基于Wi-Fi模塊的可穿戴醫(yī)療設(shè)備電路設(shè)計(jì)

連接技術(shù)正經(jīng)歷著爆炸式發(fā)展，給人們的健康和保健帶來深遠(yuǎn)影響。對于入門者來說，醫(yī)療設(shè)備已不必再把病人禁錮到醫(yī)院病床上，或者甚至是一臺醫(yī)療設(shè)施中；醫(yī)生現(xiàn)在可遠(yuǎn)程監(jiān)控放置在病人身上的設(shè)備，即使在飛機(jī)上也能進(jìn)行調(diào)整。

這種進(jìn)步在很大程度上歸功于手機(jī)、電腦、可穿戴外設(shè)和個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）的不斷融合。從經(jīng)濟(jì)角度來看，具有成本意識的保險(xiǎn)公司正大力推動(dòng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備，因?yàn)閷磳l(fā)生的情況提前進(jìn)行探測和預(yù)測能夠減少病人的治療費(fèi)用。

本文介紹利用現(xiàn)成Wi-Fi模塊進(jìn)行可穿戴醫(yī)療設(shè)備的原型開發(fā)。這些設(shè)備可以加快實(shí)際醫(yī)療傳感器和電路的開發(fā)，并在需要時(shí)作為OEM解決方案，或者如果用作參考設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品發(fā)布前將其吸納到電路板中。本文引用的所有設(shè)備、規(guī)格書以及培訓(xùn)材料均可在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

為什么選擇Wi-Fi？

在PAN中有多種相互競爭的有線和無線協(xié)議可供使用。無線解決方案包括Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙、ANT+、6LoWPAN和Z-Wave。雖然所有這些協(xié)議都具有諸如功耗更低、協(xié)議復(fù)雜性和開銷更小、流量更少等實(shí)實(shí)在在的競爭優(yōu)勢，但鑒于多方面的原因，Wi-Fi在占領(lǐng)醫(yī)療設(shè)備市場時(shí)也許處于最有利的地位。

其中一個(gè)原因就是相比其它幾個(gè)協(xié)議，Wi-Fi部署極為廣泛。現(xiàn)在，咖啡廳、飯店，甚至是公共場所都安裝了Wi-Fi，這對于需要通過公共基礎(chǔ)設(shè)施直接連接云和專業(yè)醫(yī)療人員的醫(yī)療設(shè)備來說，無疑是一個(gè)理想的連接通道。采用可穿戴醫(yī)療設(shè)備時(shí)，這種直接通道在可穿戴主機(jī)電腦故障時(shí)可用作備用通道。

另一個(gè)原因是所有智能手機(jī)都普遍地支持Wi-Fi。也就是說，智能手機(jī)已成為可穿戴設(shè)備的計(jì)算和通信功能聚合器，為我們的醫(yī)療設(shè)備提供了一條通過3G/4G/5G等服務(wù)連接云的低功耗、不間斷鏈路。

另外，Wi-Fi具有基本的安全和加密功能。除了不希望任何人截取您的醫(yī)療數(shù)據(jù)或者入侵您的心臟起搏器外，例如采用IPv6時(shí)就會有足夠的IP地址用于唯一地識別每個(gè)人的設(shè)備。尋址已不是問題。

最后，目前有多種很好的現(xiàn)成Wi-Fi解決方案可直接用在芯片和模塊化形式的產(chǎn)品中。這樣，您就能充分利用這種技術(shù)，而不必深陷于技術(shù)本身的各種錯(cuò)綜復(fù)雜的深?yuàn)W理論中?，F(xiàn)已有各種現(xiàn)成的樣例方案、代碼、布局和應(yīng)用支持。

考慮模塊

對于設(shè)計(jì)人員來說，把一個(gè)參考設(shè)計(jì)復(fù)制、粘貼到PCB上似乎是相當(dāng)瑣屑的事情。畢竟這些設(shè)計(jì)的制造、測試和特征化過程已完成。會出現(xiàn)什么問題？

然而在現(xiàn)實(shí)世界中，因?yàn)橛绊?a href="http://www.wenjunhu.com/tongxin/rf/" target="_blank">RF性能的因素如此之多，所以即使是RF芯片制造商也可能不得不對其PCB演示板和開發(fā)板進(jìn)行多次迭代處理。此外，欲使PCB通過測試就需要經(jīng)過耗時(shí)、費(fèi)錢的認(rèn)證過程，但每一次與RF無關(guān)的改動(dòng)都可能將我們置于需要重做PCB的風(fēng)險(xiǎn)之中。這會極大提高成本和風(fēng)險(xiǎn)，延長產(chǎn)品上市時(shí)間。

鑒于多種原因，為原型開發(fā)和初始生產(chǎn)指定模塊是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這些模塊最初提供FCC、TUV認(rèn)證以及多個(gè)特定頻率，以求全球適用。此外，可對這些模塊進(jìn)行測試，也可拋開其它系統(tǒng)元件對其單獨(dú)開發(fā)。這樣，尤其在因?yàn)楦鞣N材料非?？拷?a target="_blank">天線而影響RF性能時(shí)，您就能測試外殼、間距、元件放置情況以獲得最高性能。

使用模塊的最大優(yōu)勢之一是能夠同步進(jìn)行設(shè)計(jì)。在RF模塊進(jìn)行幕后開發(fā)的同時(shí)，即可進(jìn)行主應(yīng)用的設(shè)計(jì)、原型開發(fā)和測試。這會減輕一些壓力，因?yàn)榧词钩跗诋a(chǎn)品生產(chǎn)也可利用OEMWi-Fi模塊進(jìn)行，且這些模塊的成本非常合理。

發(fā)現(xiàn)模式

數(shù)據(jù)速率有助于確定哪種模塊最適合您。不是每一種應(yīng)用都需要高速和大量電力。我們以支持11-Mbit/s802.11b標(biāo)準(zhǔn)的MikroElectronika3.3V通用型MIKROE-1135Wi-Fi模塊為例。這種集成式PCB板天線的覆蓋距離為400m，且固件編碼式協(xié)議棧允許您的嵌入式微處理器通過標(biāo)準(zhǔn)UART與其通訊。這種咬接安裝式模塊可插入插座中，方便快速升級和裝配（圖1），同時(shí)配備參考示意圖和代碼樣例。MikroElectronika還提供其模塊化Click?系列的其它RF模塊。

H&DWireless的HDG104-DN-2增加了54Mbit/s數(shù)據(jù)速率支持能力，是一款同時(shí)支持802.11b和g協(xié)議的模塊。工作電壓為2.7-3.3V，整個(gè)模塊采用類似于QFN44引腳SMT芯片的封裝，所占電路板面積僅7.1x7.7mm。

該模塊的一個(gè)亮點(diǎn)是不需要進(jìn)行RF調(diào)整，且設(shè)備利用已分配的MAC地址經(jīng)過預(yù)校準(zhǔn)。該模塊基于具有內(nèi)部導(dǎo)引ROM的AtmelAVR處理器，可從主機(jī)系統(tǒng)獲取一個(gè)40MHz時(shí)鐘（或者如果為其增加一個(gè)本地振蕩器，可提供一個(gè)同樣的時(shí)鐘），以使主機(jī)系統(tǒng)與所有必要的內(nèi)部微處理器和RF頻率同步。該模塊還可為低功耗模式采用32.768kHz時(shí)鐘，這種情況下采用軟關(guān)斷段模式時(shí)的功耗為15mW。該器件確實(shí)使用一個(gè)外部天線并通過SPI進(jìn)行串行通訊。該器件還具有數(shù)字式I/O（圖2）。

TexasInstruments也提供了一些可直接使用的54Mbit/sWi-Fi模塊，如WL1831MODGBMOCT模塊，這些模塊組合了Wi-Fi802.11b/g/n收發(fā)器與藍(lán)牙收發(fā)器。該模塊屬于WiLink?系列，基于TI的Sitara微處理器，并預(yù)先將支持Linux、Android、Wi-Fi和藍(lán)牙的堆棧和軟件與AM335x開發(fā)套件集成在一起。

其它幾個(gè)可以直接使用的競爭產(chǎn)品如Microchip的RN171XVS-I/RM通用型54Mbits/sWi-Fi模塊、采用表面貼裝電路板的54Mbit/sH&DSPB800-BCP1。此處最值得注意的是，能使具有UART或RS-232連接功能的任何設(shè)備以無線方式連接互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)。

速度更快

Murata推出一款稍快的器件——數(shù)據(jù)速率為65Mbit/s的TN型802.11b/g/n和藍(lán)牙4.0組合模塊LBEE5ZSTNC-523。Murata還有一個(gè)能將醫(yī)療設(shè)備與藍(lán)牙以及甚至是與900MHz無線電連接的RF模塊，可實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更強(qiáng)的穿墻能力（圖3）。

Inventek提供一款很吸引人的UART饋入式ISM43362-M3G-L44-E-C2.4.0.2模塊，用于802.11b/g/nWi-Fi且?guī)в形炀€，也能連接外部天線（圖4）。該器件也可進(jìn)行簡單的串行通訊，但憑借多個(gè)SPI、UART和USB端口，該器件本身就可作為一個(gè)微型集線器（注意，也可作為模塊上的A/D轉(zhuǎn)換器，用于混合信號功能）。

BlueGiga有一個(gè)WF111和WF121Wi-Fi模塊系列，這些器件帶或不帶外部天線，如72Mbit/sWF111-E帶外部天線，而WF121-A采用內(nèi)部天線。SagradSG901-1059B-5.0-H擁有更快的數(shù)據(jù)速率，達(dá)到了150Mbit/s，是一款采用外部天線的通用型802.11b/g/n/模塊。集成式RT3070單芯片解決方案使用USB2.0接口，集成了一個(gè)150Mbit/s的PHY，且完全符合802.11n3.0草案和特性集要求。請注意，為使該零件發(fā)揮全部性能，需要采用300或400-MIPS進(jìn)程進(jìn)行充分驅(qū)動(dòng)。到目前為止，32位ARM和x86架構(gòu)已利用該模塊通過測試，就像64位x86處理器一樣。

總結(jié)

醫(yī)療設(shè)備制造商在病人使用和醫(yī)生使用的健康產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域是專家，但未必同樣精通無線通訊技術(shù)。這就是為什么模塊化解決方案能讓這些制造商更輕松地設(shè)計(jì)其無線版醫(yī)療傳感器或治療系統(tǒng)。在一個(gè)團(tuán)隊(duì)在努力開發(fā)最優(yōu)醫(yī)療解決方案同時(shí)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)就可開發(fā)必要的低成本RF鏈路。這樣就能提供一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)最低、成本可能更低且更快速面市的解決方案，在需要重復(fù)進(jìn)行FCC認(rèn)證測試時(shí)尤其如此。