SoC微處理器推動(dòng)便攜式醫療設備創(chuàng )新發(fā)展
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便攜式醫療設備正不斷改進(jìn)數以百萬(wàn)計患者的醫療保健條件。諸如血糖監測儀、心率檢測儀、可吞咽胃腸 (GI) 道檢測儀以及止痛植入物等眾多設備都在不斷提升慢性或急性疾病患者的生活質(zhì)量。便攜式自動(dòng)除顫器可以挽救急病患者的生命。運動(dòng)手表不僅能夠無(wú)線(xiàn)記錄用戶(hù)的心率、測量距離、進(jìn)行腳步計數，而且還可實(shí)現能最大限度發(fā)揮有氧訓練優(yōu)勢的其它功能。未來(lái)幾年中，還將繼續推出眾多能顯著(zhù)改善醫療實(shí)施及其效果的創(chuàng )新型醫療應用產(chǎn)品。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/199673.htm實(shí)際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要采用低功耗微處理器 (MCU) 來(lái)接收用戶(hù)或操作員的指令，并提供讀數與狀態(tài)更新。由于幾乎所有此類(lèi)產(chǎn)品都依靠電池運行，因而不斷延長(cháng)電池使用壽命成為需要重點(diǎn)考慮的事項。盡管這些產(chǎn)品在電池使用壽命需求方面各有不同，不過(guò)一般電池更換間隔在 2~10 年之間。另外，這些受空間限制的產(chǎn)品通常需要采用高度集成的模擬組件，以便將信號調節和轉換至能夠對其進(jìn)行處理和譯碼的數字域。
滿(mǎn)足便攜式醫療領(lǐng)域的微處理器需求給半導體企業(yè)帶來(lái)了挑戰。雖然工程設計無(wú)外乎是在相對立的功能、規范以及空間限制條件之間進(jìn)行取舍，但是這種平衡取舍在便攜式醫療領(lǐng)域往往非常棘手。醫療市場(chǎng)的相關(guān)需求往往很難協(xié)調，如小尺寸與高功能性、低功耗與高性能模擬，以及超長(cháng)電池使用壽命與高處理能力等。這些產(chǎn)品需要模數轉換器 (ADC)、可調節增益、電源管理以及液晶顯示屏 (LCD) 等。
推出超低功耗的高集成度 MCU 催生了能緩解患者病痛、改進(jìn)其護理并提高生活質(zhì)量的產(chǎn)品。圣猶達醫療用品公司 (St. Jude Medical company) 旗下 Advanced Neuromodulation Systems 公司推出的 Eon 脊髓刺激器就是用于治療慢性疼痛的可植入裝置的示例之一（圖 1）。植入的系統 (implantable device) 可以向脊髓附近的導體發(fā)送微弱的電脈沖，其可屏蔽或阻斷從神經(jīng)系統發(fā)送到大腦的痛感，用一種稱(chēng)為感覺(jué)異常的更舒適感覺(jué)替代疼痛感覺(jué)。
圖 1 影像由圣猶達醫療用品公司供。Eon 脊髓刺激系統已獲準用于治療軀干與四肢慢性疼痛以及腰椎手術(shù)失敗綜合征。植入臀部的系統可以向脊髓附近的導體發(fā)送微弱的電脈沖。這些脈沖可以阻斷發(fā)送到大腦的疼痛信號。
SmartPill 是最近推出的另一款有趣的產(chǎn)品（見(jiàn)圖 2），它精巧的設計使患者能夠吞入體內，進(jìn)行胃腸道狀況的監測。在穿越胃腸道的過(guò)程中，它能夠以無(wú)線(xiàn)方式向便攜式數據采集設備發(fā)送數據。以前從胃腸道采集數據的方法對患者造成的創(chuàng )傷較大，而且／或者相當不便利。這種設備必須同時(shí)滿(mǎn)足超小外形與超長(cháng)電池使用壽命兩方面的要求。
圖 2
從 SmartPill 系統可以看出，RFID、ZigBee 和 802.15.4 等低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議及其它專(zhuān)有協(xié)議已經(jīng)大幅提升了醫療領(lǐng)域的創(chuàng )新水平。除了以患者為中心的產(chǎn)品之外，多家公司最近還宣布推出了基于無(wú)線(xiàn)協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統，旨在追蹤醫院設備與工作人員。
集成
便攜式醫療設備可顯著(zhù)受益于現代 SoC 與板上 MCU 的高集成度。如果不能在狹小的空間內為提供更多功能而進(jìn)行高度的模擬集成，諸如此類(lèi)的微小型產(chǎn)品就只能是紙上談兵。
圖 3 顯示的是可以用作血糖監測儀或脈博血氧測定儀等便攜式醫療產(chǎn)品 SoC 的現代微處理器方框圖。這種集成型微處理器是驅動(dòng)上述設備的唯一 IC。這類(lèi)通常用于醫療應用的微處理器可包含以下功能：
圖 3
* 高性能 ADC，通常不低于 12 位
* 用于自動(dòng)增益控制等信號調節的運算放大器
* 數模轉換器 (DAC)，有時(shí)用于反饋
* 基于段的 LCD 驅動(dòng)器
* 用于 ADC 的高性能參考電壓
* 集成閃存與 RAM 存儲器
* 電源管理與監控器，這類(lèi)產(chǎn)品通?？梢灾苯硬捎靡活w紐扣鋰電池或兩節堿性電池運行。
高集成度優(yōu)勢眾多，其中包括可縮減 PCB 面積、降低制造成本、簡(jiǎn)化采購流程并最大限度降低功耗。只要對閃存進(jìn)行電路內編程，則集成的閃存與 RAM 不但可以用作程序與數據存儲器，而且還可以用作數據記錄存儲器。
MSP430FG4270 MCU 就是一款可實(shí)現成本優(yōu)勢的高度集成器件的很好例證，其集成了 ADC、DAC、可編程增益運算放大器、高精度電壓基準以及 LCD 驅動(dòng)器。采用獨立芯片實(shí)現這種芯片的高級模擬性能不但會(huì )使物料清單 (BOM) 成本大約增加 1 美元，更不必提額外提高的采購、物流與制造成本。這些附加費用在設計階段很容易被忽視，但往往會(huì )造成大量問(wèn)題，尤其是在一種或多種組件存貨不足而導致停產(chǎn)的情況下就會(huì )不堪重負。
此外，能夠選擇存儲器的大小也會(huì )給設計人員帶來(lái)巨大優(yōu)勢。由于存儲器大小與裸片大小之間存在大致上的線(xiàn)性關(guān)系，因此 MCU 的成本與存儲器的大小成正比。如果對編程存儲器的初步估計較低，則根據編程需求選擇存儲器大小不但可以?xún)?yōu)化 BOM 成本，而且還可降低風(fēng)險。此外，僅使用固件和 BOM 選項即可借助這種能力讓不同等級的最終產(chǎn)品具備不同數量的功能。
低功耗
設備電池的更換周期越長(cháng)，最終用戶(hù)的滿(mǎn)意度或者患者的舒適度就越高。另外，大多數便攜式醫療設備中的 MCU 大多數時(shí)間都處于待機（睡眠）模式。也就是說(shuō)，實(shí)現超低待機電流的能力是設備電池使用壽命的主要因素。
對于頻繁轉換待機模式的產(chǎn)品（如數據記錄儀），另一個(gè)關(guān)鍵參數是從待機模式到喚醒所需的時(shí)間。MCU退出待機模式時(shí)耗費的能量往往會(huì )與其進(jìn)行全負載處理時(shí)需要的能量相當。由于 MCU 在喚醒階段不執行有用的處理，也即用于退出待機模式的能量實(shí)際上是浪費掉了，因而必須縮短短喚醒時(shí)間。此外，現代的 MCU 也需要快速喚醒以響應觸發(fā)事件。例如，TI 的部分 MSP430 MCU 可以在穩定時(shí)鐘不到 1 微秒的時(shí)間內進(jìn)入完全運行模式，從而實(shí)現近乎實(shí)時(shí)的待機退出運行。
由于 MCU 激活的每個(gè)周期都會(huì )消耗能量，因此盡可能縮短處理時(shí)間就成為延長(cháng)電池使用壽命的關(guān)鍵。低功耗 MCU 包含許多有助于最大限度縮短處理時(shí)間的功能。例如，在執行數據分析之前的一定時(shí)期內產(chǎn)品需要從 ADC 采集數據。如果 MCU 在數據采集期間處于激活狀態(tài)，則處理器勢必會(huì )浪費不必要的能量。通過(guò)讓 ADC 采集數據并將其保存到存儲器中，某些 MCU 能夠采用直接存儲器存取功能來(lái)盡可能縮短所必須激活處理器的時(shí)間。一旦采集到所需樣本數，處理器就會(huì )退出待機模式，隨即分析數據并輸出相關(guān)結果。
如前所述，能最大限度地降低功耗是高集成度的另一大優(yōu)勢。MCU可以更加簡(jiǎn)單精確地控制運算放大器、DAC 或 ADC 等外設的啟動(dòng)和關(guān)閉，而且可以在不需要的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉這些外設。運算功耗是另一個(gè)關(guān)鍵參數。盡管 MCU 激活狀態(tài)的運行時(shí)間相對較短，但如果運算功耗較高，為了檢查電池電壓電平等各種狀態(tài)而從待機模式將其喚醒會(huì )很快耗盡電池電量。此外，由于某些產(chǎn)品采用 ZigBee、802.15.4 等無(wú)線(xiàn)協(xié)議或 TI 的 SimpliciTI 等專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議，這類(lèi)系統可能需要更頻繁的喚醒來(lái)保持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。有趣的是，即使醫療設備在日常測量時(shí)僅啟動(dòng)很短一段時(shí)間——僅使用低于 1.1µA 的 MCU 待機電流，但是低激活功耗對保持低平均電流消耗往往也顯得至關(guān)重要。
封裝
要滿(mǎn)足便攜式醫療產(chǎn)品對外形尺寸的要求通常意味著(zhù)需要采用球柵陣列 (BGA) 封裝或芯片級封裝 (CSP)。實(shí)現更小尺寸的代價(jià)是這類(lèi)封裝將比傳統的引線(xiàn)封裝更加難以制造。另外，設計和調試過(guò)程中可能需要借助 X 光檢測才能確保焊盤(pán)焊接完好，而且 CSP 或 BGA 的再加工難度也比引線(xiàn)封裝的更高。
雖然尺寸較大的四方扁平封b或塑封小外形封裝能夠讓設計人員輕松探測與監控引腳的信號，但是由于設計人員能夠采用概念驗證階段開(kāi)發(fā)出的代碼與原理圖，原型化階段能夠直接采用尺寸更小的封裝將可以節省大量時(shí)間。
SoC 推進(jìn)實(shí)現突破性創(chuàng )新
醫療行業(yè)正處于一個(gè)令人振奮的發(fā)展時(shí)期，醫療市場(chǎng)的創(chuàng )新技術(shù)也正在不斷提升全世界患者的生活品質(zhì)。終有一天，我們每個(gè)人都將會(huì )從當前的創(chuàng )新與醫療進(jìn)步中受益匪淺。健康與醫療設計人員、制造商和創(chuàng )新者正在不斷發(fā)揮當今微處理器在低功耗、高處理能力和高性能模擬集成方面所具有的巨大優(yōu)勢。如果市場(chǎng)產(chǎn)品對尺寸、電池使用壽命或精度的設計要求太過(guò)苛刻，那么工程師應當能從微處理器 SoC 所提供的功能中找到滿(mǎn)意的答案。
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