手持式醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用于個(gè)人保健的移動(dòng)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(dòng)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。選擇適當(dāng)?shù)?strong>元件滿足設(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。除此之外，還必須確保產(chǎn)品簡單易用，所用的元件符合FDA要求。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(chǎng)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。

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(jí)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；
2. ADC，將從轉(zhuǎn)換器得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字形式；
3. 輸入信號(hào)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(chǔ)數(shù)據(jù)；
6. 非易失性快閃存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)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；硬件與軟件開發(fā)時(shí)間延長；很難方便地對(duì)設(shè)計(jì)方案加以改動(dòng)。[!--empirenews.page--]

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(shì)。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(shì)：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(shí)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(shí)不需要的芯片特性，可方便地降低電路板功耗。

這些優(yōu)勢(shì)可對(duì)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(shì)。

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(gè)讓所有元件都可無縫協(xié)作的架構(gòu)，常常是一個(gè)很大挑戰(zhàn)。每個(gè)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(gè)以上的元件，等等，都是都是需要考慮的問題。此外，最好還能在微控制器中拖放元件、選擇配置設(shè)置、盡可能減少代碼編寫工作量同時(shí)又確保不同元件彼此協(xié)作。設(shè)計(jì)人員還希望同一產(chǎn)品有不同版本，以滿足不同價(jià)位需求，適應(yīng)市場(chǎng)和客戶需求的不斷變化。

如果設(shè)計(jì)人員只需通過點(diǎn)擊操作就能禁用某個(gè)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(shí)間、節(jié)約成本并根據(jù)不同市場(chǎng)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(cè)試時(shí)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)。[!--empirenews.page--]

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(gè)優(yōu)勢(shì)，是能讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)備運(yùn)行時(shí)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。

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(shì)，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(shì)。