低功耗，低噪音，低成本的MCU正在為下一代便攜式醫療設備提供動力。

復雜而實惠的個人醫療設備正在改變醫療保健行業，使消費者能夠監控生命體征以及在家中和旅途中的健康的其他關鍵方面，無需昂貴和不方便的訪問醫生的辦公室。據Gartner公司稱，便攜式消費類醫療設備，如血糖監測儀，血壓計，胰島素泵和心率監測儀，是醫療設備市場中增長最快的部分。 Databeans最近發布的醫療半導體報告預測，未來五年家用醫療設備市場的復合年增長率（CAGR）將達到9％。

個人醫療設備市場的爆炸性增長源于各種因素：穩定的“老齡化”（老齡化）人群需要更頻繁的健康監測;傳統醫生指導的醫療費用暴漲;消費者越來越意識到健康產品的好處;個人醫療設備的廣泛使用，包括在線和零售店;以及半導體技術不斷進步所帶來的消費者保健產品的日益復雜，易用性和可承受性。

雖然消費產品通常對價格敏感，但消費者便攜式健康市場增加了其他嚴格的要求，以使設備在市場上取得成功。最重要的是，它們必須高度可靠和準確，以便檢測并幫助預防健康問題。這些要求受到美國食品藥品管理局（FDA）等政府實體的監管。為了在競爭日益激烈的家庭醫療保健市場取得成功，便攜式醫療設備應具備以下特點：

易于使用

高度可靠和安全（政府監管）運營

輕松，安全的連接

低功耗運行（長時間運行）電池壽命

支持各種電壓（特別是低電壓）

測量精度高

外形小巧

經濟實惠成本

為了能夠以經濟的價格向消費者提供這一系列的產品功能，醫療設備開發人員必須通過限制設計中的分立元件數量來降低系統成本。半導體供應商還負責提供高度集成的嵌入式控制解決方案，在嚴格的功耗和成本預算范圍內提高性能和可靠性。這些便攜式設備設計的核心是高度集成的混合信號微控制器（MCU），旨在以最低的電源電流提供卓越的處理性能。

易于使用對于所有便攜式醫療產品至關重要，因為它可以減少因操作員錯誤導致的測量誤差。這些設備應該需要最少的用戶交互以實現正確的操作，簡單的用戶輸入（例如，更少的按鈕和更簡單的軟件菜單）和大的背光易于閱讀的顯示器。為了支持這些功能，MCU必須提供現場可編程，非易失性存儲器（通常是系統內可編程閃存），以及靈活的I/O配置，以充分利用有限數量的引腳。

雖然現在許多便攜式醫療設備只顯示健康監測結果并將解釋和記錄留給最終用戶及其醫生，但較新的設備具有簡單的連接功能，可以自動記錄和傳輸結果。通常，這些更復雜的產品將通過可跟蹤結果的軟件連接到個人計算機或移動健康設備，或者它們將安全地將信息無線傳輸給醫療專業人員，看護人或基于Web的應用程序 - 這種做法稱為遠程醫療。

醫療設備市場采用了優化的USB設備標準，即個人醫療保健設備（PHCD）類（圖1），它利用無處不在的USB接口實現數據和消息的標準化傳輸，無論設備制造商如何。展望未來，無線數據傳輸將通過簡單而可靠的無線連接使連接更加輕松，從而實現更大的便利。 MCU需要提供各種集成連接接口方法，例如帶有精密振蕩器的集成USB控制器。

圖1：USB個人醫療保健設備類支持輕松連接。

RF發射器和收發器與MCU協同工作可以為遠程醫療應用提供無線連接。此外，無線MCU--高度集成的器件，將低功耗MCU內核與高性能RF收發器集成在同一封裝中 - 現已廣泛應用。例如，Silicon Labs的Si10xx無線MCU可提供電池供電的便攜式醫療應用所需的超低功耗操作，以及通過集成的sub-GHz收發器實現的擴展范圍和出色的RF靈敏度。

無論連接性如何在使用的方法或系統架構中，通信協議棧將需要MCU中更多的代碼空間。因此，更小尺寸設備中的更多內存將會有更大的需求。雖然高性能，低功耗MCU和通信選項的選擇很重要，但所有醫療設備都需要準確一致地測量和某些方面一個人的健康，無論是光（血氧），電導率（血糖），壓力（血壓）或溫度。在醫療保健市場，測量中沒有錯誤的余地混合信號MCU必須在小空間內存在噪聲數字處理器和通信信號時提供卓越的模擬電壓測量結果。這是半導體供應商面臨的最具挑戰性的工程問題之一，產品工程師將對此類規范進行詳細審查，尤其是在面對IC的低電池電壓時。測量必須具有低噪聲和失真（良好的信噪比和失真率）和高度線性。即使MCU工作，也必須允許模數轉換器（ADC）操作;最終用戶期望在測量期間觀察功能，并且MCU可能會實時解釋結果。此外，即使在最低電池電壓下也應允許所有芯片功能;如果您無法在整個電池壽命期間進行測量，那么MCU有什么用呢？簡而言之，這個市場中的MCU供應商必須毫不妥協地集成精確的模擬測量。

MCU供應商面臨的下一個設計挑戰是終端產品對電池壽命的長期需求。 “便攜式”通常意味著該設備是電池供電的。通常，增加的功能會導致更大的功耗，但開發人員不會設計出需要最終用戶使用大型重型電池或經常更換電池的便攜式醫療產品。

MCU必須支持低功耗策略的三個部分：處于活動模式時的低功耗，處于待機模式時的低功耗以及處于活動狀態的時間減少。便攜式設備以及MCU將在大多數時間處于關閉或降低功率狀態;但是，它通常會在不使用時保持某種功能，如時鐘/日歷或鬧鐘。雖然有功功耗很重要，但最小化喚醒時間是延長電池壽命的關鍵。 MCU設計人員必須設計出喚醒MCU時鐘和模擬電路的方法，以便進行快速測量，然后讓MCU恢復到低功耗狀態。例如，使用ADC進行電壓測量需要電壓參考。在進行測量之前，這種電壓參考通常需要幾十毫秒才能開啟和穩定。在此期間，MCU打開并耗盡電池電量。

Silicon Labs的超低功耗C8051F9xx MCU（圖2）像許多低功耗MCU一樣在幾微秒內喚醒，但片上電壓基準也設計為在2微秒內喚醒，從而可以開始精確的ADC測量很快。該ADC還可以在沒有CPU干預的情況下快速累積許多測量值，從而改善結果，同時進一步縮短喚醒時間。喚醒時間越短，電池消耗的電流越少，同時效果也越好。

圖2：快速喚醒時間和短操作間隔將延長電池壽命。

MCU的另一個重要趨勢設計涉及支持新的電池使用配置和技術（圖3）。可充電電池很受歡迎，通常需要更高的電壓支持，因此必須集成片上穩壓器。一種新興趨勢是，當最終用戶希望供應商裝運已安裝的電池時，僅使用一個堿性電池來減小產品尺寸或節省成本。直到最近，這種方法還需要增加分立式DC-DC開關穩壓器的成本和空間，以提高堿性電池電壓，從而實現適當的MCU操作（堿性電池的使用壽命為0.9 V）。這些開關穩壓器不僅會在電壓測量中產生大量噪聲，它們必須始終保持開啟狀態，以使MCU從睡眠模式喚醒，從而耗盡功率并縮短電池壽命。

先進的低功耗MCU Silicon Labs F9xx器件包含一個解決這些問題的集成DC-DC穩壓器。結果是降低了噪聲，降低了成本，減小了占用空間并提供了更好的控制，允許DC-DC穩壓器在MCU處于低功耗狀態時關閉，從而延長電池壽命。即使集成了這個DC-DC穩壓器，它仍然應該將升壓電源從外部輸出到系統的其余部分，以獲得真正的低功耗單電池解決方案。

圖3：MCU應支持電池提供的各種電壓。

雖然MCU供應商不斷創新并集成了節能和節能功能，但如果能源效率的趨勢不是完全有利的話MCU的成本和占地面積大幅增加。目標是幫助嵌入式開發人員降低成本，縮小最終產品并降低功耗。此類解決方案必須減少材料清單和設備尺寸。最好的MCU將以最小的外形提供充足的性能，集成連接，存儲器和卓越的模擬外設。換句話說，半導體供應商必須提供增加的功能密度而不妥協。

圖4：F9xx超低功耗MCU架構。

請注意圖4中的超低功耗MCU示例 - 64 kB閃存代碼存儲，4 kB數據RAM，一個ADC和兩個穩壓器（LDO和DC-DC升壓轉換器），占位面積為4 mm x 4 mm（在某些情況下甚至更小）。這種緊湊的混合信號MCU設計允許在單個芯片上實現完整的測量和接口系統，而不會犧牲性能或電池壽命。產品設計人員將謹慎選擇具有適當外設的MCU，以獲得最佳的成本/性能優勢。

嵌入式開發人員和產品經理面臨著持續的壓力，要求降低成本，尺寸，功耗，并提高其便攜式醫療設備設計的性能。答案是使用高度集成的混合信號MCU將產品交付給市場，這些市場要求在最小的外形尺寸下具有最佳的性能和經濟性。功能密集的混合信號MCU將為下一代便攜式醫療設備提供心跳，而提供滿足消費者需求的優化產品的醫療設備制造商將享受這一快速增長的細分市場帶來的好處。