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便攜式醫療設備正在改善數百萬患者的醫療保健。血糖監測器、心率監測器、可攝入胃腸 (GI) 道監測器、止痛植入物和許多其他設備等產品提高了慢性或急性疾病患者的生活質量。便攜式自動除顫器可在緊急情況下挽救生命。運動手表可以無線記錄用戶的心率、測量距離、計算步數和執行其他功能，以最大限度地提高有氧鍛煉的益處。未來幾年將繼續為醫療應用帶來許多新的、創新的產品，這些產品將極大地改善醫療保健的交付和有效性。

實際上，所有這些便攜式產品都需要一個低功耗微控制器 (MCU) 來接收來自用戶或操作員的命令并提供讀數和狀態更新。由于幾乎所有這些產品都使用電池供電，因此一個關鍵的考慮因素是延長電池壽命。這些產品所需的電池壽命各不相同，但 2-10 年的電池更換間隔并不罕見。此外，這些空間受限的產品通常需要高度集成的模擬組件來調節信號并將其轉換為數字域，以便對其進行處理和解釋。

解決便攜式醫療領域的微控制器需求給半導體公司帶來了挑戰。雖然工程通常是在對立的特性、規格和空間限制之間進行權衡，但在便攜式醫療領域通常很難進行這種權衡。這個市場的要求通常是不協調的，例如需要小尺寸、高功能、低功耗和高性能模擬，以及長電池壽命和高處理能力。這些產品需要模數轉換器 (ADC)、可調增益、電源管理和液晶顯示器 (LCD)。

本文將討論醫療市場的一些創新產品、醫療設備行業的共同趨勢，以及如何使用 SoC 微控制器來改進未來的設備。

超低功耗、高度集成的 MCU 的推出催生了新產品，可以減輕疼痛并改善患者的護理和生活。

一體化

便攜式醫療設備可以從現代 SoC 與板載 MCU 提供的集成水平中受益匪淺。如果沒有高水平的模擬集成以在小空間內提供更多功能，許多這些微型產品將無法實現。

集成微控制器是運行便攜式醫療設備所需的唯一 IC。這種類型的微控制器通常用于醫療應用，可能包含以下特性：

高性能 ADC，通常為 12 位及更高

用于信號調節的運算放大器，例如自動增益控制

數模轉換器 (DAC)，有時用于反饋

基于段的 LCD 驅動器

ADC 的高性能參考電壓

集成閃存和 RAM 存儲器

電源管理和監控器，這些產品通常可以直接使用紐扣鋰電池或兩節堿性電池供電

集成的優勢包括減少PCB面積、制造成本更低、采購更容易和功耗最小化。集成的閃存和 RAM 不僅可用于程序和數據存儲器，而且如果閃存在電路中編程，還可用于數據記錄存儲器。

MSP430FG4270 MCU 是具有成本優勢的高度集成器件的一個很好的例子。它包含一個 ADC、DAC 、可編程增益運算放大器、高精度電壓基準和 LCD 驅動器。使用單獨的芯片來實現該芯片的高水平模擬性能將使物料清單 (BOM) 增加約 1 美元，更不用說額外的采購、物流和制造成本了。在設計過程中，這些額外費用很容易被忽視，但可能是巨大的，尤其是在由于一個或多個組件缺貨而導致制造中斷的情況下。

對內存大小的選擇對設計人員來說也是一個重要的好處。由于內存大小和裸片大小大致呈線性關系，因此 MCU 的成本與內存大小成正比。根據編程需求選擇內存大小的能力不僅可以優化 BOM 成本，而且還可以降低編程內存的初步估計值較低時的風險。這種能力還允許僅使用固件和 BOM 選項的具有不同功能數量的不同等級的最終產品。

低電量

設備在兩次電池充電之間可以運行的時間越長，最終用戶的滿意度或患者的舒適度就越高。此外，在大多數便攜式醫療設備中，MCU 的大部分時間都處于待機模式（休眠）。這意味著實現超低待機電流的能力是決定設備電池壽命的主要因素。

對于頻繁進入和退出待機狀態的數據記錄儀等產品，另一個關鍵參數是從待機狀態喚醒所需的時間。MCU 在退出待機狀態時通常可以使用與設備完全處理時一樣多的能量。快速喚醒時間是必不可少的，因為在喚醒期間 MCU 無法進行有用的處理，這意味著從待機模式中使用的能量被有效地浪費了。此外，現代 MCU 需要快速喚醒以響應觸發事件。例如， TI 的一些 MSP430 MCU 可以在不到 1 微秒的時間內以穩定的時鐘喚醒到完全運行模式，從而使非待機狀態下近乎實時的運行成為現實。

由于 MCU 處于活動狀態的每個周期都會消耗能量，因此最大限度地縮短處理時間對于延長電池壽命至關重要。低功耗 MCU 包括許多有助于最大程度減少此時間的功能。例如，在分析數據之前，產品需要從 ADC 收集一段時間的數據。如果在收集數據時 MCU 處于活動狀態，則處理器會消耗能量而幾乎沒有提供任何價值。一些 MCU 可以使用直接內存訪問，通過允許 ADC 收集數據并將其存儲到內存中來最大限度地減少處理器必須處于活動狀態的時間。一旦收集到所需數量的樣本，處理器就會中斷退出待機狀態；然后它分析數據并輸出結果。

如前所述，最小化功耗是集成的另一個優勢。MCU 可以更簡單、更好地控制啟用和禁用運算放大器、DAC 或 ADC 等外設，并在不需要它們時有選擇地關閉它們。

運營能力是另一個關鍵參數。即使 MCU 可能會在活動狀態中花費相對較短的時間，但如果操作功率不低，從待機模式喚醒以檢查狀態（例如電池電壓水平）可能會迅速耗盡電池電量。此外，由于其中一些產品使用無線協議（如 ZigBee、802.15.4）或專有無線協議（如 TI 的 SimpliciTI），這些系統可能需要比平時更頻繁地喚醒以維護無線網絡。有趣的是，即使醫療產品為了測量目的每天只開啟一小段時間，利用 <1.1 ?μA 的 MCU 待機電流，低有功功率對于保持低平均電流消耗通常很重要。

包裝

滿足便攜式醫療產品的外形要求通常意味著應使用球柵陣列 (BGA) 封裝或芯片級封裝 (CSP)。較小尺寸的代價是這些封裝比傳統的有鉛封裝更難制造。此外，設計和調試可能需要 X 射線來確保焊盤被焊接，而重新加工 CSP 或 BGA 比引線封裝更具挑戰性。

雖然較大的四方扁平封裝或塑料小外形封裝允許設計人員輕松探測和監控引腳上的信號，但在原型設計階段可以選擇直接進入較小的封裝將通過讓設計人員利用開發的代碼和原理圖來節省時間概念驗證階段。

SoC 助力突破

在某個時候，每個人都會受到現在發生的創新和醫學進步的影響。健康和醫療設計師、制造商和創新者越來越多地利用當今微控制器中的低功耗、高處理能力和高性能模擬集成。如果市場營銷產品對尺寸、電池壽命或精度的要求似乎過于激進，工程師應該看看微控制器 SoC 中的可用內容。