Präzision in der Medizintechnik
PIC-Mikrocontroller mit integriertem 16-bit-A/D-Wandler
Als analoges System on Chip bezeichnet Microchip seinen Mikrocontroller PIC24FJ128GC010, da es neben dem MCU-Core eine komplette Signalverarbeitungskette enthält. Tatsächlich handelt es sich um den ersten PIC-Controller mit einem 16-bit-A/D-Wandler.
Microchip hat unter der Bezeichnung PIC24FJ128GC010 eine neue Mikrocontroller-Familie entwickelt, welche einen zweikanaligen 16-bit-Präzisions-A/D- Wandler, einen weiteren 12-bit-A/D- Wandler mit einer Abtastrate von 10 MS/s, einen D/A-Wandler und zwei Operationsverstärker enthält. Damit will Microchip den Anforderungen von Medizingeräte-Entwicklern Rechnung tragen, denen die üblichen 12- und 14-bit-A/D-Wandler nicht mehr die mittlerweile gewünschte Präzision liefern.
Bei maximalem Oversampling kommt der Microchip-Wandler auf effektive 15,5 bit bei einer Abtastrate von 1 kS/s. Der 12-bit-Wandler kommt auf 10 MS/s. Um die Signalkette zu vervollständigen, spendierten die Entwickler dem Chip noch drei programmierbare Spannungsreferenzen, zwei 10-bit-D/A-Wandler und zwei Operationsverstärker auf Basis von Microchips proprietärer sogenannter XLP-Technologie (Xtreme Low Power). Die Leistungsaufnahme im Deep-Sleep-Modus beträgt nur 18 nA, im aktiven Modus werden allerdings auch bedingt durch die vergleichsweise großen Strukturgrößen bei der Fertigung 180 µA/MHz aufgenommen; das ist deutlich mehr, als MCUs mit 32-bit-Cores wie ARMs Cortex-M0/M0+ aufnehmen, und genausoviel, wie selbst der seitens der Rechenleistung deutlich stärkere Cortex-M3 aufnimmt.
Die Frage ist natürlich, wie lange sich eine Anwendung im Sleep-Modus befindet und wie lange sie im aktiven Modus rechnet - der Energiebedarf, der ja letztendlich für die Lebensdauer der Batterie verantwortlich ist, ist bekanntlich das Integral beider Modi über die Zeit. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, um aus dem Ruhezustand zu erwachen, einschließlich Low-Power-Timer, Echtzeituhr und Benutzer-I/O.
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Das Bild zeigt das Blockschaltbild des PIC-Controllers. Die Timer und Kommunikations-Peripherie befinden sich im Pin-Auswahl-Block und können auf unterschiedliche Pins gelegt werden, um die Zugänglichkeit der Analog-Funktionen nicht zu beeinträchtigen.
Diese vergleichsweise hohe Integration bietet logischerweise diverse Vorteile: Es wird Platz auf dem Board gespart, die Stückliste wird reduziert und - das ist gerade wichtig, um die Präzision des 16-bit-A/D-Wandlers ausnutzen zu können - die Störspannung sinkt. Der Baustein ist zudem für eine 2-V-Spannungsversorgung ausgelegt, um ohne Spannungswandler an gewöhnlichen Batterien zu funktionieren. Da viele Medizingeräte eine ausfallsichere Echtzeituhr benötigen, wurde dieser mit einer eigenen Backup-Batterieversorgung versehen. Wenn der Ausfall der Hauptbatterie droht, kann der Controller einige Register der Echtzeituhr setzen und deren Inhalt über einen Reset hinweg erhalten.
Anwendungsbeispiele sind tragbare medizinische Überwachungsgeräte oder Blutdruck- und Blutzuckermessgeräte. Die PIC24FJ128GC010-Familie schließt einen LCD-Treiber für die Ansteuerung von bis zu 472 Segmenten von Displays mit umfangreichen alphanumerischen Laufschriften ein. Medizingeräte können über den USB-Port die klinischen Daten erhalten. Dazu gibt es noch eine mTouch-Schnittstelle für Benutzereingaben.
Die PIC24FJ128GC010-Familie wird durch das Starterkit für „PIC24F Intelligent.Integrated.Analog“ unterstützt, das zum Einführungspreis von 89,99 Dollar für eine begrenzte Zeit angeboten wird. Dieses Kit ist insbesondere für den integrierten Analogteil der Familie bestimmt, um die Signalintegrität zu bewahren. Es bietet zu 95 % alles, was der Designer benötigt, um den analogen Prototyp eines Handys zu entwickeln - der fehlende Rest sind die Sensoren.
Muster der neuen PIC24FJ128GC010-Familie sind ab sofort lieferbar. Der PIC24FJ128GC010 mit 128 KB Flash-Speicher und der PIC24FJ64GC010 mit 64 KB Flash-Speicher sind in 100-poligem TQFP- und 121-poligem BGA-Gehäuse erhältlich. Der PIC24FJ128GC006 mit 128 KB Flash-Speicher und der PIC24FJ64GC006 mit 64 KB Flash-Speicher werden in 64-poligen TQFP- und QFN-Gehäusen angeboten.
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