便携医疗设备MCU选型必备宝典

率遥遥领先，基于STM32的系统方案、软硬件成品模块以及芯片经销渠道等已形成较为完善的生态系统。相比其它32 bit低功耗MCU，三者在运算性能、功耗和外设集成度上彼此差距较小，选用STM32L的最大优势在于开发门槛低、参考资源丰富和经验分享直接。

　　表2 典型低功耗微处理器的CPU绝对功耗对比

　　表3 典型低功耗微处理器系统指标对比

　　TI公司最新推出代号为"金刚狼（Wolverine）"的MSP430FR系列MCU，将铁电存储器集成至片上，代替原有Flash作为程序存储器，提高内存读写速度的同时还大幅降低了能耗。由表1数据对比可见，"金刚狼"系列为MSP430超低功耗MCU产品线注入了新的活力，在能耗水平上一举领先各大低功耗MCU系列。然而，在低成本、高性能的32 bit超低功耗MCU群起之势的压迫下，功耗参数已慢慢相差无几，微弱的功耗优势对于绝大多数便携式仪器设计而言，已成为可以忽略的次要矛盾。对于任务和算法要求逐渐提高的便携式医疗电子仪器，更高运算效率和主频的32 bit MCU，可以在相同时间内更快地完成工作，从而为休眠争取更多时间，从系统上降低功耗，并使得任务和事件获得更快的响应。

　　对于某些功耗要求极为苛刻、运算处理任务简单和成本极为敏感的仪器设计，传统8 bit低功耗MCU为最佳之选。

　　2.2 集成外设及其性能分析

　　半导体技术的发展推动了系统集成度变得越来越高，这使得硬件系统的体积、功耗、成本和稳定度等指标都得到了大幅提升，硬件系统的设计也变得越来越简单。对于便携式医疗电子仪器，其主要对象是面向人体，缩小仪器体积是提高便携性的直接途径，片上外设的种类、数量和性能，成为决定最终MCU选型的关键参考因素。如图1所示，列举出低功耗MCU通常集成的外设及其主要功能。

　　图1 MCU集成外设及其主要功能

　　生理参数的主要特点为：种类多，彼此间多存在相关性；信号谱多集中在几十kHz范围内；信号微弱，变化范围较大；特征变异的突发性和无规律性较强。因此，以信号测量为主要目的便携式医疗电子仪器，MCU模拟外设的集成度及其性能，值得高度关注。如表4所示，首先，EFM32全系列内ADC最多通道数为8 个，对于传统12导联动态心电记录仪设计，测量将没有任何扩展余地。其次，KL系列独有的片上16 bit逐次逼近型ADC，在测量系统中可以节省一级信号放大，从而缩减模拟电路规模，降低系统成本并提高稳定度和集成度；在同等条件下，精度可提高16 倍，动态范围可扩大25 dB。

　　由于 ， 部分仪器通常需要同步测量多参数信号，数据量和记录时间的提高将造成控制模块和通讯接口的频繁操作，表4显示，STM32L部分型号含有SDIO接口，在设计带有SD卡记录功能的仪器时，可提高SD卡读写的可靠性和速率等指标。此外，除了考虑它们的数量、限制速率等指标是否符合设计需求外，必须关注各部分的单位功耗。表5举例说明了Energy Micro和ST公司的两款集成度和功能相近的32 bit低功耗MCU，可见，外设功耗的差距对于系统整体功耗的影响不容忽视。

　　2.3 时钟系统的重要性

　　在选定一款低功耗类型的MCU后，CPU及各功能外设的功耗绝对值只是仪器低功耗设计平台的物理基础，如何合理控制MCU内部灵活多变的时钟系统，是决定仪器低功耗设计效果好坏的关键。因此，作为控制MCU运行的"驾驶舱"，时钟系统成为衡量低功耗MCU各部件功耗可控度高低的重要指标。

　　表4 典型低功耗微处理器的外设对比

　　表5 两款MCU数字外设功耗对比

　　表6 飞思卡尔Kinetis MCU家族全系列介绍

　　2.4 软件开发与可扩展性

　　仪器设计离不开嵌入式软件的开发 ， 由16 bitMCU开始，C语言程序设计已基本代替了原本基于指令集的汇编语言设计，仅仅在篇幅不多的启动文件中，才会利用汇编指令进行一些堆栈初始化、中断向量表配置和系统初始化函数的跳转等操作。为了简化软件的重用性、缩短微控制器新开发人员的学习过程、提高新设备的开发效率，ARM公司设计了以C语言为基础的Cortex-M内核微控制器软件接口标准（CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard），为不同MCU库函数开发提供了统一的硬件抽象。因此，选用32 bit低功耗MCU，统一遵守CMSIS规则，软件开发成本和效率都会得到改善，尤其对于入门设计和平台移植，将事半功倍。

此外，如表6所示，低功耗MCU系列往往只是该品牌家族中的一部分，同一品牌中的不同系列一般在外设结构、管脚封装和底层驱动函数上保持一定兼容性。因此，宏观把握MCU系列的完整面貌，可以全面认识所选平台的可扩展性，为将来仪器升级、提高新产品