便攜式醫(yī)療應(yīng)用服務(wù)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)低功耗訴求

在便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中，特別是DSP比較集中的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師們正面臨著一系列的挑戰(zhàn)。通常情況下，設(shè)備要求重量輕、外形小、性能高。這些制約因素往往意味著該系統(tǒng)必須以輕巧的鋰離子電池或類似的電源運(yùn)行。盡可能長的電池壽命、強(qiáng)大的計(jì)算能力和靈活的人機(jī)界面必然要求使用高性能（計(jì)算和信號轉(zhuǎn)換能力）、低功耗和靈活的DSP子系統(tǒng)。即使使用小型電池滿足了外形需求，功率從而也受到了限制。

便攜醫(yī)療應(yīng)用信號處理設(shè)備的功耗通常分為信號轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)以及信號處理。其中，信號轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)的功耗很大程度取決于信噪比和帶寬（即采樣率）的要求。

在這個(gè)領(lǐng)域有一定的創(chuàng)新空間，因?yàn)樵蕉嚯娏鞴┙o到信號轉(zhuǎn)換前端，使用的CMOS（雙極）器件越大，越可以得到較好的信噪比。有更多數(shù)字性質(zhì)的轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如Σ - Δ），得益于半導(dǎo)體幾何尺寸的日益減少。但在更小幾何尺寸上漏電流和1/f噪聲的增加，也意味著設(shè)計(jì)信號調(diào)理部分只有消耗更多的能量，才能實(shí)現(xiàn)理想的性能。

最大程度的降低功耗可以通過降低操作電壓實(shí)現(xiàn)。但是，對于給定的CMOS和所需操作頻率而言，操作電壓主要由所選擇CMOS的閾值電壓確定。在給定時(shí)鐘頻率下，降低閾值電壓允許低電壓運(yùn)行。但是，亞閾值電流泄露將增加，并可能成為功耗中重要組成部分。在需要長時(shí)間待機(jī)狀態(tài)的便攜設(shè)備中減少泄露電流是至關(guān)重要的。

分而治之

一個(gè)最大限度提高電源效率的方法是將信號處理算法分成若干區(qū)域，該方法可在簡化的時(shí)鐘頻率下并行運(yùn)作。這有兩種好處：第一，不需要的模塊能夠?qū)⑵涔闹袛嘌h(huán)。第二，簡化的時(shí)鐘頻率允許低工作電壓。這就是“分而治之”的方法，在信號處理工程師群體中是人所共知的。其中最好例子就是無處不在的傅立葉變換。

另一種分而治之的方法是將信號處理算法塊分割成兩個(gè)集合，矢量要素及組合和不規(guī)則元素。這通常導(dǎo)致多分區(qū)的地方有更高速的信號處理路徑和簡化的控制鏈。如果應(yīng)用得當(dāng)，這個(gè)方法同樣可以用于硬件（特定應(yīng)用集成電路，ASIC）或更靈活的如特定應(yīng)用信號處理器（ASSP）中整個(gè)設(shè)計(jì)是“硬編碼”的應(yīng)用。

這個(gè)設(shè)計(jì)方法是通用DSP與可重構(gòu)向量處理器結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，我們稱之為可重構(gòu)特定應(yīng)用信號處理器（reconfigurable application-specific signal processor）。安森美半導(dǎo)體首先將這種RASSP方法用于聽覺應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)ASSP與低功耗的ASIC結(jié)合可以提供更高的靈活性。

將這種方法與通用計(jì)算領(lǐng)域新興的雙核（現(xiàn)在四核）同質(zhì)方法相比是有趣的。二者都能夠降低功耗，因?yàn)樗麄兌荚试S降低操作頻率，從而在較低電壓運(yùn)行。但是，雙核異質(zhì)方法能夠進(jìn)一步削減功耗，因?yàn)樾盘柼幚響?yīng)用中所需的專門處理是在硬件中實(shí)現(xiàn)的。

在實(shí)際中如聽覺、便攜式音頻和一些新興醫(yī)療應(yīng)用中使用這種方法被證明是成功的?？芍貥?gòu)處理器側(cè)重于矢量“數(shù)字運(yùn)算”，而通用的、雙MAC（乘加）數(shù)字信號處理器進(jìn)行側(cè)鏈處理、通訊以及人機(jī)界面元素的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，小型、超低功耗DSP應(yīng)用正出現(xiàn)在各種各樣的便攜醫(yī)療應(yīng)用中。

編程挑戰(zhàn)

可編程雙核異質(zhì)系統(tǒng)帶來了一些挑戰(zhàn)。但是，強(qiáng)大的工具集和經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)，大多數(shù)DSP工程師都能應(yīng)付自如?？删幊坍愘|(zhì)雙核系統(tǒng)中高級工具的使用仍在研究中，隨著新想法的涌現(xiàn)，必將精簡該設(shè)計(jì)過程。

對于大多數(shù)在雙核、異質(zhì)器件中實(shí)現(xiàn)的信號處理算法，基于區(qū)塊的方法被用于整個(gè)信號處理架構(gòu)。這導(dǎo)致了自然系統(tǒng)的“心跳”或稱“tick”，即碼率。在這些系統(tǒng)中對信號處理算法分區(qū)是富有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槠浔仨毟采w處理器（通用處理器與可編程處理器）和時(shí)間。以tick劃分區(qū)塊可以盡量減少側(cè)鏈參數(shù)的更新率，從而將功耗減小到最小值。

在處理器分區(qū)可以通過基于Matlab界面而簡化，而可重構(gòu)向量處理器可以通過使用“函數(shù)鏈”簡化。一個(gè)函數(shù)鏈將一系列的矢量操作聚集到一個(gè)總函數(shù)中，這就是所謂的通用處理器。功能鏈完成重構(gòu)處理器與通用處理并行操作及操作完成時(shí)的中斷功能。

這個(gè)高效矢量處理和多速處理并行處理過程，為便攜醫(yī)療應(yīng)用提供了超低功耗。簡而言之，便攜醫(yī)療應(yīng)用中的超低功耗需要合適的硬件方法和高效的、良好編碼信號處理算法。

例如：脈搏血氧儀

該DSP設(shè)計(jì)和編程方法已經(jīng)應(yīng)用于低功耗、便攜脈搏血氧儀系統(tǒng)。在典型的指尖脈搏血氧計(jì)中，紅光和紅外光交替?zhèn)魉偷讲∪说氖种?，使用一個(gè)光電二極管探測手指對光的吸收量。通過紅光與紅外光的吸收量可以確定病人的血氧水平（血氧飽和度）。

從所接收的信號提取生命體征是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的信號處理任務(wù)。它通常由大的、現(xiàn)成的通用DSP實(shí)現(xiàn)，這類DSP不能提供便攜應(yīng)用所需的低功耗。使用安森美異質(zhì)雙核方法以及高采樣率信號處理過程，如解調(diào)、數(shù)字濾波、抽取及頻域分析，能夠有效地映射到重構(gòu)向量處理器中。該方法滿足了通用DSP處理復(fù)雜信號分析和所需邏輯，從而確定血樣飽和度的讀數(shù)。

在一個(gè)血樣飽和度系統(tǒng)原型中，DSP子系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)換，當(dāng)讀讀取血樣飽和度讀數(shù)時(shí)，工作電壓僅為1.8V，工作電流僅為2.5mA。

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