片上系統架構使便攜式醫療設備設計

更簡(jiǎn)單更低廉

眾所周知，近年來(lái)便攜式醫療電子已經(jīng)有了極大的發(fā)展并且被廣泛應用。越來(lái)越多的新產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上出現。實(shí)效性好的可以大量生產(chǎn)的就是那些設計簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越的方案，這樣才能保證設備成本降低。要做到這一點(diǎn)，設計師需要考慮功耗、成本、尺寸、器件的FDA認證,以及其他因素。

一個(gè)典型的便攜式醫療電子系統包括下面幾個(gè)部分：模擬前端（用于數據采集）、放大器和濾波器（用于信號調整）、模數轉換器和傳感器（用于信號采集）、按鈕（用于接受用戶(hù)的反饋）、單片機（執行算法），以及各種各樣的接口，如LCD顯示器，USB端口等等。傳統設計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)系統的BOM、PCB復雜性和設計周期。使用分立器件也不利于IP保護，因為它可以很容易仿制。

便攜式醫療設備設計和生產(chǎn)也受食品和藥品管理局(FDA)管制。這意味著(zhù)他們的設計與生產(chǎn)必須遵循精確過(guò)程歸檔，性能必須嚴格滿(mǎn)足文檔要求，必須通過(guò)開(kāi)發(fā)測試、量產(chǎn)測試和現場(chǎng)應用。一個(gè)國家食品藥品監督管理局要求醫療器械中使用的器件在接下來(lái)的5年必須能供貨。這就刺激開(kāi)發(fā)者減少整體器件數目以便FDA認證更簡(jiǎn)單。


圖1 血壓監護儀傳統設計方案

圖1和2給出了一個(gè)典型的血壓監護儀(BPM)和一種非接觸式的數字溫度計使用傳統設計的方案架構。



圖2 非接觸式數字溫度計傳統設計方案

傳統方案

一個(gè)典型的血壓監護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到約150和100分貝。壓力信號的脈沖振動(dòng)的頻率在0.3Hz~11Hz之間，振幅約為數百微伏。這類(lèi)振蕩可以通過(guò)200增益和截止頻率在0.3Hz~11Hz的帶通濾波器提取出來(lái)。速度為50赫茲的10位ADC是用來(lái)把壓力傳感器和振動(dòng)信號數字化。兩個(gè)計時(shí)器是用來(lái)計算心跳以及實(shí)施安全定時(shí)器的功能。安全定時(shí)器用來(lái)調節壓力在某一段時(shí)間內保持在目標手臂。安全定時(shí)器是AAMI標準中安全規則的一部分。一個(gè)單片機內核使用各種算法計算其收縮壓、舒張壓壓力值。PWM電機驅動(dòng)來(lái)進(jìn)行袖帶的膨脹和收縮。

一個(gè)典型的非接觸式數字測溫計采用傳感器（或者說(shuō)是溫差電偶熱電偶）,由熱偶（用來(lái)測量熱電偶溫度）和熱敏電阻（用來(lái)測量環(huán)境溫度）組成微型機械嵌入式薄膜。熱電偶根據節點(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(guò)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)外部精密電壓調節器構成了電壓分壓器。這個(gè)分壓器用來(lái)轉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算熱電偶和環(huán)境溫度。通過(guò)傳感器廠(chǎng)家給的公式或者預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。

當然，在上述的應用中，還需要其他外圍電路，例如字段LCD驅動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，按鈕、EEPROM和USB。

單片機外部的器件，比如傳感器、模數轉換器、LCD驅動(dòng)/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(guò)通用輸入輸出端口GPIO或專(zhuān)門(mén)的引腳連接到單片機。外部分離器件越多，設計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的復雜性，實(shí)現每個(gè)器件的FDA認證，增加設計/開(kāi)發(fā)時(shí)間，不利于模擬IP保護等等。