MPU/MCU 滿足醫(yī)療設(shè)備需求

作者：Gina Roos，主編

醫(yī)療設(shè)備包括一系列產(chǎn)品，從超聲設(shè)備和植入式設(shè)備到家用血糖儀和健身追蹤器。每個應(yīng)用程序都有不同的要求，但他們都在尋找能夠在執(zhí)行、可靠性、安全性、節(jié)能和連接性方面提供性能的微處理器 (MPU) 和微控制器 (MCU)。許多這些相同的性能增強(qiáng)可用于各種應(yīng)用程序。

人口老齡化和健康意識的提高推動了可穿戴電子設(shè)備的日益普及以及對跟蹤和監(jiān)測患者健康狀況的醫(yī)療電子設(shè)備的需求。聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備的爆炸式增長也促使芯片制造商在芯片級解決網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。

超低功耗在需要訪問實時信號（例如溫度、加速度和速度）的應(yīng)用中尤為重要。MarketsandMarkets 報告中指出的一個趨勢是需要具有模擬外設(shè)的超低功耗微控制器。好處包括高可靠性、降低噪音、低延遲和降低成本，這在醫(yī)療或保健設(shè)備中可能是有利的，例如血糖儀、心率監(jiān)測器和植入式設(shè)備。

集成可編程模擬的低功耗微控制器的一個例子是瑞薩電子公司的 Synergy S1 MCU 系列。S1JA MCU 組旨在簡化設(shè)計并減少物料清單 (BOM)，具有 48-MHz Arm Cortex-M23 內(nèi)核以及用于高精度傳感器信號采集和調(diào)節(jié)的可編程模擬和安全功能。這些 MCU 可用于一系列對成本敏感的低功耗工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 傳感器應(yīng)用。這些包括標(biāo)題醫(yī)療監(jiān)視器、流量控制儀表、多傳感器系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)和單相電表。

S1JA 集團(tuán)包括五個具有 256-KB 閃存、32-KB SRAM 存儲器和 1.6 V 至 5.5 V 寬工作電壓范圍的 MCU。每個 MCU 都集成了一個傳感器偏置單元，可為外部傳感器提供準(zhǔn)確的電源，以及瑞薩電子表示，這是一種高度可配置的模擬結(jié)構(gòu)，可以處理復(fù)雜的算法，以最大限度地提高信號調(diào)理和精確的模擬測量。

S1JA MCU 支持高級模擬配置，從基本功能到更復(fù)雜的模擬模塊，使設(shè)計人員能夠消除多個外部模擬組件。片上模擬組件包括高精度 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、24 位 sigma-delta ADC、快速響應(yīng) 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、軌到軌低偏移運(yùn)算放大器和高速/低功耗比較器。

Renesas 的 S1JA MCU 支持高級模擬配置，從基本功能到更復(fù)雜的模擬模塊。（圖片：瑞薩電子）

微控制器的超低功耗可延長電池供電的便攜式和電池備份應(yīng)用的電池壽命。軟件待機(jī)模式僅消耗 500 nA 的電流，支持 20 年的電池供電應(yīng)用，這些應(yīng)用在睡眠模式下的時間更長。

此外，微控制器還具有安全功能，包括集成的 AES 加密加速器和真隨機(jī)數(shù)生成器 (TRNG)，內(nèi)存保護(hù)單元提供了開發(fā)連接到云的安全系統(tǒng)的基本模塊。

Renesas Synergy 軟件包 (SSP) 支持帶有 HAL 驅(qū)動程序、應(yīng)用程序框架和 RTOS 的 S1JA MCU。SSP 還包括六個模塊，可簡化可配置內(nèi)部模擬模塊的互連。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用 Renesas Synergy 開發(fā)環(huán)境（e2 studio 或 IAR Embedded Workbench）來構(gòu)建和定制他們的設(shè)計。

瑞薩電子還開發(fā)了一種參考設(shè)計/解決方案，可用于可穿戴皮膚電反應(yīng)產(chǎn)品和手持式身體成分儀系統(tǒng)。皮膚電電阻 (GSR) 和身體成分監(jiān)測器 (BCM) 測量提供生物特征信息，可分別用于推斷情緒狀態(tài)和計算身體脂肪量。

這款電池供電設(shè)備在 GSR 模式下進(jìn)行直流電導(dǎo)測量，在 BCM 模式下進(jìn)行高精度交流阻抗測量，同時功耗低。瑞薩電子表示，ADC 的分辨率和速度對于 GSR-BCM 測量以及皮膚溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性至關(guān)重要。

GSR-BCM 解決方案利用 Synergy S1JA MCU 實現(xiàn)其模擬和低功耗特性。它還包括用于藍(lán)牙連接的瑞薩電子 RL78/G1D和用于鋰離子電池充電的ISL9203A 。

RL78/G1D 是一款 16 位 MCU，在 4.3 mA 射頻發(fā)射電流（0 dBm 輸出）和 3.5 mA 射頻接收電流下具有藍(lán)牙低功耗支持和低電流消耗。內(nèi)置天線連接所需的電路元件，通過消除對外部部件的需求，簡化了電路設(shè)計并降低了成本。軟件堆棧支持無線軟件更新。

ISL9203A 是一款集成式單節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池充電器，能夠在低至 2.4 V 的輸入電壓下工作。它適用于各種類型的交流適配器。

對于便攜式和無線設(shè)計，例如健身追蹤器，這些應(yīng)用需要低功耗、增強(qiáng)的安全性和多協(xié)議支持。

最近的一個例子是三星電子的Exynos i T100，它將處理器和內(nèi)存集成在一個芯片中，并支持藍(lán)牙 5 Low Energy、Zigbee 3.0 和 Thread 協(xié)議。為了增強(qiáng)無線連接功能，該芯片提供了同時支持兩種不同協(xié)議的多無線電并發(fā)模式。因此，它可以同時支持藍(lán)牙和 Zigbee 或藍(lán)牙和 Thread。

該芯片旨在提高用于短距離通信的設(shè)備的安全性和可靠性，例如健身可穿戴設(shè)備、智能照明以及家庭安全和監(jiān)控，它提供的安全功能可以防止?jié)撛诘?a target="_blank">黑客攻擊和其他威脅。該解決方案提供了一個單獨(dú)的安全子系統(tǒng) (SSS) 硬件塊用于數(shù)據(jù)加密和一個物理不可克隆功能 (PUF)，它為每個芯片組創(chuàng)建一個唯一的身份。

Exynos i T100 包含一個以高達(dá) 100 MHz 時鐘速度運(yùn)行的 Arm Cortex-M4F 和高密度內(nèi)存，包括 1.2 MB 閃存和提供 192 KB 和 24 KB 的 SRAM。此外，它可以在低至 -40°C 和高達(dá) 125°C 的極端溫度下運(yùn)行。

三星還為加快開發(fā)提供了參考解決方案。參考板支持可插入 Arduino 板頂部的 Shields 接口，用于測試和控制傳感器。它還為開發(fā)自定義應(yīng)用程序的連接協(xié)議提供操作系統(tǒng)和嵌入式 API。

STMicroelectronics 具有 Linux 發(fā)行版的STM32MP1多核微處理器系列專為高性能健康和保健、智能家居、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用而設(shè)計，通過增強(qiáng)的性能、資源和開源軟件擴(kuò)展了 STM32 微控制器產(chǎn)品組合。具有計算和圖形支持的 STM32MP1 提供高能效、實時控制和高功能集成。

STM32MP1 系列使設(shè)計人員能夠使用結(jié)合了 Arm Cortex-A 和 Cortex-M 內(nèi)核的 STM32 異構(gòu)架構(gòu)開發(fā)一系列新的應(yīng)用。這種架構(gòu)在單個芯片上提供快速處理和實時任務(wù)，同時提供高能效。

ST 舉了節(jié)能的例子。通過停止 Cortex-A7 執(zhí)行并僅從更高效的 Cortex-M4 運(yùn)行，通?？梢詫⒐慕档?25%。從這種模式切換到待機(jī)模式進(jìn)一步降低了 2.5k 倍的功耗，同時支持在 1 到 3 秒內(nèi)恢復(fù) Linux 執(zhí)行，具體取決于應(yīng)用程序。

STM32MP1 嵌入了用于人機(jī)界面 (HMI) 顯示的 3D 圖形處理器單元 (GPU)。它支持一系列外部 DDR SDRAM 和閃存。它還嵌入了大量外設(shè)，可分配給 Cortex-A/Linux 或 Cortex-M/實時活動。STM32MP1 系列提供多種 BGA 封裝。

ST 提供兩個評估板（STM32MP157A-EV1和STM32MP157C-EV1）和兩個探索套件（STM32MP157A-DK1和STM32MP157C-DK2）。

此外，根據(jù)設(shè)計人員的需要，還提供三個開發(fā)人員包：

入門包 (STM32MP1Starter)可快速啟動任何 STM32MP1 微處理器設(shè)備

開發(fā)人員包 (STM32MP1Dev)在 STM32MP1 嵌入式軟件分發(fā)之上添加自己的開發(fā)

分發(fā)包 (STM32MP1Distrib)，用于創(chuàng)建自己的 Linux 分發(fā)啟動器或開發(fā)包

大數(shù)據(jù)

移動和分析海量數(shù)據(jù)是眾多終端市場面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些細(xì)分市場包括醫(yī)學(xué)成像、醫(yī)療設(shè)備、無線消費(fèi)電子產(chǎn)品以及工廠和樓宇自動化。共享更多數(shù)據(jù)需要更高的安全性、更好的互操作性、更快的處理以及一致和更高質(zhì)量的通信。

德州儀器公司 (TI) 今年早些時候推出了兩款采用體聲波 (BAW) 技術(shù)的設(shè)備，該技術(shù)專為高數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用而設(shè)計，例如聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備。這些新器件是用于高性能數(shù)據(jù)傳輸?shù)?SimpleLink CC2652RB 無線 MCU 和 LMK05318 網(wǎng)絡(luò)同步器時鐘。

BAW 技術(shù)集成了參考時鐘諧振器，可在小尺寸內(nèi)提供最高頻率，從而提高性能并增強(qiáng)對機(jī)械應(yīng)力（如振動和沖擊）的抵抗力。這樣可以實現(xiàn)穩(wěn)定和連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，提供更精確的有線和無線信號數(shù)據(jù)同步，從而可以快速處理數(shù)據(jù)，提高效率。

CC2652RB 結(jié)合了完整的射頻系統(tǒng)和片上 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，被譽(yù)為業(yè)界首款無晶體無線 MCU。它在 QFN 封裝中集成了 BAW 諧振器，無需外部高速 48-MHz 晶體。更高的集成度還可以節(jié)省 10% 到 15% 的印刷電路板 (PCB) 空間。

CC2652RB 器件提供出色的電池壽命，并允許在小型紐扣電池和能量收集應(yīng)用中運(yùn)行，這要?dú)w功于其非常低的活動 RF 和 MCU 電流，以及具有高達(dá) 80 KB 奇偶校驗保護(hù)的亞 μA 睡眠電流RAM 保留。

CC2652RB 器件在支持多個物理層和 RF 標(biāo)準(zhǔn)的平臺中結(jié)合了極低功耗 RF 收發(fā)器和 48MHz Arm Cortex-M4F CPU。專用無線電控制器 (Arm Cortex-M0) 處理存儲在 ROM 或 RAM 中的低級 RF 協(xié)議命令，以實現(xiàn)超低功耗和更大的靈活性。TI 表示，傳感器控制器具有快速喚醒和超低功耗 2MHz 模式，專為采樣、緩沖和處理模擬和數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)而設(shè)計，可最大限度地延長睡眠時間并降低 MCU 系統(tǒng)中的有功功率.

此外，該芯片聲稱是在單芯片上支持 Zigbee、Thread、藍(lán)牙低功耗和專有 2.4-GHz 連接解決方案的最低功耗、多標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。它的工作溫度范圍為 -40°C 至 85°C，這與目前市場上的許多基于晶體的解決方案不同。提供基于 CC2652B SimpleLink MCU 的 TI LaunchPad 開發(fā)套件。

英特爾公司等芯片制造商也看到人工智能 (AI) 正在進(jìn)入醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用和其他領(lǐng)域，包括需要大量處理能力的急性和重癥監(jiān)護(hù)和診斷。曾經(jīng)，深度學(xué)習(xí)唯一真正的硬件解決方案是 GPU。

如今，英特爾提供至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，它可以處理復(fù)雜的混合工作負(fù)載，包括醫(yī)學(xué)成像中常見的內(nèi)存密集型模型。

英特爾與飛利浦合作展示了使用英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的服務(wù)器無需硬件加速器即可執(zhí)行 X 射線和計算機(jī)斷層掃描 (CT) 掃描的深度學(xué)習(xí)推理。測試表明，對于許多 AI 工作負(fù)載，至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器的性能優(yōu)于基于 GPU 的系統(tǒng)。

兩家公司測試了兩種醫(yī)療保健成像概念驗證：一種用于骨骼 X 射線的骨骼年齡預(yù)測建模，另一種用于肺部 CT 掃描以進(jìn)行肺分割。使用英特爾 Distribution of OpenVINO 工具包和其他軟件優(yōu)化，飛利浦能夠?qū)⒐驱g預(yù)測模型的每秒圖像速度提高 188 倍，將肺分割模型的速度提高 37 倍。

審核編輯 黃昊宇