái)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(hào)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(shè)，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當(dāng)?shù)剡x用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個(gè)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(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)良的平臺(tái)和電氣基礎(chǔ)。然而，如何在保持高性能

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

(1) 合理地控制MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)，針對(duì)特定的任務(wù)，選擇適合系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)鐘頻率[11]，迅速完成復(fù)雜的任務(wù)爭(zhēng)取更多的休眠時(shí)間；

(2) 選擇恰當(dāng)?shù)男菝吣Ｊ胶托菝邥r(shí)間；

(3) 進(jìn)入休眠模式時(shí)，將未用到的外設(shè)以及時(shí)鐘關(guān)閉；

(4) 優(yōu)化任務(wù)的時(shí)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(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統(tǒng)任務(wù)的理論耗電流如圖2所示。其中，MCU主要在三個(gè)模式之間切換：運(yùn)行模式1(EM0_1)，運(yùn)行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平時(shí)MCU工作在EM2，高頻時(shí)鐘和外設(shè)關(guān)閉，耗電流為IEM2；當(dāng)定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，MCU從EM2中喚醒，將進(jìn)入EM0_1以f1主頻高速運(yùn)行，此時(shí)耗電流為IEM0_1，同時(shí)啟動(dòng)A/D進(jìn)行心電信號(hào)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(méi)有達(dá)到閾值，MCU將直接進(jìn)入EM2并定時(shí)等待；如果緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進(jìn)入EM0_2，耗電流短時(shí)間內(nèi)達(dá)到IEM0_2，對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)到SD卡上，存儲(chǔ)完畢后進(jìn)入EM2。運(yùn)行模式下使用到兩個(gè)不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣任務(wù)和SD卡存儲(chǔ)任務(wù)對(duì)運(yùn)算能力的不同需求來(lái)決定，將任務(wù)的平均功耗最優(yōu)化。

圖1 基于Zero Gecko系列的動(dòng)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(dòng)態(tài)心電記錄儀執(zhí)行不同任務(wù)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(cè)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(shè)備的MCU選型案例

血氧飽和度的監(jiān)測(cè)是了解人體心血管生理狀況的重要手段[12]，設(shè)計(jì)一款腕帶式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀，設(shè)計(jì)目標(biāo)：基于反射式光電容積脈搏波的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、連續(xù)地檢測(cè)人體動(dòng)脈血的血氧飽和度；對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行處理、分析，計(jì)算得到心率和呼吸頻率這兩個(gè)重要的生理參數(shù)[13]；當(dāng)用戶的血氧飽和度或心率超出正常預(yù)定范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)功能規(guī)劃，腕戴式

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

(1) 高能效，即低運(yùn)行功耗、超低休眠功耗和較高的運(yùn)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(shè)為200Hz；

(3) USB控制器，需要通過(guò)USB接口燒寫(xiě)程序或與主機(jī)通訊。

綜合考慮了該設(shè)備對(duì)MCU性能、功耗以及外設(shè)所提出的要求，可以分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行MCU選型：

(1) 結(jié)合前文對(duì)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(zhǎng)時(shí)間采樣的需求；

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

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文將市場(chǎng)上典型的低功耗MCU系列進(jìn)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(shè)備的開(kāi)發(fā)。設(shè)備開(kāi)發(fā)者當(dāng)密切關(guān)注其發(fā)展動(dòng)向，結(jié)合現(xiàn)有的市場(chǎng)需求、產(chǎn)品體系的構(gòu)建和升級(jí)換代的規(guī)劃等因素進(jìn)行合理分析，抉擇出適合自身產(chǎn)品的MCU型號(hào)。繼而針對(duì)特殊醫(yī)療監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求，為MCU系統(tǒng)制定最優(yōu)化的低功耗策略，從而開(kāi)發(fā)出價(jià)格親民、性能優(yōu)越的設(shè)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