通過基于SoC的方法設計手持醫療設備
賽普拉斯半導體公司
Amit Nanda Viren Ranjan
摘要： 醫療設備產業的快速發展，推動了對個人除顫器及動態血糖監視儀等手持醫療設備需求的大幅提升。但實際上設計此類醫療設備并不是一項輕松的任務。選擇適當的組件滿足設計規范要求、降低成本、盡可能提高功率效率、盡力控制設備的物理尺寸等僅是設計此類產品時必須要考慮的部分問題。此外，開發人員還必須要保證設備的可靠性，同時還須確保使用的所有組件全都符合美國食物及藥品管理局 (FDA) 的規范要求。例如，FDA 要求醫療設備使用的所有組件在今后 5 年內都必須保持量產狀態。考慮到上述要求，許多開發人員都開始轉而采用片上系統架構來縮短設計周期，減少組件數量，并降低醫療應用的產品成本。
Abstract：
Key words :
醫療設備產業的快速發展，推動了對個人除顫器及動態血糖監視儀等手持醫療設備需求的大幅提升。但實際上設計此類醫療設備并不是一項輕松的任務。選擇適當的組件滿足設計規范要求、降低成本、盡可能提高功率效率、盡力控制設備的物理尺寸等僅是設計此類產品時必須要考慮的部分問題。此外，開發人員還必須要保證設備的可靠性，同時還須確保使用的所有組件全都符合美國食物及藥品管理局 (FDA) 的規范要求。例如，FDA 要求醫療設備使用的所有組件在今后 5 年內都必須保持量產狀態。考慮到上述要求，許多開發人員都開始轉而采用片上系統架構來縮短設計周期，減少組件數量，并降低醫療應用的產品成本。
目前的設計方法
下列圖 1 和圖 2 給出的是目前市場上常見的兩款手持醫療設備的方框圖。第一個是血糖儀的方框圖，而第二個是血壓監測儀的方框圖。圖 3 顯示的是電源管理單元。
上述兩款設備在基本構造方面彼此類似。主要的區別在于其各自連接的傳感器。
構成此類醫療設備的常見組件包括：
核心
· 微控制器：執行所有數據處理和系統級管理任務。
外圍組件
·傳感器：血糖儀采用侵入式/非侵入式生物感應器，血壓監測儀采用壓力傳感器。
·ADC：將來自傳感器的模擬信號轉換為數字形式。
·過濾器(濾波器)：過濾掉(濾除)輸入信號中的噪聲。
·LCD 控制器和 LCD 玻璃基板(屏)：為用戶顯示相關信息。
·USB 接口：與 PC 同步，監控并存儲數據，用于后期分析。
·非易失性閃存存儲器：用于存儲代碼和數據。
·電源管理系統：包括升壓轉換器和線性穩壓器。
外設組件外置于微控制器，并通過 GPIO 或專門的引腳與微控制器相連接。
上述設計方法有不少局限性：
·外部組件數量過多。組件數量的增加意味著需要更多的 PCB 空間。
·外部組件越多，PCB 跡線產生噪聲的幾率也就越大。
·每個外部組件都必須分別得到 FDA 的批準。
·軟硬件開發都很費力，導致開發時間延長。
·不能修改或很難修改。
基于 SoC 的設計方法
片上系統 (SoC) 架構提供了一種不同的設計方法，即在微控制器所處的芯片上集成或仿真大部分外設。如果設備大規模生產的話，ASIC 的成本通常較低。不過，如果考慮到可編程性和靈活性的話，SOC 則更加適用。此類設計的方框圖如下所示：
我們可以看到，由于大多數外設組件都集成到了 SOC，板上組件數量立即減少了很多。此外，該新型設計方法還具有以下優勢：
·組件數量的減少同時可大幅縮短設計周期。
·由于可通過軟件在芯片中仿真硬件，因此可根據需要方便地對設計進行修改。
·外設數量的減少可降低不同外界來源對板所造成的噪聲影響。
·因為 SoC 的某些特性在不需要時可以關閉，電源管理因而得以簡化。
上述優勢適用于任何嵌入式產品設計，而對醫療設備設計人員來說更有獨特的優勢。例如，醫療設備應用代碼非常復雜，工程師有時很難順利編寫。但最難的是創建一個讓所有組件均無縫協作的架構，因其必須要解決每個組件使用什么接口、I/O 是否夠用以及如何通過不同接口的多路復用支持多個組件工作等各種問題。
利用 SoC 的可再配置性，管理接口的工作得以簡化，不需要再手動編寫設備驅動程序、API 和代碼，而是可以選擇最佳配置設置，編寫盡可能少的代碼，確保組件相互協作。這種方法還可使開發人員通過改變 SOC 的配置啟用或禁用某些特性來發布同一產品的不同版本，以滿足不同價位的需要。產品的銷售定價既可以提升也可以降低，價格的提升可以通過增加特性來實現。這種發揮可再配置性的方法縮短了開發時間，節約了成本，而更重要的是這種方法能使公司推出滿足不同細分市場需求的產品。利用這種設計方法還可縮短設備驗證和測試的時間。此外，采用基于 SOC 的設計方法也有助于公司符合 FDA 的規定，因為確保具體的一款 SOC 在今后五年內保持量產狀態比確保大量的外部組件要容易得多。下列圖 5 顯示的是采用可再配置架構的醫療設備示意圖，該產品采用了包含可編程數字和模擬模塊的賽普拉斯可編程片上系統 (PSoC)。
可編程 SoC 架構還可讓設計人員靈活地實時更改相關功能，根據相應應用和具體的工作環境改善電源管理和抗噪性。但這種方法有一個潛在的局限性，就是針對具體設計 (取決于應用數量和組件的可用性)而言，SOC 在實際使用中可能比低成本微控制器搭配外設組件時的成本要高一些。不過，考慮到用單一器件替代眾多不同器件的優勢，如設計的簡化、可靠性的提高、總擁有成本的降低等，基于 SOC 的設計方法對許多醫療應用來說仍不失為一種令人信服的選擇。
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