醫(yī)療可穿戴設(shè)備的設(shè)計需求和解決方案

滿足醫(yī)療可穿戴設(shè)備應(yīng)用

需求的解決方案

隨著人們越來越重視身體健康，以及眾多國家面臨人口老化的問題，使得醫(yī)療可穿戴設(shè)備的需求快速增加，這些可穿戴設(shè)備通常采用電池操作，因此要求低功耗、小體積，這對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。本文將為您介紹醫(yī)療可穿戴設(shè)備的設(shè)計需求，以及由安森美（onsemi）推出的相關(guān)解決方案。

醫(yī)療可穿戴設(shè)備追求空間微型化

醫(yī)療可穿戴設(shè)備的設(shè)計需求可能會因應(yīng)不同的應(yīng)用場景和目標(biāo)用戶而有所差異，但一般來說，通常會追求空間優(yōu)化和器件的微型化，為了提高佩戴者的舒適度和便利性，醫(yī)療可穿戴設(shè)備應(yīng)該盡量減少尺寸和重量，并且利用微型化的器件和系統(tǒng)來集成各種功能和通信電路。

為了滿足更多元的功能需求，醫(yī)療可穿戴設(shè)備應(yīng)該采用軟性電路技術(shù)，讓設(shè)備能夠貼合佩戴者的身體輪廓，并且提高設(shè)計的靈活性和可靠性。另一方面，醫(yī)療可穿戴設(shè)備的主要目的是快速、及時地將準(zhǔn)確的生理數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)療照護機構(gòu)，所以在設(shè)計上要同時確保充分的功率以及高信號完整性。這需要采用高效能的電源設(shè)計、板對板連接器、FPC連接器等組件，以及適當(dāng)?shù)男盘柼幚砗蛡鬏?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法。

醫(yī)療可穿戴設(shè)備作為一種涉及人體健康和安全的產(chǎn)品，必須遵守相關(guān)的法規(guī)和規(guī)范，例如美國FDA、歐盟CE等，這需要在設(shè)計時間就進行風(fēng)險評估和測試驗證，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和效能，以符合醫(yī)療規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)。

低功耗的完整可穿戴設(shè)備解決方案

安森美在設(shè)計RSL10時采納了植入式醫(yī)療客戶的意見，這些客戶需要設(shè)備在不充電的情況下用小電池運行很多年。針對可穿戴設(shè)備的無線連接應(yīng)用，安森美推出的RSL10藍牙低能耗（Bluetooth LE）器件，便具備超低功耗的特性，在睡眠模式下，RSL系列的所有產(chǎn)品都能以非常低的占空比運行，功耗在nA范圍內(nèi)。

像是助聽器這類涉及音頻的應(yīng)用，便需要一個音頻編解碼器，RSL10集成LPDSP32，可以運行G.722或CELT等音頻編解碼器，LPDSP32處理器是一個專用硬件塊，用于對音頻數(shù)據(jù)進行最高效、最低功耗的壓縮／解壓。安森美的EZAIRO 7160無線預(yù)配置DSP含RSL10，是助聽器等小外形、低功耗音頻應(yīng)用的理想選擇。

可穿戴設(shè)備對體積的要求通常較高，因此選擇WLCSP（晶圓級芯片封裝）的硅片，其帶有焊球用于連接，是用于需要最小外形尺寸的應(yīng)用，如消費電子或醫(yī)療一次性用品、可穿戴設(shè)備或ID標(biāo)簽。RSL10 WLCSP具有2.32 mm x 2.36 mm的微小尺寸，厚度僅為0.35 mm，RSL10 QFN尺寸為6 mm x 6 mm，RSL15 QFN尺寸是5 mm x 5 mm，仍然非常小。

任何射頻系統(tǒng)的開發(fā)都有一個額外的復(fù)雜性，那就是必須選擇周圍的組件和天線來匹配硬件環(huán)境。為了滿足FCC、CE或其他監(jiān)管機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以選擇一個預(yù)先認證的模塊，它集成所有需要的無源組件（如晶體、電源去耦和天線匹配電路）和一個集成天線。在這種情況下，RSL10 SIP是一個理想的解決方案。所有無源組件和天線都集成在這個6mm x 8mm x 1.46mm的認證模塊中。

安森美作為醫(yī)療元器件供應(yīng)商有著悠久的歷史，并將這一經(jīng)驗用于設(shè)計MD-RSL10，使其能夠用于植體或關(guān)乎生命的應(yīng)用，如心臟監(jiān)測和管理以及神經(jīng)刺激。

為了協(xié)助客戶加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，安森美有許多經(jīng)驗證的參考設(shè)計，可以作為客戶項目開發(fā)起點以加快開發(fā)。參考設(shè)計通常包括應(yīng)用硬件、固件、物料單（BOM）、原理圖和PCB制造文件。安森美提供各種低功耗參考設(shè)計，包括RSL10傳感器開發(fā)套件、RSL10資產(chǎn)標(biāo)簽、能量采集藍牙低能耗開關(guān)、RSL10智能拍攝相機平臺、安全傳輸?shù)取?/p>

開發(fā)人員在保護敏感數(shù)據(jù)（如個人健康信息和支付交易信息）時，必須納入一個或多個安全機制。RSL15包含最新的嵌入式安全功能，具有真正基于硬件的信任根和Arm加密單元，用于硬件加速的加密算法。

遠程監(jiān)控設(shè)備則是一種常見的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，該設(shè)備大部分時間處于睡眠模式，偶爾會被喚醒，發(fā)送幾個數(shù)據(jù)包，然后又回到睡眠模式。RSL15非常適合這種應(yīng)用，因為它提供了多種低功耗模式，幾乎適合任何應(yīng)用需求。

支持多協(xié)議的低功耗無線電系統(tǒng)單芯片

RSL10是一款Bluetooth 5.2、多協(xié)議無線電系統(tǒng)單芯片（SoC），為無線應(yīng)用實現(xiàn)超低功耗藍牙。RSL10達到行業(yè)最低的功耗，在深度睡眠模式（Deep Sleep Mode）下62.5nW，接收模式下7mW，在支持各種先進的無線功能的同時優(yōu)化了系統(tǒng)尺寸和電池壽命。高度集成的無線電SOC的具有雙核結(jié)構(gòu)和2.4GHz收發(fā)器，靈活支持藍牙低能耗和2.4 GHz自定義協(xié)議，且支持固件在線升級（FOTA）。

RSL10具有靈活的電壓范圍（1.1V和3.3V），支持使用1.2V和1.5V電池的設(shè)備，無需外部DC/DC轉(zhuǎn)換器，RSL10采用5.50 mm2 WLCSP和6 x 6 mm QFN封裝。如需更小型號，該無線電SoC還提供全套系統(tǒng)級封裝（SiP）方案。

RSL10具有精密雙核結(jié)構(gòu)，采用可編程的Arm Cortex-M3處理器，時鐘速度高達48 MHz，靈活支持2.4 GHz專有和自定義協(xié)議棧。嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）可支撐信號處理密集型應(yīng)用，如無線音頻編解碼。

RSL10的片上和軟件無線支持包括2.4 GHz射頻前端（RFFE）和支持2 Mbps數(shù)據(jù)速率的藍牙5.2認證基帶控制器。RSL10開發(fā)工具套件中提供了各種藍牙低能耗協(xié)議。這款高度集成的SoC采用強大的雙核架構(gòu)輔以高效的電源管理單元、振蕩器、閃存和RAM存儲器、DMA控制器以及外設(shè)和接口，并內(nèi)置384kB閃存，提供IP保護功能，以保護閃存內(nèi)容，并具有可配置的模擬和數(shù)字傳感器接口（GPIO、LSAD、I2C、SPI、PCM）。

RSL10相當(dāng)適用于醫(yī)療可穿戴設(shè)備，常見的終端產(chǎn)品包括健身追蹤器／活動監(jiān)測儀、智能手表、助聽器／聽力設(shè)備、心率監(jiān)測儀、血糖檢測儀（BGM）、連續(xù)血糖監(jiān)測儀（CGM）、脈沖血氧儀等。

RSL10的軟件開發(fā)套件（SDK）是基于Eclipse的免費安森美集成開發(fā)環(huán)境（IDE），并支持Keil μVision和IAR Embedded Work Bench，提供完整的藍牙低能耗協(xié)議棧，支持安卓和iOS應(yīng)用（固件在線升級）與免費RTOS。

滿足醫(yī)療智能互聯(lián)設(shè)備需求的

無線微控制器與音頻處理器

安森美的另一款藍牙低能耗芯片RSL15是一款基于Arm Cortex?M33處理器的超低功耗的安全藍牙低能耗5.2無線MCU，專為工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中的智能互聯(lián)設(shè)備而設(shè)計。RSL15具有內(nèi)置電源管理、寬廣的電源電壓范圍、靈活的GPIO和時鐘方案以及廣泛的外設(shè)集，為高性能和超低功耗應(yīng)用提供了最大程度的設(shè)計靈活性。RSL15包含80kB RAM，并有284kB或512kB兩種閃存選擇。RSL15主要應(yīng)用于工業(yè)自動化和傳感、醫(yī)療互聯(lián)傳感器、可穿戴設(shè)備、資產(chǎn)追蹤、電子標(biāo)簽和門禁控制、電子標(biāo)牌、數(shù)據(jù)記錄器、智能電器、能量收集開關(guān)等。

RSL15是業(yè)界領(lǐng)先的通用微控制器（MCU），也是業(yè)界最低功耗的基于閃存的安全藍牙低能耗MCU，具有信任根的最新嵌入式安全技術(shù)，支持藍牙低能耗5.2，具有遠距離和定位功能，并提供全面且易于使用的軟件開發(fā)工具套件（SDK），包含驅(qū)動程序、庫、示例代碼、開發(fā)工具和移動應(yīng)用程序，提供可支持iOS和安卓的RSL15 Central、支持iOS和安卓的RSL FOTA。

安森美并提供一款用于助聽器的無線功能DSP的音頻處理器 ― EZAIRO 7160 SL，Ezairo 7160 SL可實現(xiàn)助聽器中的無線聯(lián)接，是一款可開放編程的、基于DSP的混合模塊，支持藍牙低能耗和其他2.4 GHz無線協(xié)議。

Ezairo 7160 SL中的器件Ezairo 7100數(shù)字信號處理器（DSP）包括一個高精度、四核體系結(jié)構(gòu)，提供375 MIPS而不會犧牲功耗性能的RSL10無線電芯片，具有行業(yè)內(nèi)最低功耗的Bluetooth 5認證無線傳感器。Ezairo 7160 SL另外還有EA2M這個2 Mb EEPROM內(nèi)存，用于存儲重要的助聽器參數(shù)和固件，并提供Ezairo預(yù)先配置套件、可開放編程評估和開發(fā)套件（EDK）等開發(fā)工具。Ezairo 7160 SL可應(yīng)用于無線連接、音頻處理、立體聲音頻流、藍牙低能耗控制，最常見的終端產(chǎn)品便是助聽器。

結(jié)語

醫(yī)療可穿戴設(shè)備的設(shè)計追求低功耗、體積小，并要符合安全規(guī)范，因此必須采用高度集成的低功耗器件，才能夠滿足醫(yī)療可穿戴設(shè)備的嚴(yán)苛要求。安森美針對醫(yī)療可穿戴設(shè)備推出多款醫(yī)療元器件解決方案，無論是無線電系統(tǒng)單芯片還是微控制器、無線藍牙芯片、音頻處理器，均具備高度集成、低功耗、體積小的特性，并提供完整的軟硬件開發(fā)工具，將會是相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)商理想的合作伙伴。

審核編輯：湯梓紅