片上系統(tǒng)架構(gòu)在便攜式醫(yī)療電子中的應(yīng)用

眾所周知，近年來便攜式醫(yī)療電子已經(jīng)有了極大的發(fā)展并且被廣泛應(yīng)用。越來越多的新產(chǎn)品已經(jīng)在市場上出現(xiàn)。實(shí)效性好的可以大量生產(chǎn)的就是那些設(shè)計(jì)簡單、性能優(yōu)越的方案，這樣才能保證設(shè)備成本降低。要做到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)師需要考慮功耗、成本、尺寸、器件的FDA認(rèn)證，以及其他因素。

一個(gè)典型的便攜式醫(yī)療電子系統(tǒng)包括下面幾個(gè)部分：模擬前端(用于數(shù)據(jù)采集)、放大器和濾波器(用于信號調(diào)整)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和傳感器(用于信號采集)、按鈕(用于接受用戶的反饋)、單片機(jī)(執(zhí)行算法)，以及各種各樣的接口，如LCD顯示器，USB端口等等。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要把所有需要的部件都放到PCB上。這種方法增加了整個(gè)系統(tǒng)的BOM、PCB復(fù)雜性和設(shè)計(jì)周期。使用分立器件也不利于IP保護(hù)，因?yàn)樗梢院苋菀追轮啤?/p>

便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也受食品和藥品管理局(FDA)管制。這意味著他們的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)必須遵循精確過程歸檔，性能必須嚴(yán)格滿足文檔要求，必須通過開發(fā)測試、量產(chǎn)測試和現(xiàn)場應(yīng)用。一個(gè)國家食品藥品監(jiān)督管理局要求醫(yī)療器械中使用的器件在接下來的5年必須能供貨。這就刺激開發(fā)者減少整體器件數(shù)目以便FDA認(rèn)證更簡單。

圖1 血壓監(jiān)護(hù)儀傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1和2給出了一個(gè)典型的血壓監(jiān)護(hù)儀(BPM)和一種非接觸式的數(shù)字溫度計(jì)使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案架構(gòu)。

圖2 非接觸式數(shù)字溫度計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)方案

一個(gè)典型的血壓監(jiān)護(hù)儀使用壓差傳感器測量袖口或手臂的壓力。這個(gè)傳感器是作為輸出的，只有幾十微伏(30μV~50μV)，輸出壓力信號需要使用高增益放大器放大，從而達(dá)到良好的共模抑制比(CMRR)。通常增益和共模抑制比需要分別達(dá)到約150和100分貝。壓力信號的脈沖振動的頻率在  0.3Hz~11Hz之間，振幅約為數(shù)百微伏。這類振蕩可以通過200增益和截止頻率在0.3Hz~11Hz的帶通濾波器提取出來。速度為50赫茲的10  位ADC是用來把壓力傳感器和振動信號數(shù)字化。兩個(gè)計(jì)時(shí)器是用來計(jì)算心跳以及實(shí)施安全定時(shí)器的功能。安全定時(shí)器用來調(diào)節(jié)壓力在某一段時(shí)間內(nèi)保持在目標(biāo)手臂。安全定時(shí)器是AAMI標(biāo)準(zhǔn)中安全規(guī)則的一部分。一個(gè)單片機(jī)內(nèi)核使用各種算法計(jì)算其收縮壓、舒張壓壓力值。PWM電機(jī)驅(qū)動來進(jìn)行袖帶的膨脹和收縮。

一個(gè)典型的非接觸式數(shù)字測溫計(jì)采用傳感器(或者說是溫差電偶熱電偶)，由熱偶(用來測量熱電偶溫度)和熱敏電阻(用來測量環(huán)境溫度)組成微型機(jī)械嵌入式薄膜。熱電偶根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的壓差產(chǎn)生直流電壓。熱電偶的輸出保持在幾微伏。熱電偶信號經(jīng)過一種低噪聲精密放大器進(jìn)行了放大。由一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)外部精密電壓調(diào)節(jié)器構(gòu)成了電壓分壓器。這個(gè)分壓器用來轉(zhuǎn)換熱敏電阻電壓的變化對溫度的變化。熱電偶和熱敏電阻的電壓用于計(jì)算熱電偶和環(huán)境溫度。通過傳感器廠家給的公式或者預(yù)存的查找表得到電壓，從而得到溫度。環(huán)境溫度加上熱電偶溫度得到就是最終的溫度測量值。

當(dāng)然，在上述的應(yīng)用中，還需要其他外圍電路，例如字段LCD驅(qū)動、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，按鈕、EEPROM和USB。

單片機(jī)外部的器件，比如傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、LCD驅(qū)動/控制器、USB控制器、濾波器，以及放大器都是外圍器件。這些器件可以通過通用輸入輸出端口  GPIO或?qū)ｉT的引腳連接到單片機(jī)。外部分離器件越多，設(shè)計(jì)者必須考慮的局限性和約束就越多，例如器件清單管理，多層PCB的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)每個(gè)器件的  FDA認(rèn)證，增加設(shè)計(jì)/開發(fā)時(shí)間，不利于模擬IP保護(hù)等等。

基于片上系統(tǒng)的方案

今天的片上系統(tǒng)(SoC)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為便攜式醫(yī)療電子設(shè)備提供了一種新的思路。使用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以帶來眾多的附加價(jià)值。圖3和圖4的設(shè)計(jì)描繪了血壓監(jiān)測和非接觸式數(shù)字溫度計(jì)使用片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案。

圖3 使用片上系統(tǒng)的血壓監(jiān)測方案

使用基于片上系統(tǒng)的血壓監(jiān)測設(shè)備可以簡化設(shè)計(jì)，達(dá)到更好的效果。片上系統(tǒng)可以集成設(shè)計(jì)所需的高增益放大器。振蕩脈沖可以通過集成的模擬/數(shù)字過濾器來提取。片上系統(tǒng)里面的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC可以用來數(shù)字化數(shù)據(jù)。集成的CPU核可以提供處理能力來處理所需的先進(jìn)的過程算法。這個(gè)器件還可以集成字段LCD驅(qū)動(用于顯示)、EERPROM(數(shù)據(jù)日志)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(時(shí)間標(biāo)記)、全速USB(作為PC接口)、直接存儲器存取DMA(與CPU數(shù)據(jù)交換)和電容感應(yīng)按鍵(可以取代機(jī)械按鍵)。片上系統(tǒng)中的定時(shí)器可以用來計(jì)算出心率和處理安全功能，集成的脈寬調(diào)制器PWM可以用來控制電機(jī)。片上系統(tǒng)還可以工作在獨(dú)特的寬工作電壓下并且可以達(dá)到較低的功耗，這個(gè)特點(diǎn)正是電池驅(qū)動設(shè)備的理想特性。

圖4 使用片上系統(tǒng)的非接觸式數(shù)字溫度計(jì)方案

對于紅外測溫儀，片上系統(tǒng)也集成了所需的放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(檢測微伏變化)。片上系統(tǒng)內(nèi)部的精密參考電壓為傳感器提供了穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的參考。片上系統(tǒng)還集成了其他功能，包括字段LCD驅(qū)動、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、USB接口、電容感應(yīng)等等。

如上所述，片上系統(tǒng)集成了便攜式醫(yī)療電子應(yīng)用所需的大部分外圍器件。這不僅可以減少外部器件，還可以保護(hù)模擬IP，因?yàn)樗汛蟛糠帜M器件都整合到了芯片里面。并且，更少的器件還意味著可以簡化PCB，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，從而更快的投放市場。芯片里面的不同外圍器件的電源可以單獨(dú)設(shè)為不同的模式，因此系統(tǒng)電源管理變得更簡單、更有效。片上系統(tǒng)芯片還可以動態(tài)重構(gòu)，這也降低了成本和時(shí)間，并且有利于重新設(shè)計(jì)或改變設(shè)計(jì)。最重要的是，使用片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化了器件清單，這使FDA認(rèn)證更簡單。便攜式醫(yī)療電子設(shè)備所有類型——血糖測定儀、血壓計(jì)、便攜式心電圖設(shè)備等，都可以使用這種方法實(shí)現(xiàn)。

舉例說明，賽普拉斯的PSoC產(chǎn)品(可編程片上系統(tǒng))可用于度身定制手持應(yīng)用設(shè)備(如血壓監(jiān)控器、血糖測定儀和脈沖血氧定量計(jì))。PSoC3/5整合了8051 /  ARM cortex M3核(可以工作在33 MIPS和100 DMIPS)、放大器、專用的數(shù)字濾波模塊、可配置的Delta Sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、  可以驅(qū)動736個(gè)字段LCD驅(qū)動、電容式觸摸感應(yīng)按鈕和接近檢測、2KB的EEPROM、全速USB  2.0和許多其它的功能，從而真正達(dá)到了單芯片解決方案的目的。以上這些，再加上PSoC  Creator集成開發(fā)環(huán)境(已經(jīng)預(yù)制了每個(gè)功能的可編程IP模塊，提供了所需的全部設(shè)計(jì)工具)，這使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者可以隨心所欲對自己的產(chǎn)品進(jìn)行編程，從而可以縮短設(shè)計(jì)周期。

總體來說，使用片上系統(tǒng)可以使便攜式醫(yī)療電子設(shè)計(jì)更簡單，可以保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，可以提供新穎獨(dú)特的方法來使功能更個(gè)性化，可以使FDA認(rèn)證更簡單。