支持医疗保健应用的超低功耗微控制器

一个医疗保健产品的架构简单地讲，分为几个区块，如图1所示。首先是微控制器本身，它包含着信号处理能力，其次，是用作信号调节的AD/DA的转换，另外，还有电源管理区块，在系统中，功耗表现良好非常重要，还有人机界面、音频放大、通信接口等。通信接口还包括BT/LE、Wifi、ZigBee、GSM/CDMA、以太网/USB等。这些都牵涉到低功耗的界面，低功耗的规格等。

手持式或者是便携型的医疗保健产品在设计上最大的挑战之一就是如何延长电池的使用寿命，使用低功耗的微处理器是很重要的方面。

要求病人更换电池，令医疗设备的使用效益大大降低。针对这个挑战，应对方案就是低功耗技术。将拥有无线技术的超低功耗微处理器作为低功耗网络设备的大脑，还有就是通过高效的软件设计使用各种睡眠模式。

图1 医疗/保健设备架构

一般而言，低功耗的微处理器在设计上有一下的要求：84μA/MHz 运行电流(MCU); 停止模式运行50nA  (MCU);RTC运行600nA (MCU);LCD运行500nA  (MCU);4μs唤醒时间(MCU)。超低功耗微处理器要求1600+MIPS1W (MPU)。

飞思卡尔已经推出一些列Kinetis系列，其中以低功耗特点著称的就有Kineits L系列。

Kineits L系列

Kineits  L系列微处理器是什么样的一个产品呢?简单来说，它可以替代众多8位MCU的产品，因为它具有低功耗、低价位的特性，而且容易使用。从能源效率来讲，它具有同级中较领先的Coremark/mW。另外，它还具有可扩展的性能和集成度，即Kinetis  L到K系列(Cortex-M0+toM4)。在容易使用上面，它得到飞思卡尔支持并加上ARM生态系统的支持。Kineits  L系列微处理器的主要特性如表1所示。同时它Kineits L系列微处理器在存储器封装的可扩展性方面表现也很出色。

超高效的Cortex-M0+处理器是较为节能的32位处理器，拥有较领先的吞吐量/mA，它的节能特点表现在以下三个方面：第一，节能架构，采用90nm  TFS技术、时钟和功率门控技术进行低功耗优化，高效的平台拥有低功耗启动选项、具有位处理引擎、外设桥接交叉开关和零等待状态闪存控制器;第二，超低功耗模式，多种灵活的功率模式，适合不同的应用使用情况，旨在较大限度地延长电池寿命;第三，节能的外设，智能外设可在深度睡眠模式下运行，可以做出明智的决策和处理数据，而无需唤醒内核。

表1 Kineits L系列：MCU家族

表2 超低功耗模式

Cortex-M0+，“+”代表什么呢?目的是采用2级管道以减少门控数，增加吞吐量/mA，从而提高能源效率，比Cortex-M0降低30%的功耗，比Cortex-M0提高56%的能效。不仅如此，它还具备出众的性能，即2.42  CoreMark/MHz，比Cortex-M0提高9%的性能。

扩展系统级功能包括：单周期快速I/O访问端口促进位拆裂(bit-banging)和软件协议仿真，保持8位的“外观和体验”，速度比普通I/O快50%;片上微跟踪缓冲区(MTB)提升了用户调试体验，优化的捕获机制，只将程序流信息的变更存储在用户配置的系统RAM中，可以通过调试器使用MTB内容和应用程序源代码重构大型程序序列。

节能的架构

• 90nm的薄膜存储(TFS)技术

-与现有技术相比，动态功耗降低约1/3

- Flash支持低功耗模式和快速的编程/擦除时间

-从SRAM开始执行时，提供Flash禁用选项

-处于等待模式时，Flash打盹选项禁用(增加约1μs的唤醒时间)

•时钟和功率门控

-为了节省功耗，外设时钟默认为禁用

- LLS和VLLSx模式关闭大多数逻辑元件的电源，但保持节能外设和唤

•醒源的电源

-在计算操作(Compute Operation)和局部(Partial STOP)选项中提供自动平台时钟控制，以进一步降低动态功耗

•低功耗的I/O引脚配置

- I/O引脚默认为低功耗配置，将引 脚与数字逻辑断开，这样无需配置未使用的I/O引脚，以减少引脚漏电的情况

•低功耗启动选项

-可配置上电复位和低功耗恢复时间，以消除电源尖峰电压

•位处理引擎(BME)

-智能负载和存储能力为外设改进了周期数，减少了代码大小

•外设桥接交叉开关(AXBS Lite)

-支持从主机(内核和DMA)到从机(存储器和外设)的并行访问

•闪存控制器(FMC)

- 4路、4组32位闪存缓存，可减少flash访问次数，从而消除等待状态

从低功耗节能模式对比中可以看出，嵌入式系统中的典型功率模式分为运行——等待——停止。Cortex-M功率模式分为运行——睡眠——深度睡眠。但是，飞思卡尔Kinetis扩展性功率模式中，增加了低功耗唤醒单元，它可完全关闭内核逻辑，包括WIC，进一步减少低功耗模式下的电流漏电情况，支持16个外部输入引脚和8个内部模块作为唤醒源，唤醒输入在LLS或VLLS模式中激活。表2详细地说明了飞思卡尔Kinetis扩展性超低功耗模式。它超越了典型的运行、睡眠和深度睡眠模式电源选项的设计旨在大限度地延长不同应用中的电池寿命。

Kinetis KL02在超高效处理、灵活的超低功耗模式和自主的低功耗外设。其中，超高效处理包括ARM Cortex-M0+处理器;低功耗90nm TFS  Flash技术;位处理引擎;外设桥接交叉开关;零等待状态的闪存控制器。灵活的超低功耗模式包括9种灵活的RUN、WAIT和STOP模式，支持多种应用使用情况;4μs的深度唤醒时间;时钟和功率门控;低功耗启动选项。自主的低功耗外设又包括智能外设可在深度睡眠模式下运行，可以做出明智的决策和处理数据，而无需唤醒内核UART、定时器、ADC。

智能外设可延长深度睡眠模式的时间，无CPU干扰，从而延长电池寿命。节能的外设细节和说明如下所示。

• DMA

-允许节能外设(不包括ADC，UART和定时器/ PWM)在停止/  VLPS模式中触发异步DMA请求，执行DMA传输，随后在无CPU干扰的情况下返回当前的电源模式

• UART

-支持总线时钟的异步发送和接收操作，总线时钟支持到停止/  VLPS模式的通信。可配置接收器波特率，过采样率达4~32倍，允许以较低的时钟源实现更高的波特率

• SPI

-支持从模式地址匹配唤醒功能和到 停止/ VLP模式的首条消息捕获功能

• I2C

-支持到停止/ VLPS模式的多个地址匹配唤醒功能

•USB

-支持到停止/VLPS模式的异步唤醒恢复信令

• LPTPM(Timer/PWM)

-支持到停止/ VLPS模式的16位定时器输入捕捉，输出比较和PWM功能

• LPTMR(Timer/Pulse Counter)

-在所有电源模式中支持16位定时器和脉冲计数器功能

• RTC

-在所有电源模式中支持带有秒中断和可编程告警的32位秒计数器，包括温度和电压补偿

• ADC

-停止/ VLPS模式支持多个结果寄 存器中的单次转换，提供硬件平均和自动比较模式

• CMP (模拟比较器)

-在所有电源模式以及触发比较模式中支持阈值越限检测，比平均功率 更低

• DAC

-在所有电源模式中支持静态参考

• LCD段

-在所有电源模式中支持交替显示和闪烁功能

• TSI (电容触摸感应接口)

-在所有电源模式中支持单个通道唤

醒电容式触摸

• LLWU(低功耗唤醒单元)

-在LLS和VLLSx模式中支持8个唤醒引脚，RESET和NMI唤醒引脚，以及一些节能外设低功耗操作

低功耗关键点

在低功耗模式和活动运行模式两种模式中，低功耗的关键是减少能源使用总量。L系列M0+内核在配备更快的系统时钟速度时的运行速度Idd也许稍高，但L系列改进的效率允许更快进入低功耗模式，从而在整体上节省了功率。IOPORT允许单周期访问GPIO，能直接减少活动电流，此功能在GPIO密集型应用中更显著。BME最高能减少40%的位处理执行时间，从而直接减少活动电流。新的低功耗启动选项允许量身定制启动电流，以满足某些特定的低功耗应用。新的节能外设和异步DMA允许其在停止和VLP模式中运行。

问：请问支持医疗设备的和工业设备的MCU区别是什么?

答：飞思卡尔的MCU解决方案同时支持工业和医疗应用设计。飞思卡尔推出的产品长期供货计划，产品推出之后至少供应10年。医疗用的IC至少15年。

问：飞思卡尔MCU超低功耗的具体水平能达多少呢?

答：功耗水平可以达到nA级别。

问：飞思卡尔都是低功耗的吗?

答：飞思卡尔微控制器中，L系列都是Low Power系列。

问：Kinetis L系列的低功率操作模式有几种?

答：一共9种。

问：Kinetis L系列微控制器有休眠、待机之类的模式吗?切换起来方便吗?能否由中断唤醒?

答：飞思卡尔丰富了Kinetis L系列微控制器不同的工作模式，不同的功耗模式切换容易，有外设中断唤醒功能。

问：飞思卡尔是否提供支持KinetisL系列产品的开发平台和软件?

答：飞思卡尔提供了Codewarrior，现在版本10.5，另外还支持IAR和KEIL的支持，在飞思卡尔MCU产品的sample  code中会包含这三种IDE的示例代码。

问：KinetisL系列MCU的封装标准是什么?

答：Kinetis L系列支持LQFP、BGA、QFN和WLCSP封装。

问：飞思卡尔E系列MCU的ADC有什么基本性能指标?

答：1个16通道12位SAR  ADC，带有内部带隙参考通道，在停止模式下运行，可选择的硬件触发器(ADC)，两个模拟比较器，内含一个6位DAC和可编程参考输入(ACMP) 。

问：请问M0+有哪些低功耗外设可以独立工作?

答：所有外设都可以在低功耗模式下工作(LPRUN、LPSTOP等)，其中TPM、UART0、DMA可以在更低的功耗模式下工作，RTC、LPTMR、 LLS  GPIO可以在相对最低的功耗模式下工作。

问：低功耗的MCU有没有16位ADC?

答：KL1X、KL2X、KL4X都是16bits ADC，只有KL0X和部分KL1X是12bits。

问：ADC最多是几路?

答：最多24路ADC，两个ADC模块。

问：医疗应用有哪些特殊要求?

答：医疗用MCU的新的设计趋势是：更高的测量精度、更低的功耗、更长的产品生命支持、片上闪存设计而不是OTP、提高产品的可靠性等等。飞思卡尔的Kinetis  L MCU满足这些设计要求。

问：医疗设计中的网络通信设计这块可以提供哪些?

答：有BAN、WAN、Wi-Fi、NFC、Bluetooth、ANT+、GPRS/3G等等都是很好的例子。

问：医疗保健应用的微控制器系列支持哪几种操作系统?

答：飞思卡尔的Kinetis L MCU可与飞思卡尔的实时操作系统 RTOS MQX-lite (MQX精简版)，以及其他低体重 (low  weight)实时操作系统，例如FreeRTOS等。

问：这款MCU有没有较小封装?是什么样的SoC封装?

答：飞思卡尔的Kinetis L MCU支持2mm×2mm WLCSP封装，它是迄今为止世界上较小的封装MCU产品。

问：请问KinetisKL02系列的特点有些什么?

答：32位ARM  Cortex-M0+内核，与最接近的8/16位架构相比，CoreMark/mA能效得分高约2倍;内部的LPUART、SPI、I2C、ADC和LP定时器和DMA支持低功耗模式运行，无需唤醒内核;多达28个可控GPIO，支持引脚中断;内部的LPTMR低功耗定时器能够在除VLLS0外的所有功率模式下运行;内部带有12位AD等。

问：器件最多能提供几路I/O口?

答：这要具体看封装，比如64脚的，有50多路GPIO。

问：32位MCU和16位MCU哪个更适合继电保护应用?

答：都可以，具体可以根据需求选择。

问：具体应用上有哪些须特别注重的问题或关键点呢?

答：这个要看具体的应用了，如一些应用中，对EMC性能要求比较高，就要考虑处理不使用的引脚，reset引脚，NMI引脚的处理和设置等。