便攜式醫(yī)療電子裝置的設(shè)計考慮

 隨著糖尿病和心臟病等嚴(yán)重疾病的發(fā)病率激增，伴隨而來的是對精確的便攜式家用患者監(jiān)測系統(tǒng)的需求，這包括膽固醇、血液情況、血壓監(jiān)測、以及其它便攜式醫(yī)療器件。而且，更重要的是裝置的使用者能夠跟進(jìn)個人測試的結(jié)果。移動電話業(yè)界的技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)建了相當(dāng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和外形尺寸，令產(chǎn)品對消費者的可用性及易用性大大提高。對于患者監(jiān)測設(shè)備，達(dá)到這種階段的簡化過程需要考慮很多情況。本文將借助集成電路 (IC) 在移動電話行業(yè)中取得的成功，一一列舉這些考慮因素，而更重要的是介紹能幫助此簡化過程的最新型 IC 器件。

根據(jù)移動電話的演進(jìn)方式，有多項明顯趨勢是所有便攜式裝置都應(yīng)該考慮的。以下將要討論的內(nèi)容包括：I/O標(biāo)準(zhǔn)、USB端口的優(yōu)點、ESD保護(hù)的耐久性、以及使用模擬開關(guān)來提高醫(yī)療裝置中 FPGA 和 ASIC 的功能性。

隨著 ASIC 和 FPGA 越來越普及，使用它們作為裝置的核心似乎是自然不過的決定。這種決定的初始成本優(yōu)勢是可以很容易計算出的，但重要的是還得考慮集成為一體化裝置所需要的各種器件。便攜式設(shè)計的核心工作電壓常常為2.5V或者更低，在脫離電池工作時這一點非常有用，可以利用一種升壓功率管理器件以最小的電壓差維持效率。但是，能在 ASIC 中實現(xiàn)這種低核心電壓以及豐富門數(shù)的技術(shù)也不是沒有缺點的，相反這些器件很容易受到高電壓峰值 (即便電流值很小) 的影響，這些峰值被稱作靜電放電 (ESD)。

如果在數(shù)據(jù)手冊中均列出了技術(shù)規(guī)范，ASIC 的 ESD 額定值約為 2kV HBM (人體模型)。對于便攜式醫(yī)療裝置中的內(nèi)部接口，這不成為問題，但是ESD會導(dǎo)致任何與外部連接器相連的硅器件失效。

對于這樣的情形，模擬開關(guān)是十分理想的選擇。從視頻到數(shù)據(jù) I/O 端口、乃至音頻耳機等連接器接口，都是模擬開關(guān)所適合的應(yīng)用。飛兆半導(dǎo)體是開關(guān)市場中的領(lǐng)導(dǎo)者，這些開關(guān)能夠輕易地支持 8kV HBM 保護(hù)，甚至超過 10kV;帶寬從幾千赫至最新式視頻開關(guān)系列的超過 1GHz 的傳輸率。它們不僅可以保護(hù) ASIC，還可以在接近芯片級的封裝中增添功能。它們的功能用語也就是標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)的用語，即 SPST 相應(yīng)于單極單擲開關(guān);SPDT 則為雙擲。單個封裝中的開關(guān)數(shù)量可以是1~4個，支持單端和差分接口。增加模擬開關(guān)能夠帶來變化多樣的ASIC。例如，如果某個醫(yī)療裝置中有兩個獨立的傳感器 (如某個糖尿病檢測器中的兩個血液分析傳感器，一個作為備份;另一個作為精確測量)，可使用一個 SPDT 開關(guān)在 ASIC 和每個傳感器之間進(jìn)行切換。耳機端口可使用專用開關(guān)，用來在兩個聲音發(fā)生器之間進(jìn)行切換，或者提供下沖保護(hù)，以避免在將耳機插入插孔時聽到輕微的爆破聲。

所有便攜式裝置的一個重要特點就是添加存儲的能力。存儲卡的標(biāo)準(zhǔn)眾多，幾種最常見的標(biāo)準(zhǔn)是 SD、 MicroSD 以及 XD。為了避免使設(shè)計局限于使用一種存儲卡，使用模擬開關(guān)便能夠?qū)崿F(xiàn)添加兩個以上的存儲卡插槽。因為每次只能訪問一個存儲卡，所以不需要使用動態(tài)集線器型開關(guān)。SD卡發(fā)展到能夠?qū)?yīng)用程序集成進(jìn)實際的存儲卡中。應(yīng)用程序包括“藍(lán)牙”、Wi-Fi、指紋掃描器和GPS等，這種發(fā)展還在繼續(xù)。在便攜式設(shè)計中增加SD卡功能，將可以隨著這些插卡得到發(fā)展時獲得益處。

如前所述，假如需要對各種視頻信號源進(jìn)行混合，也可以使用模擬開關(guān)。對于便攜式醫(yī)療裝置，這并不是常見的要求，但是在其它所有類型的便攜式裝置上，視頻輸出連接器已經(jīng)愈來愈普遍。移動電話已經(jīng)開始增加這類功能，主要用于瀏覽附帶相機拍攝的照片。那么為什么要在醫(yī)療裝置上設(shè)置視頻輸出端口?

因為復(fù)合視頻輸出能夠讓用者完整地回顧所有記錄、或者用于以全尺寸回放視頻。圖形處理常常是 ASIC 供應(yīng)商提供的一種選項，但是還需要一個視頻驅(qū)動器的驅(qū)動電纜。飛兆半導(dǎo)體的最新型 FMS6501 是一款超小型的集成式視頻濾波器和線路驅(qū)動器，同時可提供 ESD 保護(hù)。

不管是否存在視頻端口，這種器件都必須具有輸入和輸出外部數(shù)據(jù)的方法。如果這個端口也是電池充電的主要端口就更加理想。獲廣泛采用的 I/O 端口的通用串行總線 (USB) 標(biāo)準(zhǔn)正好能做到這點，而且已經(jīng)幾乎取代了以前的串行連接。隨著 USB 技術(shù)變得日趨成熟，USB 將擁有更多的選項。USB OTG (On The Go) 不需要使用 PC 來建立通信連接，就可以將醫(yī)療裝置直接與打印機相連。此外，無線 USB帶來了更多的便利。在這種情況下，主要的決定是將 USB 收發(fā)器與 ASIC 集成還是使用獨立的 PHY 級收發(fā)器。使用分立式收發(fā)器方式的優(yōu)點類似于上述使用模擬開關(guān)的優(yōu)點。它們省掉了 ASIC 用于復(fù)雜 I/O 的接腳，并為昂貴的核心器件提供 ESD 緩沖。飛兆半導(dǎo)體的 USB 收發(fā)器的ESD 保護(hù)達(dá)到 15kV，為業(yè)界的最高水平。PC 中的 USB 端口亦可通過 Vbus 接腳來提供500mA 下5V的電源。該電源可用來以同步方式為裝置提供能量，甚至可以用來為電池充電。請參照 USB 標(biāo)準(zhǔn)來保證與電源技術(shù)規(guī)范兼容，有可能需要在端口上同時設(shè)置一個限流裝置，例如飛兆半導(dǎo)體的 Intellimax(r) 器件。

醫(yī)療消費品追求的是易用、耐用和精確。便攜技術(shù)的潛能已經(jīng)顯現(xiàn)，并在當(dāng)今移動電話業(yè)中得到驗證，希望只需維持盡可能少的便攜器件。醫(yī)療界必須走類似的發(fā)展道路，例如：一體化血液分析儀、體溫計、以及血壓裝置。當(dāng)醫(yī)療裝置通過 USB 端口與 PC 的分析能力相結(jié)合時，患者便能夠進(jìn)行精確測試并全程跟蹤。了解這些小信號領(lǐng)域中前沿 IC，將可開發(fā)出更優(yōu)秀的終端醫(yī)療產(chǎn)品。