便攜式醫(yī)療電子設(shè)備中系統(tǒng)單芯片的應用

（文章來源：OFweek）

便攜式醫(yī)療電子在近幾年出現(xiàn)可觀的成長，獲業(yè)界廣泛的采納，市場許多新設(shè)立的企業(yè)持續(xù)推出新的衍生產(chǎn)品。目前需要的是更好的可量產(chǎn)設(shè)計，提供較低的復雜度與可接受的效能水平，讓業(yè)者能壓低裝置的成本。在設(shè)計醫(yī)療裝置時，業(yè)者要考慮的一些重要因素，包括選擇正確的部件來因應規(guī)格、功耗、成本、尺吋等方面的要求，以及通過美國食品及藥物管理局(FDA)的檢驗。

典型的便攜式醫(yī)療電子系統(tǒng)，內(nèi)含的部件包括用來擷取數(shù)據(jù)的模擬前端部件、用來調(diào)節(jié)信號的放大器與濾波器、模擬對數(shù)字轉(zhuǎn)換器、收集使用者回饋的按鈕、用來演算的微控制器以及用來連結(jié)液晶屏幕與USB連結(jié)端口的各種接口。傳統(tǒng)的設(shè)計方法，是把所有需要的部件置于電路板，然而這種方式會增加整體材料清單、PCB的復雜度以及設(shè)計周期。

由于外界可輕易對解決方案進行逆向工程，因此這些模擬部件會降低模擬IP的防護力。便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的設(shè)計與制造，由美國食品及藥物管理局(FDA)監(jiān)管，這意謂產(chǎn)品的設(shè)計與制造必須準確依循明文規(guī)定的流程，其效能必須符合嚴格的紀錄、開發(fā)測試、產(chǎn)品測試以及現(xiàn)場維護等規(guī)定。

典型的血壓計采用一個壓差傳感器來量測手腕或手臂的血壓，這個傳感器的輸出信號僅有數(shù)微伏特(30μV～50μV)。輸出的血壓信號必須用一個有理想CMRR(共模拒斥比)的高增益儀表放大器加以放大。通常理想的增益與CMRR分別為150dB 與100 dB。血壓信號的振蕩脈沖頻率，介于0.1Hz～11Hz之間，幅度為數(shù)百微伏特。這些信號振蕩可運用帶通濾波器來擷取出來，濾波器的增益約為200，截止頻率為0.3Hz～11Hz。一個速度達50Hz的10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可用來對血壓傳感器與振蕩器的信號進行數(shù)字化。

典型的免接觸數(shù)字溫度計使用一個內(nèi)含嵌入在薄膜上微機器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來量測熱電隅的溫度，并利用熱敏電阻來量測環(huán)境溫度。熱電隅會產(chǎn)生一個直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關(guān)系，熱電隅的輸出信號僅有數(shù)V。熱電隅輸出的信號會透過這些低噪聲精準放大器來加以放大，運用熱敏電阻與外部精準參考電壓，做出一個分壓器。

分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數(shù)值，轉(zhuǎn)換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來計算熱電隅與周圍溫度。系統(tǒng)會運用傳感器制造商提供的多項式函數(shù)，或根據(jù)有預存讀數(shù)的查表，從電壓推算出溫度，周圍溫度加入到熱電隅溫度，就能算出最終溫度。

Segment LCD 驅(qū)動器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM以及USB，是上述應用所需的其它外圍部件。

微控制器以外，包括傳感器、ADC、液晶屏幕驅(qū)動器/控制器、USB控制器、濾波器、放大器等，都屬于外圍部件。這些部件透過GPIO或?qū)籴樐_連結(jié)至微控制器。使用這些外圍部件會遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的復雜性、FDA要求檢驗每個部件因而增加設(shè)計/開發(fā)時間、降低模擬IP的防護力。

在血壓計中運用系統(tǒng)單芯片(SoC)能大幅簡化設(shè)計流程，一個SoC整合了產(chǎn)品需要的高增益儀表放大器。運用整合式模擬/數(shù)字濾波器，就能擷取出振蕩脈沖信號。SoC內(nèi)的可調(diào)式ADC可用來執(zhí)行數(shù)據(jù)數(shù)字化，內(nèi)建的CPU核心提供必要的處理功能，能執(zhí)行程序代碼更長的算法。這種部件還整合了分段式LCD數(shù)字屏幕來顯示訊息； 紀錄數(shù)據(jù)的EERPROM內(nèi)存；紀錄時戳的實時頻率； 連結(jié)PC接口的全速USB；從CPU取得數(shù)據(jù)的DMA，以及取代按鈕的觸控部件。SoC內(nèi)的定時器能用來計算心跳速度，以及處理安全功能。SoC亦支持大范圍的運作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC內(nèi)的脈沖調(diào)變器可用來控制馬達。

SoC整合必要的放大器與ADC，在紅外線溫度計內(nèi)用來偵測微伏特等級的變化。SoC內(nèi)部有精準的參考電壓，能為傳感器提供一個穩(wěn)定且精準的參考訊源。SoC內(nèi)建的其它功能包括Segment LCD 數(shù)字屏幕驅(qū)動器、EEPROM內(nèi)存、RTC、USB 接口、以及觸控感測等。

如上所述，SoC整合了大多數(shù)的外圍部件。如此業(yè)者可立即省掉為數(shù)可觀的部件。使用這種芯片還能保護模擬IP，因為所有模擬部件都已整合在芯片內(nèi)。較少的部件數(shù)量，意謂PCB更加簡化、開發(fā)時間與上市時程亦更為縮短。芯片內(nèi)各種外圍部件的功耗，可透過不同模式來單獨管理，電源管理的工作變得簡單且有效率。這些芯片的可調(diào)整彈性，在重新設(shè)計或變換解決方案時，能協(xié)助降低成本與作業(yè)時間。更重要的是運用系統(tǒng)單芯片，由于減少使用材料，因此讓FDA檢驗的程序更為簡單。血糖計、脈動測氧器、便攜式ECG心電圖裝置等，這些便攜式醫(yī)療電子設(shè)備都可采用SoC。

舉例來說，Cypress的PSoC 3/5產(chǎn)品(可編程系統(tǒng)單芯片)是針對各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計、血糖計、以及脈動測氧器等。PSoC3/5 結(jié)合 8051/ARM cortex M3核心，速度分別為33MIPS與100 DMIPS，還有放大器、2KB 的EEPROM、全速式USB 2.0、以及許多其它功能，因此建構(gòu)出真正單芯片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對每項功能提供預先編程的可調(diào)式IP模塊，為產(chǎn)品設(shè)計師提供所有必要的工具，開發(fā)出微型化、高度可編程的最終產(chǎn)品，并達到極短的設(shè)計周期。PSoC 3/5部件的低功耗特性，更適合支持掌上型醫(yī)療/生活休閑等電子產(chǎn)品。
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