集成型混合信號(hào)微控制器配合便攜醫(yī)療感測(cè)應(yīng)用增長(zhǎng)

注重精密性能及靈活性、軟件可重配置的傳感器接口代表能夠藉軟件配合寬范圍的應(yīng)用。諸如通用串行總線(USB)及液晶顯示器(LCD)驅(qū)動(dòng)器等多種接口確保此方案能夠快速地集成至寬范圍的高性?xún)r(jià)比應(yīng)用，而片外元器件數(shù)量極少。
挑選處理器
近年來(lái)，由于需要具備集成力及集成最新技術(shù)和功能，導(dǎo)致所有終端市場(chǎng)的電子產(chǎn)品在重新設(shè)計(jì)(design re-spin)前的平均壽命大幅縮短。ARM Coretex-M3等內(nèi)核支持在平臺(tái)與新迭代現(xiàn)有設(shè)計(jì)之間，透過(guò)直接的軟件變更而非從頭開(kāi)始(ground up)的固定設(shè)計(jì)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的移植。ARM Cortex-M3這樣的32位架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核也能更好符合當(dāng)前及下世代便攜醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)日漸增多的運(yùn)算及連接要求。透過(guò)結(jié)合這類(lèi)內(nèi)核及軟件可配置的模擬前端，微控制器的可擴(kuò)展性及靈活性得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。
將功率需求降至最低
過(guò)去十年來(lái)，可移植性是眾多電子設(shè)備設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)，而在小外形因數(shù)條件下渴求結(jié)合可移植性與數(shù)量日漸增多之功能已經(jīng)成為醫(yī)療市場(chǎng)的趨勢(shì)。在電池技術(shù)沒(méi)有飛越的情形下，渴求增加功能、減小總體尺寸同時(shí)還維持可接受及可行的電池壽命水平，已經(jīng)滋生不少挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致便攜設(shè)備制造商耗費(fèi)相當(dāng)多時(shí)間及資源來(lái)確保他們的元器件使用具有更高能效的架構(gòu)、技術(shù)及功能。
在醫(yī)療感測(cè)應(yīng)用的微控制器案例中，多種工作模式能夠幫助實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能及延長(zhǎng)電池充電或換電池間隔的時(shí)間。工作(active)、待機(jī)(standby)及休眠(sleep)模式下消耗的電流電平必須依次降低，血糖儀這樣的便攜感測(cè)設(shè)備每天僅有約5分鐘時(shí)間處在“導(dǎo)通”狀態(tài)，一枚鈕扣電池可以用很多個(gè)月甚至是數(shù)年。例如，安森美半導(dǎo)體專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于醫(yī)療領(lǐng)域便攜精密感測(cè)操作的Q32M210精密混合信號(hào)微控制器在處理器內(nèi)核以1 MHz頻率運(yùn)行的工作狀態(tài)下僅消耗不到1 mA的電流，待機(jī)模式下電流消耗約為26 µA，而以實(shí)時(shí)頻率工作的休眠模式下電流消耗不到750 nA。在典型的血糖儀應(yīng)用中，在處理器內(nèi)核每天以8 MHz(等同于10 DMIPS)工作5分鐘的情形下，Q32M210采用單個(gè)電池可以工作超過(guò)630天。
集成的綜合優(yōu)勢(shì)
便攜精密感測(cè)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)也已經(jīng)幫助推動(dòng)在單個(gè)元器件中集成盡可能多功能的潮流。此類(lèi)集成的優(yōu)勢(shì)包括減少元器件總數(shù)量、降低印制電路板(PCB)復(fù)雜度、降低系統(tǒng)總成本及減小系統(tǒng)尺寸。
先進(jìn)的混合信號(hào)技術(shù)令集成型微控制器設(shè)計(jì)人員能夠在同一塊芯片上以極近的間距可靠地結(jié)合模擬與數(shù)字功能。同樣以Q32M210為例，除了中央微控制器，還有可能集成像閃存及SRAM(用于儲(chǔ)存用戶(hù)及程序數(shù)據(jù))、電源管理電路(用于將能效提升至最高)、傳感器接口及模擬前端(模擬/數(shù)字及數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換)、片上脈寬調(diào)制(PWM)、靈活的頻率及I/O(包括各種數(shù)據(jù)及顯示接口)等元器件。
集成還提供其它重要優(yōu)勢(shì)，如因要布設(shè)的元器件數(shù)量減少而簡(jiǎn)化封裝及提升可靠性等。可靠性是透過(guò)集成功能的不同區(qū)塊之間的互連實(shí)現(xiàn)有效的片上硬聯(lián)機(jī)并封裝在微控制器的封裝內(nèi)來(lái)提高的。在欠缺集成度的設(shè)備設(shè)計(jì)中，外部元器件不計(jì)其數(shù)，PCB走線互連及焊接點(diǎn)會(huì)帶來(lái)潛在的可靠性弱點(diǎn)。
精度、可靠性及準(zhǔn)確度
除了上面所述的集成型設(shè)計(jì)提供的可靠性，內(nèi)嵌式電源管理功能也幫助提高可靠性，并提供電池壽命存續(xù)期間確定性的、可預(yù)測(cè)的特性。集成型電荷泵能夠在較寬并可能波動(dòng)的輸入電壓范圍(如從3.6 V到1.8 V)內(nèi)持續(xù)地為前端和提供輸入欠壓保護(hù)的電源監(jiān)控器供電，均增強(qiáng)了集成型精密混合信號(hào)微控制器的可靠性。
醫(yī)療感測(cè)應(yīng)用的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，因?yàn)槿绻麘{借/不憑借病患本身或?qū)I(yè)醫(yī)療人士提供的不準(zhǔn)確或破壞的數(shù)據(jù)，病患的健康就會(huì)受到不利影響。設(shè)備本身必須在其長(zhǎng)使用壽命期間可靠工作，確保測(cè)量沒(méi)有失準(zhǔn)。為了維持程序代碼及記錄的病患數(shù)據(jù)的完整性，可以片上集成錯(cuò)誤檢測(cè)及校正電路，從而監(jiān)視閃存。這樣在檢測(cè)到雙位或更多位的錯(cuò)誤時(shí)，就能校正單一位(single-bit)錯(cuò)誤，并觸發(fā)告警。

就血糖儀等重要醫(yī)療感測(cè)應(yīng)用而言，結(jié)合16位模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)及32位微控制器，能夠提供所要求的總體精度等級(jí)。然而，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，重要的是意識(shí)到ADC的有效位數(shù)可能會(huì)被非線性及噪聲問(wèn)題所折衷。集成型混合信號(hào)微控制器要提供高總體準(zhǔn)確度的工作，就進(jìn)一步預(yù)要求準(zhǔn)確、工廠校準(zhǔn)的電壓參考。

加速及簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，提供全面及低成本評(píng)估板和開(kāi)發(fā)工具的微控制器制造商數(shù)量大幅增加。工程師面臨產(chǎn)品要比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更快推出市場(chǎng)的壓力，能夠加速及簡(jiǎn)化在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜元器件，元器件選擇變成重要一環(huán)。

采用已獲證明的可編程內(nèi)核及可配置前端構(gòu)建的精密混合信號(hào)微控制器，其靈活性、可擴(kuò)展性及可移植性?xún)?yōu)勢(shì)將能藉可用的開(kāi)發(fā)硬件及軟件工具進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)利用源自像ARM這類(lèi)供貨商的內(nèi)核時(shí)，設(shè)計(jì)人員能夠獲得豐富的軟件支持，如系統(tǒng)韌體及帶源代碼的庫(kù)。設(shè)計(jì)人員通常還可以獲得包括可以下載的USB演示及支持在開(kāi)發(fā)環(huán)境外進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的獨(dú)立燒寫(xiě)工具(flashloader)等其它資源，使其工作任務(wù)更加簡(jiǎn)單直接，并減少耗用的時(shí)間。

結(jié)論

要使便攜醫(yī)療感測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)他們的新設(shè)計(jì)，需滿足多種因素。諸如開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本等商業(yè)壓力，再加上準(zhǔn)確度、可靠性、尺寸及靈活性等技術(shù)要求，讓設(shè)計(jì)人員面臨棘手挑戰(zhàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)32位內(nèi)核并集成可配置模擬前端及外設(shè)支持等豐富多樣功能的低功率混合信號(hào)微控制器，已經(jīng)被證明是此終端市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵。