簡介

降低醫療支出推動了門診及家庭保健的需要，能夠收集、分析及記錄病患血糖水平、心電圖(ECG)及脈搏血氧測量值等資料的體戴可攜式醫療感測裝置的需求變得更高。此類系統的設計人員需要低功耗、可重新配置的裝置，提供常見的32位元核心，同時整合精密的混合訊號及類比性能。

注重精密性能及彈性、軟體可重配置的感測器介面代表能夠藉軟體配合寬範圍的應用。諸如通用序列匯流排(USB)及液晶顯示器(LCD)驅動器等多種介面確保此方案能夠快速地整合至寬範圍的高性價比應用，而片外元件數量極少。

挑選處理器

近年來，由於需要具備集成力及整合最新技術和功能，導致所有終端市場的電子產品在重新設計(design re-spin)前的平均壽命大幅縮短。ARM Coretex-M3等核心支持在平臺與新迭代現有設計之間，透過直接的軟體變更而非從頭開始(ground up)的固定設計，進行簡單的移植。ARM Cortex-M3這樣的32位元架構標準核心也能更好符合當前及下世代可攜式醫療裝置設計日漸增多的運算及連接要求。透過結合這類核心及軟體可配置的類比前端，微控制器的可擴展性及彈性得到了進一步增強。

將功率需求降至最低

過去十年來，在小外形因數條件下結合可移植性與數量日漸增多之功能已經成為醫療市場的趨勢。在電池技術沒有飛越的情形下，增加功能、減小總體尺寸同時還維持可接受及可行的電池壽命水準，已經滋生不少挑戰。

在醫療感測應用的微控制器案例中，多種工作模式能夠幫助實現大幅節能及延長電池充電或換電池間隔的時間。工作(active)、待機(standby)及休眠(sleep)模式下消耗的電流電平必須依次降低，血糖儀這樣的可攜式感測裝置每天僅有約5分鐘時間處在“導通”狀態，一枚鈕扣電池可以用很多個月甚至是數年。

整合的綜合優勢

可攜式精密感測醫療裝置市場也已經幫助推動在單個元件中整合盡可能多功能的潮流。此類整合的優勢包括減少元件總數量、降低印製電路板(PCB)複雜度、降低系統總成本及減小系統尺寸。

先進的混合訊號技術令整合型微控制器設計人員能夠在同一塊晶片上，以極近的間距可靠地結合類比與數位功能，例如中央微控制器，還有可能整合像快閃記憶體及SRAM(用于儲存用戶及程序資料)、電源管理電路(用于將能效提升至最高)、感測器介面及類比前端(類比/數位及數位/類比轉換)、片上脈波寬度調變(PWM)、彈性時脈及I/O(包括各種資料及顯示介面)等元件。

整合還提供其它重要優勢，如因要布設的元件數量減少而簡化封裝及提升可靠性等。可靠性是透過整合功能的不同區塊之間的互連實現有效的片上硬連線並封裝在微控制器的封裝內來提高的。在欠缺整合度的裝置設計中，外部元件不計其數，PCB走線互連及焊接點會帶來潛在的可靠性弱點。

精度、可靠性及準確度

此外，內嵌式電源管理功能也幫助提高可靠性，並提供電池壽命存續期間確定性的、可預測的特性。整合型電荷泵能夠在較寬並可能波動的輸入電壓範圍(如從3.6 V到1.8 V)內持續地為前端和提供輸入欠壓保護的電源監控器供電，均增強了整合型精密混合訊號微控制器的可靠性。

醫療感測應用的準確度至關重要，裝置本身必須在其長使用壽命期間可靠工作，確保測量沒有失準。為了維持程序代碼及記錄的病患資料的完整性，可以片上整合錯誤檢測及校正電路，從而監視快閃記憶體。這樣在檢測到雙位元或更多位元的錯誤時，就能校正單一位元(single-bit)錯誤，並觸發告警。

就血糖儀等重要醫療感測應用而言，結合16位元類比至數位轉換器(ADC)及32位元微控制器，能夠提供所要求的總體精度等級。然而，對於設計人員而言，重要的是意識到ADC的有效位元數可能會被非線性及雜訊問題所折衷。整合型混合訊號微控制器要提供高總體準確度的工作，就進一步預要求準確、工廠校準的電壓參考。

加速及簡化開發

近年來，提供全面及低成本評估板和開發工具的微控制器製造商數量大幅增加。工程師面臨產品要比競爭對手更快推出市場的壓力，能夠加速及簡化在新產品設計中採用複雜元件，元件選擇變成重要一環。

採用已獲證明的可程序核心及可配置前端構建的精密混合訊號微控制器，其彈性、可擴展性及可移植性優勢將能藉可用的開發硬件及軟體工具進一步增強。當利用源自像ARM這類供應商的核心時，設計人員能夠獲得豐富的軟體支援，如系統韌體及帶源代碼的庫。設計人員通常還可以獲得包括可以下載的USB演示及支持在開發環境外進行程序設計的獨立燒寫工具(flashloader)等其它資源，使其工作任務更加簡單直接，並減少耗用的時間。

結論

要使可攜式醫療感測裝置設計人員能夠實現他們的新設計，需滿足多種因素。諸如開發時間及成本等商業壓力，再加上準確度、可靠性、尺寸及彈性等技術要求，讓設計人員面臨棘手挑戰。採用標準32位元核心並整合可配置類比前端及外設支援等豐富多樣功能的低功率混合訊號微控制器，已經被證明是此終端市場持續發展的一項關鍵。

<作者任職於安森美半導體轉換及控制技術資深應用工程師>