解析手持式醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)

　　隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個人保健的移動手持式醫(yī)療電子設(shè)備也同樣在快速發(fā)展。不管是手持式除顫儀還是動態(tài)血糖監(jiān)視儀，設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品都不是一件容易的事。除顫儀心臟直流電復(fù)律是用電能來治療快速異位心律失常，使之轉(zhuǎn)復(fù)為竇性心律的一種有效方法。分同步電復(fù)律與非同步兩種：同步電復(fù)律是指除顫器由R波的電信號激發(fā)放電，非同步電復(fù)律是指除顫器在心動周期的任何時間都可放電選擇適當(dāng)?shù)脑M足設(shè)計(jì)規(guī)范要求、盡可能降低成本、確保設(shè)計(jì)方案的功率、特別關(guān)注產(chǎn)品的實(shí)際大小等等，都是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。比如，其中一項(xiàng)規(guī)定是要求用于醫(yī)療電子設(shè)備的元件必須五年內(nèi)不停產(chǎn)。由于這些限制，醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)人員還必須關(guān)注如何縮短設(shè)計(jì)周期、減少元件數(shù)量、降低產(chǎn)品成本。

　　當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法

　　圖1和圖2是目前市場上流行的兩款手持式醫(yī)療電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。圖1是血糖監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖，圖2是血壓監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖，圖3是它們的電源管理單元。

　　圖1:血糖監(jiān)視儀的結(jié)構(gòu)框圖。

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　　這兩種設(shè)備在基本電路構(gòu)造上非常相似，只是連接的傳感器有所不同。

　　這種典型的手持式醫(yī)療電子設(shè)備主要包含內(nèi)核（執(zhí)行所有數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)級管理任務(wù)的微控制器），以及外設(shè)元件。其中，外設(shè)元件包括：

　　1. 傳感器，血糖監(jiān)視儀中的有創(chuàng)/無創(chuàng)生物傳感器，或者血壓監(jiān)視儀中的血壓傳感器；血壓傳感器 英文名稱：blood-pressure transducer 定義：能感受血壓并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。

　　2. ADC,將從轉(zhuǎn)換器得到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式；

　　3. 輸入信號處的濾波器，用于濾除噪聲；

　　4. LCD控制器以及向用戶顯示相關(guān)信息的LCD;

　　5. USB接口，可與PC同步，顯示并存儲數(shù)據(jù)；

　　6. 非易失性快閃存儲器，可存儲代碼與數(shù)據(jù)；

　　7. 包含升壓轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器的電源管理系統(tǒng)。

　　外設(shè)元件都在微控制器外部，通過通用GPIO或?qū)Ｓ靡_連接到微控制器。

　　然而，這種設(shè)計(jì)方法存在一些局限性，主要體現(xiàn)在以下方面：由于全部使用外部元件，所以元件數(shù)量很多，需占用較多的PCB空間；外部元件越多，PCB走線上感應(yīng)噪聲的幾率就越大；所有元件是需經(jīng)過FDA認(rèn)可；FDA是食品和藥物管理局（Food and Drug Administration）的簡稱，在中國，因?yàn)槠錁?biāo)準(zhǔn)比較高，因此多以美國FDA為最高準(zhǔn)則。因此，F(xiàn)DA有時也代表美國FDA,"FDA"是美國食品藥物管理局的英文縮寫，它是國際醫(yī)療審核權(quán)威機(jī)構(gòu)，由美國國會即聯(lián)邦政府授權(quán)，專門從事食品與藥品管理的最高執(zhí)法機(jī)關(guān)；是一個由醫(yī)生、律師、微生物學(xué)家、藥理學(xué)家、化學(xué)家和統(tǒng)計(jì)學(xué)家等專業(yè)人事組成的致力于保護(hù)、促進(jìn)和提高國民健康的政府衛(wèi)生管制的監(jiān)控機(jī)構(gòu)。其它許多國家都通過尋求和接收 FDA 的幫助來促進(jìn)并監(jiān)控其本國產(chǎn)品的安全。硬件與軟件開發(fā)時間延長；很難方便地對設(shè)計(jì)方案加以改動。

　　基于SoC的設(shè)計(jì)方案

　　不妨設(shè)想這樣一種情況：在包括了微控制器的單芯片上實(shí)現(xiàn)大多數(shù)外設(shè)元件功能，也就是采用片上系統(tǒng)（SoC）或ASIC.如果希望支持可編程性，那么選用SoC比較適合。如果實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，那么ASIC在成本上更有優(yōu)勢。這種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　圖4:基于SoC的手持式醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)方案。

　　由于大多數(shù)外設(shè)元件都集成到SoC中，所有板上的元件數(shù)量大大減少。此外，這種全新的設(shè)計(jì)方法還有以下優(yōu)勢：減少元件數(shù)量可大幅縮短設(shè)計(jì)周期；由于硬件功能在芯片內(nèi)通過軟件實(shí)現(xiàn)，所以便于隨時根據(jù)需要修改設(shè)計(jì)方案；減少外設(shè)元件也有助于減少噪聲；通過禁用某些暫時不需要的芯片特性，可方便地降低電路板功耗。

　　這些優(yōu)勢可對任何嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來好處。不過，在醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)中采用上述方法還有一些獨(dú)特優(yōu)勢。

　　醫(yī)療電子設(shè)備的代碼非常復(fù)雜，有的代碼編寫起來非常困難。特別是創(chuàng)建一個讓所有元件都可無縫協(xié)作的架構(gòu)，常常是一個很大挑戰(zhàn)。每個元件使用什么接口、有沒有足夠的I/O、不同接口能否通過多路復(fù)用技術(shù)支持一個以上的元件，等等，都是都是需要考慮的問題。

　　如果設(shè)計(jì)人員只需通過點(diǎn)擊操作就能禁用某個設(shè)計(jì)特性，或者通過拖放操作就能增加特性，則必將縮短開發(fā)時間、節(jié)約成本并根據(jù)不同市場需求推出相關(guān)產(chǎn)品。這種設(shè)計(jì)方法還有助于縮短產(chǎn)品的驗(yàn)證與測試時間。

　　采用基于SoC的設(shè)計(jì)方法還有助于滿足FDA的規(guī)定要求，因?yàn)樗芨奖愕卮_保所用的SoC五年內(nèi)不停產(chǎn)。

　　基于PSoC的設(shè)計(jì)方案

　　賽普拉斯推出了一系列可編程片上系統(tǒng)（PSoC）器件，能很好地滿足上述應(yīng)用需求。PSoC器件的可編程數(shù)字與模擬模塊經(jīng)過通過配置后，可以執(zhí)行外設(shè)功能。圖5給出了基于 PSoC 的醫(yī)療電子設(shè)備典型結(jié)構(gòu)框圖。

　　PSoC的另外一個優(yōu)勢，是能讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)備運(yùn)行時也能靈活地修改功能，實(shí)現(xiàn)更好的電源管理與抗噪性能。PSoC系列單片機(jī)是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。 PSoC（TM）混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)（SOC），其集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數(shù)字組件。采用一個微控制器，一個PSoC器件最多可集成100種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計(jì)時間和板上面積，降低了功耗，系統(tǒng)成本也可降低5美分到10美元不等。方便易用的開發(fā)工具使設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確選擇所需的外設(shè)功能，包括放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時器、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART等數(shù)字功能。PSoC系列的模擬功能包括軌至軌輸入、可編程增益放大器以及最大14位的ADC,其噪聲極低，輸入損耗及電壓偏移也非常低。PSoC設(shè)備包括最大32 KB的閃存、2KB的SRAM、帶有32位累加器的8x8乘法器、電源和睡眠監(jiān)控電路，以及硬件I2C通信等。

　　基于SoC的設(shè)計(jì)方法的唯一潛在局限性，是在某些設(shè)計(jì)方案中其成本可能要高于采用低成本微控制器加外設(shè)元件的方案。不過，考慮到這種設(shè)計(jì)方法帶來的諸多優(yōu)勢，這一潛在缺點(diǎn)也將變得微不足道。因此，基于SoC的設(shè)計(jì)方法將是手持式醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)趨勢。