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，所選用的超低功耗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。
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。
(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。
3.1 Cortex M系列內核的比照
Cortex-M系列中低功耗成員有M3、M0和M0+，是ARM公司針對那些對本錢靈敏、一起對能效有較高要求的使用而規劃的。當傳統的8/16 bit MCU在功能、功能上體現越來越乏力時，ARM公司于2009年推出了低本錢、低功耗、高能效的Cortex-M0內核。Cortex-M0內核以優異的體現打敗了傳統的8bit MCU，成功殺入低端的MCU商場。在這關鍵下，ARM公司于2012年相應合適地推出M0的升級版——M0+，在能效和功能上作進一步的優化和增設，以超低的能耗供給更快的使命處理才能。
三者內核功能的排序為M3>M0+>M0，運轉功耗的排序為M3>M0>M0+，即M0+內核的能效高于M0，運算功能僅次于M3。因為M0+在價格方面比M3有優勢，故更合適于履行低本錢、高能效的使命。歸納可知，那些對功耗有嚴苛要求、運算處理使命較雜亂、且需求操控本錢的設備挑選M0+內核的MCU最為適宜。
3.2 根據Cortex M0+內核的干流MCU系列
各大MCU出產廠商結合本身的優勢對Cortex-M0+內核加以整合優化，在功耗、功能和外設方面各有所長。表3列舉了商場上M0+內核的干流MCU系列，并結合穿戴式醫療設備的需求進行剖析。
注：(1) ST公司和NXP公司都建立了包括Cortex-M系列一切內核的產品線，Cortex-M系列MCU的中國商場在2012年到達1.68億美元，其間ST以35%的商場份額居于首位，而NXP位居第二占有32%；
(2) Silicon Labs于2013年收買了專攻低功耗范疇的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的長處。
上述Cortex M0+內核的MCU 系列可為穿戴式醫療設備開發者供給多種挑選，而詳細的MCU類型要根據設備的實踐需求來決議。在同一系列里，MCU的最高主頻、內核功率、功耗情況都是共同的，詳細類型之間的不同在于片上資源。如表4所示，STM32L0系列分為3條首要的產品線，差異就體現在一些特別的集成外設，如DAC、USB操控器和LCD操控器。恰當地選用這些高集成度的MCU有助于削減外部芯片的個數，可下降體系本錢和功耗。因而，片上集成資源的品種、數量、功耗和功能，都是決議MCU選型的重要參閱要素。
3.3 MCU體系的低功耗戰略
Cortex M0+內核的MCU 系列兼具低功耗、高功能和靈敏的休眠形式，為穿戴式醫療設備的開發供給了優秀的渠道和電氣根底。但是，如安在堅持高功能的情況下，將使命的全體均勻功耗降到最低，將是設備開發者的重要使命。MCU體系的低功耗戰略決議了設備的功能和續航時刻，戰略的擬定需求從以下四個方面下手：
(1) 合理地操控MCU的時鐘體系，針對特定的使命，挑選合適體系運轉的時鐘頻率，敏捷完結雜亂的使命爭奪更多的休眠時刻；
(2) 挑選恰當的休眠形式和休眠時刻；
(3) 進入休眠形式時， 將未用到的外設以及時鐘封閉；
(4) 優化使命的時刻片，將均勻功耗降到最低。
展現了根據表3的Zero Gecko系列規劃的動態心電記錄儀的低功耗戰略，MCU體系使命的理論耗電流如圖2所示。其間，MCU首要在三個形式之間切換：運轉形式1(EM0_1)，運轉形式2(EM0_2)，深度睡覺形式(EM2)。平常MCU作業在EM2，高頻時鐘和外設封閉，耗電流為IEM2；當守時器產生中止時，MCU從EM2中喚醒，將進入EM0_1以f1主頻高速運轉，此刻耗電流為IEM0_1，一起發動A/D進行心電信號采樣，采樣結束后將數據暫存在RAM中；假如緩存的數據量沒有到達閾值，MCU將直接進入EM2并守時等候；假如緩存的數據量到達閾值，則MCU切換到更高的f2主頻進入EM0_2，耗電流短時刻內到達IEM0_2，對緩存數據進行處理并存儲到SD卡上，存儲結束后進入EM2。運轉形式下使用到兩個不同的主頻f1和f2，分別是由A/D采樣使命和SD卡存儲使命對運算才能的不同需求來決議，將使命的均勻功耗最優化。
圖1 根據Zero Gecko系列的動態心電記錄儀的低功耗戰略
Fig.1 The low-power strategy of the dynamic ECG recorder based on Zero Gecko series
圖2 動態心電記錄儀履行不同使命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選型事例
血氧飽和度的監測是了解人體心血管生理情況的重要手法，規劃一款腕帶式血氧飽和度監測儀，規劃方針：依據反射式光電容積脈息波的測量方法，完成無創、接連地檢測人體動脈血的血氧飽和度；對脈息波信號進行處理、剖析，核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訂規模時，會主動報警提示。
圖3 腕帶式血氧飽和度監測儀的功用框圖
Fig.3 The function block diagram of wrist-wearable pulse oximetry
依據規劃方案和方針進行體系功用規劃，腕戴式血氧飽和度監測儀的功用框圖如圖3所示。該設備超功耗MCU芯片的特殊要求有：
(1) 高能效，即低運轉功耗、超低休眠功耗和較高的運算功能；
(2) 低功耗芯片的ADC，采樣精度不低于10 bit，脈息波采樣頻率設為200Hz；
(3) USB控制器，需求經過USB接口燒寫程序或與主機通訊。
歸納考慮了該設備對低功耗MCU芯片功能、功耗以及外設所提出的要求，能夠分三個過程來進行MCU選型：
(1) 結合前文對不同內核的剖析，挑選低功耗、高功能的Cortex-M0+內核；
(2) 依據Cortex M0+內核MCU系列的橫向比較，挑選集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，滿意長期采樣的需求；
(3) 考慮到帶USB控制器的類型， 能夠挑選STM32L052C8作為設備的主控制器，然后到達在功能、功耗、本錢和體積方面的最佳平衡。
在實踐的MCU選型中要具體問題具體剖析，依據現有的MCU系列和設備的實在需求，做出最恰當的選擇。
