集成型混合信號微控制器配合便攜醫(yī)療感測應(yīng)用增長

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價比應(yīng)用，而片外元器件數(shù)量極少。
挑選處理器
近年來，由于需要具備集成力及集成最新技術(shù)和功能，導(dǎo)致所有終端市場的電子產(chǎn)品在重新設(shè)計(design re-spin)前的平均壽命大幅縮短。ARM Coretex-M3等內(nèi)核支持在平臺與新迭代現(xiàn)有設(shè)計之間，透過直接的軟件變更而非從頭開始(ground up)的固定設(shè)計，進行簡單的移植。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)計日漸增多的運算及連接要求。透過結(jié)合這類內(nèi)核及軟件可配置的模擬前端，微控制器的可擴展性及靈活性得到了進一步增強。
將功率需求降至最低
過去十年來，可移植性是眾多電子設(shè)備設(shè)計的焦點，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)療市場的趨勢。在電池技術(shù)沒有飛越的情形下，渴求增加功能、減小總體尺寸同時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)備制造商耗費相當(dāng)多時間及資源來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)療感測應(yīng)用的微控制器案例中，多種工作模式能夠幫助實現(xiàn)大幅節(jié)能及延長電池充電或換電池間隔的時間。工作(active)、待機(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設(shè)備每天僅有約5分鐘時間處在“導(dǎo)通”狀態(tài)，一枚鈕扣電池可以用很多個月甚至是數(shù)年。例如，安森美半導(dǎo)體專門設(shè)計用于醫(yī)療領(lǐng)域便攜精密感測操作的Q32M210精密混合信號微控制器在處理器內(nèi)核以1 MHz頻率運行的工作狀態(tài)下僅消耗不到1 mA的電流，待機模式下電流消耗約為26 µA，而以實時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采用單個電池可以工作超過630天。
集成的綜合優(yōu)勢
便攜精密感測醫(yī)療設(shè)備市場也已經(jīng)幫助推動在單個元器件中集成盡可能多功能的潮流。此類集成的優(yōu)勢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。
先進的混合信號技術(shù)令集成型微控制器設(shè)計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(用于儲存用戶及程序數(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，如因要布設(shè)的元器件數(shù)量減少而簡化封裝及提升可靠性等。可靠性是透過集成功能的不同區(qū)塊之間的互連實現(xiàn)有效的片上硬聯(lián)機并封裝在微控制器的封裝內(nèi)來提高的。在欠缺集成度的設(shè)備設(shè)計中，外部元器件不計其數(shù)，PCB走線互連及焊接點會帶來潛在的可靠性弱點。
精度、可靠性及準(zhǔn)確度
除了上面所述的集成型設(shè)計提供的可靠性，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)測的特性。集成型電荷泵能夠在較寬并可能波動的輸入電壓范圍(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的電源監(jiān)控器供電，均增強了集成型精密混合信號微控制器的可靠性。
醫(yī)療感測應(yīng)用的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，因為如果憑借/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)，病患的健康就會受到不利影響。設(shè)備本身必須在其長使用壽命期間可靠工作，確保測量沒有失準(zhǔn)。為了維持程序代碼及記錄的病患數(shù)據(jù)的完整性，可以片上集成錯誤檢測及校正電路，從而監(jiān)視閃存。這樣在檢測到雙位或更多位的錯誤時，就能校正單一位(single-bit)錯誤，并觸發(fā)告警。

就血糖儀等重要醫(yī)療感測應(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。然而，對于設(shè)計人員而言，重要的是意識到ADC的有效位數(shù)可能會被非線性及噪聲問題所折衷。集成型混合信號微控制器要提供高總體準(zhǔn)確度的工作，就進一步預(yù)要求準(zhǔn)確、工廠校準(zhǔn)的電壓參考。

加速及簡化開發(fā)

近年來，提供全面及低成本評估板和開發(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)品要比競爭對手更快推出市場的壓力，能夠加速及簡化在新產(chǎn)品設(shè)計中采用復(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)建的精密混合信號微控制器，其靈活性、可擴展性及可移植性優(yōu)勢將能藉可用的開發(fā)硬件及軟件工具進一步增強。當(dāng)利用源自像ARM這類供貨商的內(nèi)核時，設(shè)計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。設(shè)計人員通常還可以獲得包括可以下載的USB演示及支持在開發(fā)環(huán)境外進行程序設(shè)計的獨立燒寫工具(flashloader)等其它資源，使其工作任務(wù)更加簡單直接，并減少耗用的時間。

結(jié)論

要使便攜醫(yī)療感測設(shè)備設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)他們的新設(shè)計，需滿足多種因素。諸如開發(fā)時間及成本等商業(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微控制器，已經(jīng)被證明是此終端市場持續(xù)發(fā)展的一項關(guān)鍵。