根據穿戴式醫療設備低成本、高性能、高集成度和續航時間長的特點，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+內核的MCU系列適合該領域的產品開發。在功耗水平、運算性能、外設集成和產品成本等方面，進一步將各大半導體公司基于Cortex M0+內核的MCU系列展開參數對比，為穿戴式醫療設備的MCU選型提供指南。
　　近年來穿戴式醫療設備的市場需求在快速增長，將成為拉動經濟增長的一個創新型產業。根據艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中國移動醫療市場年度報告》顯示，在2012年我國移動醫療市場規模達到18.6億元，其中穿戴式醫療設備占4.2億元，較上一年增長20%。預計到2017年底，我國穿戴式醫療設備的市場規模將接近50億元，在未來十年內呈現急速增長的態勢。隨著市場需求的增長和產品的普及，穿戴式醫療設備正在往低成本、高性能、續航時間長和體積小的方向發展，這就對設備的控制核心——微控制器（MCU）提出了更苛刻的要求。可穿戴的趨向使得設備所選用的MCU必須具有低成本、低功耗、高運算能力、高集成度的特質，否則將會被市場和用戶淘汰。

　　1 穿戴式醫療設備的簡介
　　穿戴式醫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、長時間監測的優點。這類設備可隨時隨地長時間監測人體生理狀況，已經廣泛應用于慢性疾病監測、家庭護理保健、睡眠質量監測等方面，有利于實現慢性、隱性疾病的早發現、早診斷、早治療。
　　1.1 穿戴式醫療設備的應用
　　在市場和用戶的追捧熱潮下，各種穿戴式醫療設備的解決方案和新產品層出不窮，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型動態血壓監測儀，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無創性動態血壓監測。美國Medtronic公司推出的血糖實時連續監測系統（CGMS）可以連續工作3d，僅需將檢測探頭貼在患者腹部，每10s會對皮下間質液里的葡萄糖濃度進行測量，并將獲得的數據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，僅需套在手指上即可實時監測用戶的血氧飽和度和心率，可靠性堪比體溫計或血壓計。這些產品都體現了區別于常規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、醫護人員和數據系統；③續航時間長；④安全可靠。
　　1.2 穿戴式醫療設備的需求分析
　　為了滿足穿戴式醫療設備在功耗、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，低功耗可以提高續航能力，高運算能力有利于在片上運行復雜算法和數據處理。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穩定性。
　　2 典型低功耗MCU系列的比較
　　各大半導體公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，紛紛推出適用于穿戴式醫療設備的中低端MCU系列。表1和表2將16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展開對比，8 bitMCU不在比對列表中。這是因為8 bit MCU已經不適合穿戴式醫療設備的發展趨勢，其市場也正被ARM Cortex-M系列內核的MCU蠶食。
　　表1重點比較了16 bit/32 bit內核的性能差別，32bit的內核在運算效率方面全面超越16 bit 的內核，意味著當穿戴式醫療設備需要在片上執行數據處理和復雜算法時，Cortex-M系列內核的32 bit MCU更具優勢。表2則將典型的低功耗MCU展開能效對比，可以發現16 bit MCU在低功耗方面的優勢已不明顯，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內核的STM32L系列相差無幾。而32 bit MCU在休眠狀態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。
　

　　Tab.2 The comparison of energy-efficiency between typical low-power MCUs
　　基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析
　　注： (1) 對于表1的MCU系列具體型號的測試報告，所挑選的型號片上配置相近，Flash容量均為64 kB；
　　(2) 常溫條件+25 oC，所有外設關閉，程序從Flash運行；MCU供電電壓除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均為3.0 V；各型號的測試結果均為當前主頻下的最佳配置；
　　(3) 休眠功耗的測試標準：片內主時鐘和所有外設關閉，RTC打開，保留RAM。
　　綜合表1和表2可見，Cortex-M系列內核的32 bitMCU在功耗水平上已經做到與傳統8 /16 bit MCU相當，而在運算效率上優勢明顯，更適合那些對任務和算法有較高要求的穿戴式醫療設備。
　　3 基于Cortex-M0+內核的MCU選型分析
　　3.1 Cortex M系列內核的對比
　　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。當傳統的8/16 bit MCU在性能、功能上表現越來越乏力時，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0內核。Cortex-M0內核以優異的表現擊敗了傳統的8bit 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的數據可知，三者內核性能的排序為M3>M0+>M0，運行功耗的排序為M3>M0>M0+，即M0+內核的能效高于M0，運算性能僅次于M3。由于M0+在價格方面比M3有優勢，故更適合于執行低成本、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+內核的MCU最為合適。
　　3.2 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列
　　各大MCU生產廠商結合自身的優勢對Cortex-M0+內核加以整合優化，在功耗、性能和外設方面各有所長。表3列舉了市場上M0+內核的主流MCU系列，并結合穿戴式醫療設備的需求進行分析。
　　表3 基于Cortex M0+內核的主流MCU系列

　　Tab.3 The mainstream MCU series based on Cortex-M0+ architecture
　　基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析
　　注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵蓋Cortex-M系列所有內核的產品線，Cortex-M系列MCU的中國市場在2012年達到1.68億美元，其中ST以35%的市場份額居于首位，而NXP位居第二占有32%；
　　(2) Silicon Labs于2013年收購了專攻低功耗領域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的優點。
　　上述Cortex M0+內核的MCU 系列可為穿戴式醫療設備開發者提供多種選擇，而具體的MCU型號要根據設備的實際需求來決定。在同一系列里，MCU的最高主頻、內核效率、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條主要的產品線，差異就體現在一些特殊的集成外設，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰當地選用這些高集成度的MCU有助于減少外部芯片的個數，可降低系統成本和功耗。因此，片上集成資源的種類、數量、功耗和性能，都是決定MCU選型的重要參考因素。
　　表4 STM32L0系列的3條產品線

　　Tab.4 Three product lines of STM32L0 series
　　基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析
　　3.3 MCU系統的低功耗策略
　　Cortex M0+內核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和靈活的休眠模式，為穿戴式醫療設備的開發提供了優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，將是設備開發者的重要任務。MCU系統的低功耗策略決定了設備的性能和續航時間，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，針對特定的任務，選擇適合系統運行的時鐘頻率，迅速完成復雜的任務爭取更多的休眠時間；
　　(2) 選擇恰當的休眠模式和休眠時間；
　　(3) 進入休眠模式時， 將未用到的外設以及時鐘關閉；
　　(4) 優化任務的時間片，將平均功耗降到最低。
　　圖1 展示了基于表3的Zero Gecko系列設計的動態心電記錄儀的低功耗策略，MCU系統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，采樣完畢后將數據暫存在RAM中；如果緩存的數據量沒有達到閾值，MCU將直接進入EM2并定時等待；如果緩存的數據量達到閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進入EM0_2，耗電流短時間內達到IEM0_2，對緩存數據進行處理并存儲到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化。
　　基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析

　　圖2 動態心電記錄儀執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
　　4 穿戴式醫療設備的MCU選型案例
　　血氧飽和度的監測是了解人體心血管生理狀況的重要手段，設計一款腕帶式血氧飽和度監測儀，設計目標：基于反射式光電容積脈搏波的測量方法，實現無創、連續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；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。
　　基于ARM Cortex-M0+內核的穿戴式醫療設備MCU選型分析
　　圖3 腕帶式血氧飽和度監測儀的功能框圖
　　Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry
　　根據設計方案和目標進行系統功能規劃，腕戴式血氧飽和度監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) 結合前文對不同內核的分析，選擇低功耗、高性能的Cortex-M0+內核；
　　(2) 根據Cortex M0+內核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，根據現有的MCU系列和設備的切實需求，做出最恰當的抉擇。