片上系統架構在便攜式醫療電子中的應用

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。

基于片上系統的方案

今天的片上系統(SoC)結構的設計為便攜式醫療電子設備提供了一種新的思路。使用片上系統設計可以帶來(lái)眾多的附加價(jià)值。圖3和圖4的設計描繪了血壓監測和非接觸式數字溫度計使用片上系統結構的實(shí)現方案。

圖3 使用片上系統的血壓監測方案

使用基于片上系統的血壓監測設備可以簡(jiǎn)化設計，達到更好的效果。片上系統可以集成設計所需的高增益放大器。振蕩脈沖可以通過(guò)集成的模擬/數字過(guò)濾器來(lái)提取。片上系統里面的模數轉換器ADC可以用來(lái)數字化數據。集成的CPU核可以提供處理能力來(lái)處理所需的先進(jìn)的過(guò)程算法。這個(gè)器件還可以集成字段LCD驅動(dòng)(用于顯示)、EERPROM(數據日志)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(時(shí)間標記)、全速USB(作為PC接口)、直接存儲器存取DMA(與CPU數據交換)和電容感應按鍵(可以取代機械按鍵)。片上系統中的定時(shí)器可以用來(lái)計算出心率和處理安全功能，集成的脈寬調制器PWM可以用來(lái)控制電機。片上系統還可以工作在獨特的寬工作電壓下并且可以達到較低的功耗，這個(gè)特點(diǎn)正是電池驅動(dòng)設備的理想特性。

圖4 使用片上系統的非接觸式數字溫度計方案

對于紅外測溫儀，片上系統也集成了所需的放大器以及模數轉換器(檢測微伏變化)。片上系統內部的精密參考電壓為傳感器提供了穩定的、準確的參考。片上系統還集成了其他功能，包括字段LCD驅動(dòng)、EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、USB接口、電容感應等等。

如上所述，片上系統集成了便攜式醫療電子應用所需的大部分外圍器件。這不僅可以減少外部器件，還可以保護模擬IP，因為他把大部分模擬器件都整合到了芯片里面。并且，更少的器件還意味著(zhù)可以簡(jiǎn)化PCB，縮短設計時(shí)間，從而更快的投放市場(chǎng)。芯片里面的不同外圍器件的電源可以單獨設為不同的模式，因此系統電源管理變得更簡(jiǎn)單、更有效。片上系統芯片還可以動(dòng)態(tài)重構，這也降低了成本和時(shí)間，并且有利于重新設計或改變設計。最重要的是，使用片上系統結構簡(jiǎn)化了器件清單，這使FDA認證更簡(jiǎn)單。便攜式醫療電子設備所有類(lèi)型——血糖測定儀、血壓計、便攜式心電圖設備等，都可以使用這種方法實(shí)現。

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

總體來(lái)說(shuō)，使用片上系統可以使便攜式醫療電子設計更簡(jiǎn)單，可以保護知識產(chǎn)權，可以提供新穎獨特的方法來(lái)使功能更個(gè)性化，可以使FDA認證更簡(jiǎn)單。