智能硬件开发如何选择低功耗MCU？

本文将市场上典型的低功耗MCU系列进行了比较，分析得出基于ARM. Cortex M0+内核的MCU系列最适合穿戴式医疗设备的开发。设备开发者当密切关注其发展动向，结合现有的市场需求、产品体系的构建和升级换代的规划等因素进行合理分析，抉择出适合自身产品的MCU型号。继而针对特殊医疗监测任务的需求，为MCU系统制定最优化的低功耗策略，从而开发出价格亲民、性能优越的设备。

根据穿戴式医疗设备低成本、高性能、高集成度和续航时间长的特点，对比了当前主流的低功耗微控制器（MCU）系列，分析得出ARM Cortex M0+内核的MCU系列适合该领域的产品开发。在功耗水平、运算性能、外设集成和产品成本等方面，进一步将各大半导体公司基于Cortex M0+内核的MCU系列展开参数对比，为穿戴式医疗设备的MCU选型提供指南。

近年来穿戴式医疗设备的市场需求在快速增长，将成为拉动经济增长的一个创新型产业。根据艾媒（iiMedia Research）公布的《2012-2013中国移动医疗市场年度报告》显示，在2012年我国移动医疗市场规模达到18.6亿元，其中穿戴式医疗设备占4.2亿元，较上一年增长20%。预计到2017年底，我国穿戴式医疗设备的市场规模将接近50亿元，在未来十年内呈现急速增长的态势。随着市场需求的增长和产品的普及，穿戴式医疗设备正在往低成本、高性能、续航时间长和体积小的方向发展，这就对设备的控制核心——微控制器（MCU）提出了更苛刻的要求。可穿戴的趋向使得设备所选用的MCU必须具有低成本、低功耗、高运算能力、高集成度的特质，否则将会被市场和用户淘汰。

1 穿戴式医疗设备的简介
　　
穿戴式医疗设备将非介入式生理信号检测技术融合到日常穿戴衣物、器件当中，具有简易便携、长时间监测的优点。这类设备可随时随地长时间监测人体生理状况，已经广泛应用于慢性疾病监测、家庭护理保健、睡眠质量监测等方面，有利于实现慢性、隐性疾病的早发现、早诊断、早治疗。
　　
1.1 穿戴式医疗设备的应用
　　
在市场和用户的追捧热潮下，各种穿戴式医疗设备的解决方案和新产品层出不穷，功能和性能也在不断提升。例如我国的迈瑞公司推出的MC-6800型动态血压监测仪，仅需将充放气的袖带绑在用户手臂上，就能在各种状况下进行24 h无创性动态血压监测。美国Medtronic公司推出的血糖实时连续监测系统（CGMS）可以连续工作3d，仅需将检测探头贴在患者腹部，每10s会对皮下间质液里的葡萄糖浓度进行测量，并将获得的数据通过无线方式传送到接收器上。美国SPO Medical公司推出的PulseOx 6000型“血氧手指套”能长时间工作500 h，仅需套在手指上即可实时监测用户的血氧饱和度和心率，可靠性堪比体温计或血压计。这些产品都体现了区别于常规电子仪器的显著特征：①非介入地检测生理信号；②通过无线或有线的方式连接用户、医护人员和数据系统；③续航时间长；④安全可靠。
　　
1.2 穿戴式医疗设备的需求分析
　　
为了满足穿戴式医疗设备在功耗、性能、体积等方面的要求，所选用的MCU需要满足以下要求：①低成本；②高能效；③高休眠效率；④高集成度。在控制成本方面，可以考虑低功耗的8/16 bit单片机或基于ARM Cortex-M系列内核的32 bit单片机，这些芯片出货量巨大，批量价格一般比较低。在能效方面，应选用低运行功耗、高运算能力的MCU系列，低功耗可以提高续航能力，高运算能力有利于在片上运行复杂算法和数据处理。在休眠效率方面，应选择拥有灵活多样的休眠模式、超低休眠功耗、极短唤醒时间的MCU系列。在集成度方面，可选用那些外设丰富且性能优越的MCU系列，有利于减少体积尺寸、降低硬件成本和提高系统稳定性。
　　
2 典型低功耗MCU系列的比较
　　
各大半导体公司如Freescale、ST、NXP、SiliconLabs、Atmel 、TI、Microchip等，纷纷推出适用于穿戴式医疗设备的中低端MCU系列。表1和表2将16bit和32 bit典型的低功耗MCU系列展开对比，8 bitMCU不在比对列表中。这是因为8 bit MCU已经不适合穿戴式医疗设备的发展趋势，其市场也正被ARM Cortex-M系列内核的MCU蚕食。
　　
表1重点比较了16 bit/32 bit内核的性能差别，32bit的内核在运算效率方面全面超越16 bit 的内核，意味着当穿戴式医疗设备需要在片上执行数据处理和复杂算法时，Cortex-M系列内核的32 bit MCU更具优势。表2则将典型的低功耗MCU展开能效对比，可以发现16 bit MCU在低功耗方面的优势已不明显，以低功耗著称的MSP430系列在运行功耗和休眠功耗方面跟Cortex-M系列32 bit内核的STM32L系列相差无几。而32 bit MCU在休眠状态下的唤醒时间也能做到了10 μs以下，在休眠效率、快速响应方面有良好表现。
　　

表1 典型低功耗内核架构的性能对比

注：(1)内核性能的测试结果(CoreMark Scores)以EEMBC组织公布的数据为准。
　

表2 典型低功耗MCU的能效对比

注： (1) 对于表1的MCU系列具体型号的测试报告，所挑选的型号片上配置相近，Flash容量均为64 kB；

(2) 常温条件+25 oC，所有外设关闭，程序从Flash运行；MCU供电电压除了PIC24的3.3 V、Nano120的3.6 V之外，其他均为3.0 V；各型号的测试结果均为当前主频下的最佳配置；

(3) 休眠功耗的测试标准：片内主时钟和所有外设关闭，RTC打开，保留RAM。
　　
综合表1和表2可见，Cortex-M系列内核的32 bitMCU在功耗水平上已经做到与传统8 /16 bit MCU相当，而在运算效率上优势明显，更适合那些对任务和算法有较高要求的穿戴式医疗设备。

3 基于Cortex-M0+内核的MCU选型分析
　　
3.1 Cortex M系列内核的对比
　　
Cortex-M系列中低功耗成员有M3、M0和M0+，是ARM公司针对那些对成本敏感、同时对能效有较高要求的应用而设计的。当传统的8/16 bit MCU在性能、功能上表现越来越乏力时，ARM公司于2009年推出了低成本、低功耗、高能效的Cortex-M0内核。Cortex-M0内核以优异的表现击败了传统的8bit MCU，成功杀入低端的MCU市场。在这契机下，ARM公司于2012年相应适宜地推出M0的升级版——M0+，在能效和功能上作进一步的优化和增设，以超低的能耗提供更快的任务处理能力。
　　
从表1和2的数据可知，三者内核性能的排序为M3>M0+>M0，运行功耗的排序为M3>M0>M0+，即M0+内核的能效高于M0，运算性能仅次于M3。由于M0+在价格方面比M3有优势，故更适合于执行低成本、高能效的任务。综合可知，那些对功耗有苛刻要求、运算处理任务较复杂、且需要控制成本的设备选择M0+内核的MCU最为合适。
　　
3.2 基于Cortex M0+内核的主流MCU系列
　　
各大MCU生产厂商结合自身的优势对Cortex-M0+内核加以整合优化，在功耗、性能和外设方面各有所长。表3列举了市场上M0+内核的主流MCU系列，并结合穿戴式医疗设备的需求进行分析。
　

可靠读写IC卡智能燃气表增加的IC卡进卡退卡模块，可以保证在读写卡操作过程中用户接触不到IC卡，无法提前拔卡或者重复快速插卡，避免了单片机读写卡出现错误，从而达到IC卡智能燃气表可靠读写卡的目的。

表3 基于Cortex M0+内核的主流MCU系列

注：(1) ST公司和NXP公司都建立了涵盖Cortex-M系列所有内核的产品线，Cortex-M系列MCU的中国市场在2012年达到1.68亿美元，其中ST以35%的市场份额居于首位，而NXP位居第二占有32%；
　　
(2) Silicon Labs于2013年收购了专攻低功耗领域的Energy Micro，之后推出的Zero Gecko系列吸取了以往EFM32系列超低功耗的优点。
　　
上述Cortex M0+内核的MCU 系列可为穿戴式医疗设备开发者提供多种选择，而具体的MCU型号要根据设备的实际需求来决定。在同一系列里，MCU的最高主频、内核效率、功耗状况都是一致的，具体型号之间的差别在于片上资源。如表4所示，STM32L0系列分为3条主要的产品线，差异就体现在一些特殊的集成外设，如DAC、USB控制器和LCD控制器。恰当地选用这些高集成度的MCU有助于减少外部芯片的个数，可降低系统成本和功耗。因此，片上集成资源的种类、数量、功耗和性能，都是决定MCU选型的重要参考因素。

表4 STM32L0系列的3条产品线

3.3 MCU系统的低功耗策略
　　
Cortex M0+内核的MCU 系列兼具低功耗、高性能和灵活的休眠模式，为穿戴式医疗设备的开发提供了优良的平台和电气基础。然而，如何在保持高性能的情况下，将任务的整体平均功耗降到最低，将是设备开发者的重要任务。MCU系统的低功耗策略决定了设备的性能和续航时间，策略的制定需要从以下四个方面入手：
　　
(1) 合理地控制MCU的时钟系统，针对特定的任务，选择适合系统运行的时钟频率，迅速完成复杂的任务争取更多的休眠时间；
　　
(2) 选择恰当的休眠模式和休眠时间；
　　
(3) 进入休眠模式时， 将未用到的外设以及时钟关闭；
　　
(4) 优化任务的时间片，将平均功耗降到最低。
　　
图1 展示了基于表3的Zero Gecko系列设计的动态心电记录仪的低功耗策略，MCU系统任务的理论耗电流如图2所示。其中，MCU主要在三个模式之间切换：运行模式1(EM0_1)，运行模式2(EM0_2)，深度睡眠模式(EM2)。平时MCU工作在EM2，高频时钟和外设关闭，耗电流为IEM2；当定时器发生中断时，MCU从EM2中唤醒，将进入EM0_1以f1主频高速运行，此时耗电流为IEM0_1，同时启动A/D进行心电信号采样，采样完毕后将数据暂存在RAM中；如果缓存的数据量没有达到阈值，MCU将直接进入EM2并定时等待；如果缓存的数据量达到阈值，则MCU切换到更高的f2主频进入EM0_2，耗电流短时间内达到IEM0_2，对缓存数据进行处理并存储到SD卡上，存储完毕后进入EM2。运行模式下使用到两个不同的主频f1和f2，分别是由A/D采样任务和SD卡存储任务对运算能力的不同需求来决定，将任务的平均功耗最优化。

图1 基于Zero Gecko系列的动态心电记录仪的低功耗策略

图2 动态心电记录仪执行不同任务下的理论耗电流曲线

　　
4 穿戴式医疗设备的MCU选型案例
　　
血氧饱和度的监测是了解人体心血管生理状况的重要手段，设计一款腕带式血氧饱和度监测仪，设计目标：基于反射式光电容积脉搏波的测量方法，实现无创、连续地检测人体动脉血的血氧饱和度；对脉搏波信号进行处理、分析，计算得到心率和呼吸频率这两个重要的生理参数；当用户的血氧饱和度或心率超出正常预定范围时，会自动报警提醒。

图3 腕带式血氧饱和度监测仪的功能框图

根据设计方案和目标进行系统功能规划，腕戴式血氧饱和度监测仪的功能框图如图3所示。该设备对MCU的特殊要求有：
　　
(1) 高能效，即低运行功耗、超低休眠功耗和较高的运算性能；
　　
(2) 低功耗的ADC，采样精度不低于10 bit，脉搏波采样频率设为200Hz；
　　
(3) USB控制器，需要通过USB接口烧写程序或与主机通讯。
　　
综合考虑了该设备对MCU性能、功耗以及外设所提出的要求，可以分三个步骤来进行MCU选型：
　　
(1) 结合前文对不同内核的分析，选择低功耗、高性能的Cortex-M0+内核；
　　
(2) 根据Cortex M0+内核MCU系列的横向比较，选择集成了低功耗12 bit ADC的STM32L0系列，满足长时间采样的需求；
　　
(3) 考虑到带USB控制器的型号， 可以选择STM32L052C8作为设备的主控制器，从而达到在性能、功耗、成本和体积方面的最佳平衡。
　　
在实际的MCU选型中要具体问题具体分析，根据现有的MCU系列和设备的切实需求，做出最恰当的抉择。

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由电池供电,AD采集电池电压,单片机利用IIC通过GY-906红外测温传感器接收温度信息,通过环境温度补偿修正温度数据并通过IIC显示在OLED上,并且规定发热温度,当测得温度超过时进行报警,通过串口控制语音模块进行温度播报并且在出现发热情况时进行报警.在不测温状态下,单片机进入低功耗模式,在需要测温时,可用外部中断进行快速唤醒。