可穿戴医疗是最被业内人士看好的可穿戴设备应用,随着互联网技术的应用扩大,智能医疗也将逐渐走向人们身边。然而,对于可穿戴医疗设备的设计依然存在众多技术难题,如何实现设备的低功耗特性、便携性以及稳定性仍然是技术人员需要解决的首要问题。
 
MCU可以充分满足大多数可穿戴设备的需求,此外,最新MCU可在单个芯片中集成大部分功能,这对降低可穿戴设备的整体尺寸和BOM成本都具有重要作用。可以说,MCU直接决定了设备的整体性能。有鉴于此,笔者专门整合了10款主流的可穿戴医疗MCU。

一、Silicon labs efm32 gecko构造超低功耗系统(排名不分先后顺序)

Silicon Labs 非常看好物联网的广阔的市场前景,这是Silicon Labs 全力以赴的领域;而且针对可穿戴设备和智能家居领域都有一系列的优质产品推出,去年年底还推出了一款新的SoC,它将具有超低功耗,支持并集成Zigbee、蓝牙等多种协议标准,非常适合应用于可穿戴医疗等物联网产品。

 

特点:

·高达 128 kB 的闪存和 16 kB RAM 内存

·多达 90 个 GPIO,驱动强度为 20 mA

·灵活的能耗管理系统,5 个不同能耗模式

·硬件 AES,128/256 位加密和解密

·适用于自主运行的周边反射系统

·超低功耗的精度和模拟外围设备

·具有高达 16 Mbps 的 UART 和 SPI 模式的 USART

·具有 100 nA 接收模式的低能耗 UART

·具有比较/捕获功能的 16 位定时器/计数器

Silicon Labs 的 EFM32 Gecko 32 位微控制器 (MCU) 系列包括 25 设备,这些设备具有高达 128 kB、8–16 kB RAM 的闪存,以及速度高达 32 MHz 的 CPU 的配置。基于强大的 ARM Cortex-M3 内核,Gecko 系列采用创新低能耗技术,节能模式唤醒时间缩短,可搭配各种外围设备,是电池驱动应用及其他需要高性能和低功耗系统的理想选择。
2015慕尼黑上海电子展领先展商-Silicon Labs

二、意法半导体首款M0+ MCU STM32L0,挑战对手的杀手锏

今年,ST发布了一款新系列32位通用微控制器产品,此系列产品将大幅延长医疗保健设备的电池使用寿命。STM32L0超低功耗系列微控制器基于32MHz ARM Cortex M0+处理器内核,内置12位模数转换器(ADC) 和USB FS 2.0无晶振型解决方案。

 

新系列STM32微控制器让客户能够取得前所未有的低功耗,整合高能效的ARM Cortex-M0+内核、优化架构、电源管理模式、超低功耗外设、支持节能型USB功能、独有的超低功耗制造工艺。
此产品的内部模数转换器树立了一个新的低功耗标准,在100ksps转换速率时,模数转换器耗电仅为40μA,在1.14Msps时,功耗仅升至200μA。结合处理器内核的优异能效和外设的超低功耗,新系列微控制器将降低健身追踪器(fitness tracker)和家用烟火检测器(smoke detector)等非充电电池供电设备的电池更换率,节省终端用户的支出和废旧电池对环境的影响。例如,使用一枚非充电型硬币电池的健身追踪器,在改用STM32L0后,使用寿命可长达2年。

 

此系列微控制器的另一大优势是,能够让设备制造商设计出电池更小的终端产品,从而缩减产品尺寸、降低产品价格。例如,血糖计以及产品种类不断增加的便携式医疗仪器和健身器材。此外,新系列产品采用意法半导体独有的CMOS制造工艺,不仅提供嵌入式EEPROM存储器,而且在25°C - 125°C工作温度范围内,取得了业内功耗变化最小的成绩,创下高温环境内功耗新低。
2015慕尼黑上海电子展领先展商-意法半导体(ST)

三&四、瑞萨适用于可穿戴式血压监视仪的两款MCU

血压监视仪作为电子医疗产品的代表,近年来在众多家庭中迅速普及。随着上臂式血压监视仪的广泛普及,可以轻松测量的手腕式血压监视仪的需求也日益增加,而装置的小型化、电池的高寿命化就变得尤为必要。此外,为了测量数据的共享,以及在哪儿都可以调出数据,就必须加强电脑或手机与USB / Bluetooth使用的通信功能,向泛网社会发展。

 

根据电池的高寿命化,或装置的小型化可以降低所需电池的数量,因此需要低功耗。瑞萨拥有丰富的MCU产品线,其中,R8CLx 内置LCD低功耗的8位MCU,R8C/Lx系列内置LCD驱动控制电路。它继承了R8C/3x系列产品的很多外围功能(如多功能定时器和各种通信功能) 以及38000/740和 H8/300L超低功耗系列产品中简便易用的LCD驱动控制电路。

 

78K0R / LX3微控制器是16位单片机微控制器。它包括78K0R CPU核心和外围功能器件如ROM/RAM,LCD控制器/驱动器,A/D,D/A转换器,运算放大器,多功能的串行接口,多功能定时器,实时计数器,和看门狗定时器。
这两款MCU均内置了LCD驱动控制电路,可实现低功耗,并包含了血压监视仪所需的外围功能,减少了传统血压监视仪的外置器件,进一步降低了设计成本。
2015慕尼黑上海电子展领先展商-瑞萨电子(中国)

五、ADI可穿戴无线心电监护仪精密模拟MCU

传统心电监护仪通常需要随身携带记录监视仪,放在靠近病人颈部或腕部的口袋里,而无线心电图监视仪的噪声和干扰大大降低,尺寸减小到甚至可以安装在电极背面,能够提供比传统方案更精确的信号。这种电路价格便宜,且能够提供诊断质量的1导联心电图迹线,驱动腿免除了对 60 Hz陷波滤波器的需求。所有的电路都能穿戴在衣服内,因此患者舒适度和隐私度大幅提高。

 

ADI的精密模拟MCU——ADuC7026在单芯片内集成1 MSPS、12位、多通道高性能ADC的数据采集系统以及16/32位MCU和Flash/EE存储器。其中,ADC具有多达12个单端输入通道,另外还有4个ADC输入通道也可以和4个DAC的输出引脚复用;MCU内核是ARM7TDMI,它是一个16位/32位RISC机器,其最高性能峰值高达41 MIPS。片内集成有8KB的SRAM和62KB非易失性Flash/EE存储器。低功耗,高集成等特性,使得ADuC7026这款高精度MCU十分适合作为无线心电图监视仪的控制中枢。
ADuC7026功能框图
2015慕尼黑上海电子展领先展商-亚诺德半导体(上海)

六&七、飞思卡尔用于可穿戴无线医疗保健贴片的两款MCU

可穿戴型无线贴片是一款一体化监测工具, 可测量心率、呼吸模式和其他生命体征。该贴片适用于临床和个人医疗保健应用。贴片型医疗保健产品可增加患者的移动性和舒适性,并可将生命体征数据无线上传 至云端,用于实时分析或长期保存记录。飞思卡尔为该应用提供了丰富的低功耗、低成本MCU解决方案:

 

Kinetis KL1x系列ARM Cortex-M0+ MCU具备超低功耗的性能,还配备了丰富的模拟、通信、定时和控制外设,并和基于ARM CortexTM-M4核的Kinetis K10 MCU系列兼容。
带有集成模拟前端的Kinetis K50 ARM Cortex-M4微控制器。K50微控制器具备超低功耗的设计,集成了电容式触摸感应硬件等重要外设,能够满足医疗保健设备的各种要求。 除了上述特性以外,该器件还集成了支持DSP指令、符合行业标准的高性能32位ARM Cortex-M4 CPU,隶属于一个配备32KB至1MB集成式闪存的器件系列。
Kinetis K50功能方框图
2015慕尼黑上海电子展领先展商-飞思卡尔(中国)

八、TI MSP430FG47x可穿戴医疗的理想选择

德州仪器 (TI)致力于为未来医疗电子领域带来革命性变革,以提高医疗设备质量与易用性。TI 正在努力推进创新医疗电子设备的创新,不断提高灵活性与易用性,努力降低成本

 

TI MSP430FG47x 超低功耗微处理器(MCU)产品系列,充分满足工程师对可提供低功耗、高性能以及有针对性外设集成等特性的 MCU的需求,帮助他们迅速高效地开发具有可靠性、便捷性以及低成本等优势的医疗设备。FG47x MCU 实现了完整信号链的片上集成,不但可降低设计复杂性,而且还可显着节省空间与成本。这些器件将帮助开发人员改进医疗服务质量与产品易用性,满足血糖计、数字体表、脉搏血氧计以及血压/心率监测器等多种产品的需求。
MSP430FG47x 的主要特性与优势:
·片上集成了完整的信号链,包括两个可配置的运算放大器、12 位数模转换器 (DAC)、比较器以及 16 位模数转换器 (ADC),不但可缩减板级空间与物料清单成本,而且还可加速产品上市进程;

·16 位 Σ 型 ADC,可满足应用对高分辨率信号转换的需求;

·支持对比度控制的 128 段 LCD 驱动器可实现方便的诊断显示;

·提供多种存储器选择:高达 60KB 的闪存与 2KB 的 RAM,可充分满足便捷的可编程性需求;

·MSP430 MCU 的超低功耗提高了便携性,电池使用时间长达 20 年以上;

·MSP430 MCU的集成智能外设可提供高性能,实现了非工作状态下零功耗;

·两种封装选项可充分满足各种印制电路板 (PCB) 的尺寸要求:80 引脚 QFP 或 113 焊球 BGA,大小仅为 7.1 毫米 x 7.1 毫米。

FG47x 器件是 TI 针对医疗应用的各种 MCU 产品系列中的最新成员。TI 可提供全系列嵌入式处理以及互补型模拟解决方案,帮助设计人员创建具有更高灵活性与便捷性的低成本医疗产品,从而改进诊断并提高易用性。TI MCU 解决方案的超低功耗可提高便携性,实现更轻松的慢性疾病监护与治疗。

九、美信用于生命体征监测服低功耗MCU

生命体征监测服(Fit)使专业医护人员和迫切想要了解自身健康状况的用户能够以低成本频繁监测各项体征指标。高度集成的监护服设计可用于测量三导联心电图(ECG)、体温和运动状态。所有诊断工具均已集成到衬衫内部,不会影响穿着舒适度。

 

该新型智能监护服集成了干电极ECG测量技术、复杂的信号处理技术、温度传感器、运动传感器、超低功耗微控制器及无线通信单元,是Maxim Integrated、Clearbridge VitalSigns和Orbital Research三家公司在经验、技术、创新层面积极合作的成果。

 

其中,由美信推出的具有红外模块和USB 功能的16位MCU——MAXQ622,包含低功耗、高吞吐率、16位的RISC架构,128KB闪存和6KB数据SRAM,并具备超低功耗停止模式(0.3μA,典型值)。该模式下,只有少数电路保持供电。唤醒源包括外部中断、电源失效中断以及定时器中断。微控制器工作在1.70V至3.6V宽工作电压范围,也可通过USB供电。
MAXQ622原理图

十、Mircochip用于电离子渗入贴片设备的MCU

尼古丁贴片、防晕贴片是被大众所熟悉的可穿戴式产品,这类产品为新一代电子产品奠定了基础。其中,电离子渗入贴片是新一代电子产品中新兴的应用。

 

随着电子技术及低价、高效能MCU的发展,生产低成本的一次性药物分配器已成为可能;许多消费者已在使用自助式电离子渗入产品,但是设计人员在设计电离子渗入贴片设备时面临了许多挑战,其中,最大的挑战在于将关键电子元件制成可穿戴式组件,该组件在使用1次后就可能被丢弃,于是,贴片电子元件必须相当低价。

 

设备必须产生足够的电压,并在规定的一段时间内维持特定注入剂量所需的电流,才能使药物透过皮肤完成注入。升压稳压器用于将电池的低电压升高到足够的准位,进而让所需电流通过皮肤。可使用成本低廉的钮扣式锂电池或者碱性电池为电子贴片元件供电。要同时满足成本和功能要求,则需要小巧又高度集成的 MCU。

 

Microchip的8位MCU——PIC12F1822 就可用于这种设备,其具有内部10位ADC、固定参考电压、比较器、PWM、硬件计时器和EEPROM,可满足设计的集成要求。固定参考电压可消 除对稳压器或外部参考电压源的需求,并使设计保持在8接脚MCU范畴内,以降低成本并缩小电路板尺寸。
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