通過基于SoC的方法設(shè)計(jì)手持醫(yī)療設(shè)備
賽普拉斯半導(dǎo)體公司
Amit Nanda Viren Ranjan
摘要： 醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)個(gè)人除顫器及動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)視儀等手持醫(yī)療設(shè)備需求的大幅提升。但實(shí)際上設(shè)計(jì)此類醫(yī)療設(shè)備并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。選擇適當(dāng)?shù)慕M件滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、降低成本、盡可能提高功率效率、盡力控制設(shè)備的物理尺寸等僅是設(shè)計(jì)此類產(chǎn)品時(shí)必須要考慮的部分問題。此外，開發(fā)人員還必須要保證設(shè)備的可靠性，同時(shí)還須確保使用的所有組件全都符合美國(guó)食物及藥品管理局 (FDA) 的規(guī)范要求。例如，F(xiàn)DA 要求醫(yī)療設(shè)備使用的所有組件在今后 5 年內(nèi)都必須保持量產(chǎn)狀態(tài)?？紤]到上述要求，許多開發(fā)人員都開始轉(zhuǎn)而采用片上系統(tǒng)架構(gòu)來縮短設(shè)計(jì)周期，減少組件數(shù)量，并降低醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品成本。
Abstract：
Key words :
醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)個(gè)人除顫器及動(dòng)態(tài)血糖監(jiān)視儀等手持醫(yī)療設(shè)備需求的大幅提升。但實(shí)際上設(shè)計(jì)此類醫(yī)療設(shè)備并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。選擇適當(dāng)?shù)慕M件滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、降低成本、盡可能提高功率效率、盡力控制設(shè)備的物理尺寸等僅是設(shè)計(jì)此類產(chǎn)品時(shí)必須要考慮的部分問題。此外，開發(fā)人員還必須要保證設(shè)備的可靠性，同時(shí)還須確保使用的所有組件全都符合美國(guó)食物及藥品管理局 (FDA) 的規(guī)范要求。例如，F(xiàn)DA 要求醫(yī)療設(shè)備使用的所有組件在今后 5 年內(nèi)都必須保持量產(chǎn)狀態(tài)?？紤]到上述要求，許多開發(fā)人員都開始轉(zhuǎn)而采用片上系統(tǒng)架構(gòu)來縮短設(shè)計(jì)周期，減少組件數(shù)量，并降低醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品成本。
目前的設(shè)計(jì)方法
下列圖 1 和圖 2 給出的是目前市場(chǎng)上常見的兩款手持醫(yī)療設(shè)備的方框圖。第一個(gè)是血糖儀的方框圖，而第二個(gè)是血壓監(jiān)測(cè)儀的方框圖。圖 3 顯示的是電源管理單元。
上述兩款設(shè)備在基本構(gòu)造方面彼此類似。主要的區(qū)別在于其各自連接的傳感器。
構(gòu)成此類醫(yī)療設(shè)備的常見組件包括：
核心
· 微控制器：執(zhí)行所有數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)級(jí)管理任務(wù)。
外圍組件
·傳感器：血糖儀采用侵入式/非侵入式生物感應(yīng)器，血壓監(jiān)測(cè)儀采用壓力傳感器。
·ADC：將來自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。
·過濾器(濾波器)：過濾掉(濾除)輸入信號(hào)中的噪聲。
·LCD 控制器和 LCD 玻璃基板(屏)：為用戶顯示相關(guān)信息。
·USB 接口：與 PC 同步，監(jiān)控并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用于后期分析。
·非易失性閃存存儲(chǔ)器：用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。
·電源管理系統(tǒng)：包括升壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器。
外設(shè)組件外置于微控制器，并通過 GPIO 或?qū)ｉT的引腳與微控制器相連接。
上述設(shè)計(jì)方法有不少局限性：
·外部組件數(shù)量過多。組件數(shù)量的增加意味著需要更多的 PCB 空間。
·外部組件越多，PCB 跡線產(chǎn)生噪聲的幾率也就越大。
·每個(gè)外部組件都必須分別得到 FDA 的批準(zhǔn)。
·軟硬件開發(fā)都很費(fèi)力，導(dǎo)致開發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)。
·不能修改或很難修改。
基于 SoC 的設(shè)計(jì)方法
片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)提供了一種不同的設(shè)計(jì)方法，即在微控制器所處的芯片上集成或仿真大部分外設(shè)。如果設(shè)備大規(guī)模生產(chǎn)的話，ASIC 的成本通常較低。不過，如果考慮到可編程性和靈活性的話，SOC 則更加適用。此類設(shè)計(jì)的方框圖如下所示：
我們可以看到，由于大多數(shù)外設(shè)組件都集成到了 SOC，板上組件數(shù)量立即減少了很多。此外，該新型設(shè)計(jì)方法還具有以下優(yōu)勢(shì)：
·組件數(shù)量的減少同時(shí)可大幅縮短設(shè)計(jì)周期。
·由于可通過軟件在芯片中仿真硬件，因此可根據(jù)需要方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。
·外設(shè)數(shù)量的減少可降低不同外界來源對(duì)板所造成的噪聲影響。
·因?yàn)?SoC 的某些特性在不需要時(shí)可以關(guān)閉，電源管理因而得以簡(jiǎn)化。
上述優(yōu)勢(shì)適用于任何嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而對(duì)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員來說更有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用代碼非常復(fù)雜，工程師有時(shí)很難順利編寫。但最難的是創(chuàng)建一個(gè)讓所有組件均無縫協(xié)作的架構(gòu)，因其必須要解決每個(gè)組件使用什么接口、I/O 是否夠用以及如何通過不同接口的多路復(fù)用支持多個(gè)組件工作等各種問題。
利用 SoC 的可再配置性，管理接口的工作得以簡(jiǎn)化，不需要再手動(dòng)編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、API 和代碼，而是可以選擇最佳配置設(shè)置，編寫盡可能少的代碼，確保組件相互協(xié)作。這種方法還可使開發(fā)人員通過改變 SOC 的配置啟用或禁用某些特性來發(fā)布同一產(chǎn)品的不同版本，以滿足不同價(jià)位的需要。產(chǎn)品的銷售定價(jià)既可以提升也可以降低，價(jià)格的提升可以通過增加特性來實(shí)現(xiàn)。這種發(fā)揮可再配置性的方法縮短了開發(fā)時(shí)間，節(jié)約了成本，而更重要的是這種方法能使公司推出滿足不同細(xì)分市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。利用這種設(shè)計(jì)方法還可縮短設(shè)備驗(yàn)證和測(cè)試的時(shí)間。此外，采用基于 SOC 的設(shè)計(jì)方法也有助于公司符合 FDA 的規(guī)定，因?yàn)榇_保具體的一款 SOC 在今后五年內(nèi)保持量產(chǎn)狀態(tài)比確保大量的外部組件要容易得多。下列圖 5 顯示的是采用可再配置架構(gòu)的醫(yī)療設(shè)備示意圖，該產(chǎn)品采用了包含可編程數(shù)字和模擬模塊的賽普拉斯可編程片上系統(tǒng) (PSoC)。
可編程 SoC 架構(gòu)還可讓設(shè)計(jì)人員靈活地實(shí)時(shí)更改相關(guān)功能，根據(jù)相應(yīng)應(yīng)用和具體的工作環(huán)境改善電源管理和抗噪性。但這種方法有一個(gè)潛在的局限性，就是針對(duì)具體設(shè)計(jì) (取決于應(yīng)用數(shù)量和組件的可用性)而言，SOC 在實(shí)際使用中可能比低成本微控制器搭配外設(shè)組件時(shí)的成本要高一些。不過，考慮到用單一器件替代眾多不同器件的優(yōu)勢(shì)，如設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化、可靠性的提高、總擁有成本的降低等，基于 SOC 的設(shè)計(jì)方法對(duì)許多醫(yī)療應(yīng)用來說仍不失為一種令人信服的選擇。
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