集成型精密混合信號微控制器配合便攜IK療感測應用增長

摘要：降低醫療支出推動了門診及家庭保健的需要，能夠收集、分析及記錄病患血糖水平、心電圖(ECG)及脈搏血氧測量值等數據的體戴便攜醫療感測設備的需求變得更高。此類系統的設計人員需要低功耗、可重新配置的設備，提供常見的32位內核，同時集成精密的混合信號及模擬性能。

關鍵詞：便攜醫療；感測應用；微控制器；混合信號

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用。諸如通用串行總線(USB)及液晶顯示器(LCD)驅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用，而片外元器件數量極少。

挑選處理器

近年來，由于需要具備集成力及集成最新技術和功能，導致所有終端市場的電子產品在重新設計(design re-spin)前的平均壽命大幅縮短。ARMCoretex-M3等內核支持在平臺與新迭代現有設計之間，透過直接的軟件變更而非從頭開始(ground up)的固定設計，進行簡單的移植。ARM Cortex-M3這樣的32位架構標準內核也能更好符合當前及下世代便攜醫療設備設計日漸增多的運算及連接要求。透過結合這類內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備設計的焦點，而在小外形因數條件下渴求結合可移植性與數量日漸增多之功能已經成為醫療市場的趨勢。在電池技術沒有飛越的情形下，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，已經滋生不少挑戰。這導致便攜設備制造商耗費相當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、技術及功能。

在醫療感測應用的微控制器案例中，多種工作模式能夠幫助實現大幅節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備每天僅有約s分鐘時間處在“導通”狀態，一枚鈕扣電池可以用很多個月甚至是數年。例如，安森美半導體專門設計用于醫療領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核以1MHz頻率運行的工作狀態下僅消耗不到1mA的電流，待機模式下電流消耗約為26μA，而以實時頻率工作的休眠模式下電流消耗不到750nA。在典型的血糖儀應用中，在處理器內核每天以8MHz(等同于10DMIPS)工作5分鐘的情形下，Q32M210采用單個電池可以工作超過630天。

集成的綜合優勢

便攜精密感測醫療設備市場也已經幫助推動在單個元器件中集成盡可能多功能的潮流。此類集成的優勢包括減少元器件總數量、降低印制電路板(PCB)復雜度、降低系統總成本及減小系統尺寸。

先進的混合信號技術令集成型微控制器設計人員能夠在同一塊芯片上以極近的間距可靠地結合模擬與數字功能。同樣以(132M210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據)、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／數字及數字／模擬轉換)、片上脈寬調制(PWM)、靈活的頻率及I／O(包括各種數據及顯示接口)等元器件。

集成還提供其它重要優勢。如因要布設的元器件數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塊之間的互連實現有效的片上硬聯機并封裝在微控制器的封裝內來提高的。在欠缺集成度的設備設計中，外部元器件不計其數，PCB走線互連及焊接點會帶來潛在的可靠性弱點。

栩度，可靠性及準確度

除了上面所述的集成型設計提供的可靠性。內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期間確定性的、可預測的特性。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3.6V到1.8V)內持續地為前端和提供輸入欠壓保護的電源監控器供電，均增強了集成型精密混合信號微控制器的可靠性。

醫療感測應用的準確度至關重要，因為如果憑借／不憑借病患本身或專業醫療人士提供的不準確或破壞的數據，病患的健康就會受到不利影響。設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。為了維持程序代碼及記錄的病患數據的完整性，可以片上集成錯誤檢測及校正電路，從而監視閃存。這樣在檢測到雙位或更多位的錯誤時，就能校正-單一位(sigle-bit)錯誤，并觸發告警。

就血糖儀等重要醫療感測應用而言，結合16位模擬至數字轉換器(ADc)及32位微控制器，能夠提供所要求的總體精度等級。然而，對于設計人員而言，重要的是意識到ADc的有效位數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確度的工作，就進一步預要求準確、工廠校準的電壓參考。

加速及簡化開發

近年來，提供全面及低成本評估板和開發工具的微控制器制造商數量大幅增加。工程師面臨產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品設計中采用復雜元器件，元器件選擇變成重要一環。

采用已獲證明的可編程肉核及可配置前端構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勢將能藉可用的開發硬件及軟件工具進一步增強。當利用源自像ARM這類供貨商的內核時，設計人員能夠獲得豐富的軟件支持，如系統韌體及帶源代碼的庫。設計人員通常還可以獲得包括可以下載的USB演示及支持在開發環境外進行程序設計的獨立燒寫工具(flashloader)等其它資源，使其工作任務更加簡單直接，并減少耗用的時間。

結論

要使便攜醫療感測設備設計人員能夠實現他們的新設計，需滿足多種因素。諸如開發時間及成本等商業壓力，再加上準確度、可靠性、尺寸及靈活性等技術要求，讓設計人員面臨棘手挑戰。采用標準32位內核并集成可配置模擬前端及外設支持等豐富多樣功能的低功率混合信號微控制器，已經被證明是此終端市場持續發展的一項關鍵。