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便攜式醫療設備正在改善提供給數百萬患者的醫療水平。血糖儀、心率監測儀、胃造影（GI）、無痛植入及許多其它設備為急慢性病癥患者的生活帶來福音。便攜式自動除顫器可以在緊急情況下拯救患者的生命。運動表能自動記錄使用者的心率，自動測量距離，計算步數，并可最大限度實現增氧運動的效果。未來更多用于醫療的創新產品，將大大提高醫療保健的效率。 實際上所有這些便攜式產品都需要一個低功耗的微控制器獲取來自使用者或操作人員的命令，提供信息和進行狀態更新。因為幾乎所有產品都是依靠電池運行，所以應重點考慮延長電池壽命。這些產品對電池壽命的要求不同，一般二到十年更換電池。此外，這些受空間限制的產品通常需要高度集成的模擬元件，將信號置于適當的條件下并轉換為數字形式，以對這些信號進行處理和轉換。 便攜式醫療設備對微控制器的需求給半導體公司帶來了挑戰。設計通常是在功能特性、規格和空間限制之間進行取舍，但是在便攜式醫療領域中很難進行這些取舍。便攜式醫療市場的要求往往是相互矛盾的：既要求多功能，又要求小巧；既要求高性能模擬，又要求低功耗；既要求高處理能力，又要求電池壽命長。這些產品需要有模擬數字轉換器（ADC）、可調增益、電源管理系統和液晶顯示器。 本文將討論醫療電子市場中的一些創新產品，醫療設備行業的普遍趨勢，以及如何應用片上系統微控制器改進未來的設備。 創新 得益于超低功耗、高度集成微控制器的推出，能減輕病痛、提高患者保健和生活質量的新產品大批量的走入市場當中。 Advanced Neuromodulation Systems公司是St. Jude Medical的一個子公司，該公司生產的Eon脊髓刺激器是一種治療慢性病痛的植入式設備（圖1）。它的工作原理是，植入設備將溫和的電脈沖發送到脊髓附近的傳導區域，當這些電脈沖穿過神經系統進入大腦時，可遮蓋或中斷痛覺，取而代之的是一種舒適的感覺，稱作“感覺異常”。 圖1. Eon脊髓刺激系統已被批準為治療軀干四肢慢性疼痛癥和腰椎手術失敗綜合癥（FBSS）的專業儀器。它的工作原理是：植入設備將溫和的電脈沖發送到脊髓附近的傳導區域，當電脈沖傳入大腦時可中斷疼痛信號。 最近推出的另一種比較有趣的設備是智能藥丸（圖2）。它的工作原理是：患者將其吞咽下去，就可監測胃腸道的情況。當智能藥丸經過胃腸道時，將數據自動傳輸到便攜式數據收集器中。與傳統胃腸道數據收集的方法相比，它的副作用更小，也更為方便。這種設備對小型化和電池壽命的具有極高的要求。 圖2. 智能藥丸：患者將其吞咽下去，監測胃腸道情況 智能藥丸胃腸道監測系統表明，包括RFID、ZigBee、802.15.4及其它專有協議的低功耗無線協議使醫療領域的創新上升到一個新水平。除了為病人設計的產品外，多家公司近來已發布了基于無線協議的資產跟蹤系統，用于跟蹤醫院設備和人員情況。 集成 具有板載微控制器的片上系統所提供的集成水平使便攜式醫療設備獲益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成提供小型空間里的更多容量，就不可能產生這么多小型便攜產品。 圖3是現代微控制器的結構圖，此微控制器可用作血糖儀或脈搏血氧儀等便攜式醫療產品的片上系統。集成的微控制器是運行這些設備所需的唯一集成電路。用于醫療設備的微控制器具備如下特征：
圖3. 現代微控制器結構圖 集成的優勢包括：電路板面積減小、生產成本較低、方便采購和功耗最小化。如果將閃存程序編輯到電路內，集成閃存卡和RAM內存條不僅可用作程序和數據存儲器，還可用作資料記錄記憶器。 MSP430FG4270微控制器是具有成本優勢的高度集成設備中的一個典范。它由模擬數字轉換器、數模轉換器，可編程增益運算放大器、高精度電壓基準和液晶顯示器驅動組成。用分立器件實現高水平模擬性能會增加大約1美元的材料成本，更不必說采購、物流和制造成本的增加了。在設計過程中很容易忽略這些額外開支，但額外開支可能具有重大影響，特別是有時會由于一個或多個元件缺貨造成生產停滯。 內存大小的可選性對設計者也是一個重要的有利因素。內存大小和芯片尺寸大致上呈線性關系，微控制器的成本與內存大小成正比。基于程序設計的需要選擇內存，不僅可以優化材料成本，還可以減少由于對編程內存的初步估算較低而產生的風險。此外，該能力還允許僅使用固件和材料清單選項制成的成品具有不同的等級和不同的功能。 低功耗 設備在電池再充電之前運轉時間越長，終端用戶的滿意度就越高。大多數便攜式醫療設備中的微控制器大部分時間處于待機模式，也就是說，實現超低待機功耗的能力是決定設備電池壽命的主要因素。 對于數據記錄器等需要頻繁待機和喚醒的產品，由待機到喚醒所需的時間是其另一個臨界參數。微控制器啟動過程中消耗的能量往往與設備運行時消耗的能量一樣多，因此，較短的喚醒時間很重要，原因是在喚醒階段，微控制器不能做任何有效操作，用于退出待機模式的能量被完全浪費了。此外，為響應觸發事件，現代的微控制器也需要快速的喚醒。例如，德州儀器的一些MSP430微控制器能在一微秒內喚醒進入時鐘穩定的完全運行模式，從而實現了近似實時的待機喚醒。 微控制器參與的每個環節都需要能量，最大限度縮短處理時間是延長電池壽命的關鍵。低功耗微控制器具有許多能最大限度縮短處理時間的特征。例如，在分析數據前，產品從模擬數字轉換器收集數據需要一段時間，如果在收集數據時，微控制器處于活動狀態，會消耗能量，但并不發揮什么作用。一些微控制器允許模擬數字轉換器收集數據并將其保存到內存中，使用直接內存存取，最大限度縮短處理器需要保持活動的時間。當收集到規定數目的示例后，處理器退出待機模式，開始分析數據并輸出結果。 如前所述，集成的另一優勢是能將功耗減至最低。通過啟動和關閉運算放大器、數模轉換器、模擬數字轉換器等外設，或根據需要有選擇地關閉某些外設，可以更簡便地控制微控制器。 運行功耗是另一項關鍵參數。盡管微控制器在活動狀態的時間相對較短，但如果運行功耗高，從待機模式到檢查狀態的啟動過程中的電池電壓電平就會快速耗盡電池的電量。此外，由于一些產品應用如ZigBee、802.15.4等無線協議或德州儀器SimpliciTI等專有無線協議，為維持無線網絡，這些系統可能需要更頻繁的喚醒。盡管每天使用醫療產品監測的時間很短，微控制器的待機電流小于1.1微安，但保持較低的平均功耗仍然很重要。 封裝 為滿足便攜式醫療產品小尺寸的要求，可采用芯片級封裝和球狀矩陣排列（BGA）兩種封裝方式。為了減小外型尺寸，這兩種封裝比傳統有引線封裝更難。此外，為確保板被焊接，可使用X射線進行設計和調試，再加工芯片級封裝或球狀矩陣排列比再加工引線封裝更具挑戰性。 由于更大的四方扁平封裝或塑料小尺寸封裝使設計者能輕易地探測到引線上的信號，所以可以選擇直接將較小的封裝用于原型階段，這樣可通過使設計者利用概念驗證階段的代碼和圖表節省時間。 片上系統SoC帶來技術突破 這是醫療行業令人激動的時刻，在醫療市場中發生的創新正在改善全世界人民的生活。從某個角度來說，人人都會受益于這些創新和醫療進步。保健和醫療設計師、制造商和創新者對低功耗、高速處理能力和高性能模擬集成的應用日益增多，這些特征在當今的微控制器中都可見到。如果產品設計對尺寸、電池壽命或準確性提出更高要求，工程師可從微控制器片上系統中得到更多啟示。 |
