便攜式醫(yī)療電子裝置的設(shè)計(jì)考慮

　　隨著糖尿病和心臟病等嚴(yán)重疾病的發(fā)病率激增，伴隨而來(lái)的是對(duì)精確的便攜式家用患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，這包括膽固醇、血液情況、血壓監(jiān)測(cè)、以及其它便攜式醫(yī)療器件。而且，更重要的是裝置的使用者能夠跟進(jìn)個(gè)人測(cè)試的結(jié)果。移動(dòng)電話業(yè)界的技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)建了相當(dāng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和外形尺寸，令產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者的可用性及易用性大大提高。對(duì)于患者監(jiān)測(cè)設(shè)備，達(dá)到這種階段的簡(jiǎn)化過(guò)程需要考慮很多情況。本文將借助集成電路 (IC) 在移動(dòng)電話行業(yè)中取得的成功，一一列舉這些考慮因素，而更重要的是介紹能幫助此簡(jiǎn)化過(guò)程的最新型 IC 器件。

　　根據(jù)移動(dòng)電話的演進(jìn)方式，有多項(xiàng)明顯趨勢(shì)是所有便攜式裝置都應(yīng)該考慮的。以下將要討論的內(nèi)容包括：I/O標(biāo)準(zhǔn)、USB端口的優(yōu)點(diǎn)、ESD保護(hù)的耐久性、以及使用模擬開(kāi)關(guān)來(lái)提高醫(yī)療裝置中 FPGA 和 ASIC 的功能性。

　　隨著 ASIC 和 FPGA 越來(lái)越普及，使用它們作為裝置的核心似乎是自然不過(guò)的決定。這種決定的初始成本優(yōu)勢(shì)是可以很容易計(jì)算出的，但重要的是還得考慮集成為一體化裝置所需要的各種器件。便攜式設(shè)計(jì)的核心工作電壓常常為2.5V或者更低，在脫離電池工作時(shí)這一點(diǎn)非常有用，可以利用一種升壓功率管理器件以最小的電壓差維持效率。但是，能在 ASIC 中實(shí)現(xiàn)這種低核心電壓以及豐富門數(shù)的技術(shù)也不是沒(méi)有缺點(diǎn)的，相反這些器件很容易受到高電壓峰值 (即便電流值很小) 的影響，這些峰值被稱作靜電放電 (ESD)。

　　如果在數(shù)據(jù)手冊(cè)中均列出了技術(shù)規(guī)范，ASIC 的 ESD 額定值約為 2kV HBM (人體模型)。對(duì)于便攜式醫(yī)療裝置中的內(nèi)部接口，這不成為問(wèn)題，但是ESD會(huì)導(dǎo)致任何與外部連接器相連的硅器件失效。

　　對(duì)于這樣的情形，模擬開(kāi)關(guān)是十分理想的選擇。從視頻到數(shù)據(jù) I/O 端口、乃至音頻耳機(jī)等連接器接口，都是模擬開(kāi)關(guān)所適合的應(yīng)用。飛兆半導(dǎo)體是開(kāi)關(guān)市場(chǎng)中的領(lǐng)導(dǎo)者，這些開(kāi)關(guān)能夠輕易地支持 8kV HBM 保護(hù)，甚至超過(guò) 10kV;帶寬從幾千赫至最新式視頻開(kāi)關(guān)系列的超過(guò) 1GHz 的傳輸率。它們不僅可以保護(hù) ASIC，還可以在接近芯片級(jí)的封裝中增添功能。它們的功能用語(yǔ)也就是標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)的用語(yǔ)，即 SPST 相應(yīng)于單極單擲開(kāi)關(guān);SPDT 則為雙擲。單個(gè)封裝中的開(kāi)關(guān)數(shù)量可以是1~4個(gè)，支持單端和差分接口。增加模擬開(kāi)關(guān)能夠帶來(lái)變化多樣的ASIC。例如，如果某個(gè)醫(yī)療裝置中有兩個(gè)獨(dú)立的傳感器 (如某個(gè)糖尿病檢測(cè)器中的兩個(gè)血液分析傳感器，一個(gè)作為備份;另一個(gè)作為精確測(cè)量)，可使用一個(gè) SPDT 開(kāi)關(guān)在 ASIC 和每個(gè)傳感器之間進(jìn)行切換。耳機(jī)端口可使用專用開(kāi)關(guān)，用來(lái)在兩個(gè)聲音發(fā)生器之間進(jìn)行切換，或者提供下沖保護(hù)，以避免在將耳機(jī)插入插孔時(shí)聽(tīng)到輕微的爆破聲。

　　所有便攜式裝置的一個(gè)重要特點(diǎn)就是添加存儲(chǔ)的能力。存儲(chǔ)卡的標(biāo)準(zhǔn)眾多，幾種最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)是 SD、 MicroSD 以及 XD。為了避免使設(shè)計(jì)局限于使用一種存儲(chǔ)卡，使用模擬開(kāi)關(guān)便能夠?qū)崿F(xiàn)添加兩個(gè)以上的存儲(chǔ)卡插槽。因?yàn)槊看沃荒茉L問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)卡，所以不需要使用動(dòng)態(tài)集線器型開(kāi)關(guān)。SD卡發(fā)展到能夠?qū)?yīng)用程序集成進(jìn)實(shí)際的存儲(chǔ)卡中。應(yīng)用程序包括“藍(lán)牙”、Wi-Fi、指紋掃描器和GPS等，這種發(fā)展還在繼續(xù)。在便攜式設(shè)計(jì)中增加SD卡功能，將可以隨著這些插卡得到發(fā)展時(shí)獲得益處。

　　如前所述，假如需要對(duì)各種視頻信號(hào)源進(jìn)行混合，也可以使用模擬開(kāi)關(guān)。對(duì)于便攜式醫(yī)療裝置，這并不是常見(jiàn)的要求，但是在其它所有類型的便攜式裝置上，視頻輸出連接器已經(jīng)愈來(lái)愈普遍。移動(dòng)電話已經(jīng)開(kāi)始增加這類功能，主要用于瀏覽附帶相機(jī)拍攝的照片。那么為什么要在醫(yī)療裝置上設(shè)置視頻輸出端口?

　　因?yàn)閺?fù)合視頻輸出能夠讓用者完整地回顧所有記錄、或者用于以全尺寸回放視頻。圖形處理常常是 ASIC 供應(yīng)商提供的一種選項(xiàng)，但是還需要一個(gè)視頻驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電纜。飛兆半導(dǎo)體的最新型 FMS6501 是一款超小型的集成式視頻濾波器和線路驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)可提供 ESD 保護(hù)。

　　不管是否存在視頻端口，這種器件都必須具有輸入和輸出外部數(shù)據(jù)的方法。如果這個(gè)端口也是電池充電的主要端口就更加理想。獲廣泛采用的 I/O 端口的通用串行總線 (USB) 標(biāo)準(zhǔn)正好能做到這點(diǎn)，而且已經(jīng)幾乎取代了以前的串行連接。隨著 USB 技術(shù)變得日趨成熟，USB 將擁有更多的選項(xiàng)。USB OTG (On The Go) 不需要使用 PC 來(lái)建立通信連接，就可以將醫(yī)療裝置直接與打印機(jī)相連。此外，無(wú)線 USB帶來(lái)了更多的便利。在這種情況下，主要的決定是將 USB 收發(fā)器與 ASIC 集成還是使用獨(dú)立的 PHY 級(jí)收發(fā)器。使用分立式收發(fā)器方式的優(yōu)點(diǎn)類似于上述使用模擬開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。它們省掉了 ASIC 用于復(fù)雜 I/O 的接腳，并為昂貴的核心器件提供 ESD 緩沖。飛兆半導(dǎo)體的 USB 收發(fā)器的ESD 保護(hù)達(dá)到 15kV，為業(yè)界的最高水平。PC 中的 USB 端口亦可通過(guò) Vbus 接腳來(lái)提供500mA 下5V的電源。該電源可用來(lái)以同步方式為裝置提供能量，甚至可以用來(lái)為電池充電。請(qǐng)參照 USB 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證與電源技術(shù)規(guī)范兼容，有可能需要在端口上同時(shí)設(shè)置一個(gè)限流裝置，例如飛兆半導(dǎo)體的 Intellimax(r) 器件。

　　醫(yī)療消費(fèi)品追求的是易用、耐用和精確。便攜技術(shù)的潛能已經(jīng)顯現(xiàn)，并在當(dāng)今移動(dòng)電話業(yè)中得到驗(yàn)證，希望只需維持盡可能少的便攜器件。醫(yī)療界必須走類似的發(fā)展道路，例如：一體化血液分析儀、體溫計(jì)、以及血壓裝置。當(dāng)醫(yī)療裝置通過(guò) USB 端口與 PC 的分析能力相結(jié)合時(shí)，患者便能夠進(jìn)行精確測(cè)試并全程跟蹤。了解這些小信號(hào)領(lǐng)域中前沿 IC，將可開(kāi)發(fā)出更優(yōu)秀的終端醫(yī)療產(chǎn)品。