便攜式醫療系統的無線監控電路方案設計

本文探討了便攜式醫療系統中無線監控的挑戰性要求。 在設計高可靠性醫療設備時需要權衡各種工程環節，從超低功耗收發器和各種協議，到高效電源管理和傳感器接口。

便攜式醫療器件的開發人員和用戶越來越要求增強連接性、延長電池壽命，因此安全性正成為關鍵問題。

目前有多種應對方式，包括在智能藍牙等協議中增加安全特性，以使家庭監控更加安全。

IMS Research 預測，紐扣電池供電型醫療器件中使用的智能藍牙將成為未來幾年的熱門，僅 2016 年的系統發貨量就能超過 470 萬套。 智能藍牙中有三分之一以上將提供無線連接，部分程度上是由于連接安全性的推動作用。

這說明了設計安全性和可靠性、微控制器、無線收發器之間的緊密聯系，以及不同因素之間的平衡。

智能藍牙越來越受歡迎，它可將智能手機用作便攜式醫療器件的接口。 手機發送的數據既可在本地處理，也可通過蜂窩網絡或本地 Wi-Fi 網絡發送到云端進行存儲和分析。 如此一來，對設備設計人員的要求顯著降低了，但確保數據在傳輸鏈中的安全性變卻得愈發重要，傳輸鏈中的智能藍牙應用尤其流行。

其中一種方式便是使用藍牙技術聯盟 (SIG) 開發的 Health Device Profile (HDP)。 此方法可優化電池較低漏極的無線鏈接性能，而且針對特定應用增加了多種格式，尤其是醫療設備。 這意味著醫療產品設計人員可以根據特定應用選擇相應的規范，從而降低存儲器和電源開銷。 HDP 支持醫療和健身應用，如體溫測量、血壓、體重計、血糖、脈搏血氧飽和度、心率、計步器、速度、距離、周期節奏、簡單遙控和電池狀態。

除數據安全外，智能藍牙還增加了隱私保護，尤其是當用戶在進行戶外活動時。 這限制了通過頻繁改變的器件隨機地址追蹤傳輸器件的能力。

在電子醫療記錄和遠程醫療日益盛行的趨勢之下，醫療從業人員同樣有職責像保護傳統紙質記錄那樣，保護患者醫療記錄，維護患者治療隱私。 由于電子文檔更容易被復制和傳播，電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲需要更高層次的安全。 因此，在開發任何便攜式醫療器件時需要認真考慮數字安全問題。

TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用鐵電存儲器 (FRAM) 實現低功耗存儲，在與無線產品結合時，通過智能藍牙個人保健器件類 (PHDC) 協議，能用于血壓監視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計等。

將傳統藍牙的 AES 加密技術應用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中，以便保持盡可能低的功耗。 256 位 AES 引擎可用于 128、196 和 256 位密鑰，并且不同類型的加密方式對應不同的 DMA 支持，如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。 這樣可將數據直接傳輸到 AES 引擎上，無需使用無線收發器的中央內核，進而降低功耗。

收發器連接也盡可能保持低功耗，帶有 12 位模數轉換器 (ADC)，200 ksps 時耗電 75 μA，支持最多八通道差分輸入。 每個輸入還有窗口比較器功能，可以簡化數據比較，以便僅捕獲顯著改變，從而進一步降低醫療應用的功耗。

讓無線固件更容易更新，為時間敏感的數據存儲提供更快速的響應，控制器中的 FRAM 存儲器可由此節省 12-15% 的電池壽命。 此外，FRAM 續航時間長，不需要外部 EEPROM，因為代碼存儲在內部，所以設計更加安全，并可降低功耗、物料清單和制造復雜度。 器件還包括 IP 防護、器件 ID、篡改檢測和安全數據記錄，以進一步保護無線系統中運行的數據。

超低功耗模式對此類型的設計也至關重要，該平臺可支持七種低功耗模式，可在 6 μs 內快速喚醒。

這些微控制器用于配合無線收發器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541 藍牙收發器。 包括名為 BLE 堆棧的免費固件，它能實現便攜式設計的空中 (OTA) 下載，讓升級更加容易。 控制器、主機和應用處理器全部集成到一個 6 mm x 6 mm 的封裝中。 收發器 18.5 mA 傳輸電流的低功耗設計意味著，它能靠單顆紐扣電池工作一年以上。

Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。 這是一款全集成無線電收發器和智能藍牙基帶處理器。 它可用作獨立應用處理器，或者作為帶有單獨微控制器的托管型系統的數據泵。

DA14580 支持存儲藍牙規范和自定義應用代碼的靈活存儲架構，可以通過 OTA 更新。 智能藍牙協議堆棧存儲在專門的 ROM 中，通過簡單調度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運行。

智能藍牙固件包括 L2CAP 服務層協議、安全管理器 (SM)、屬性協議 (ATT)、通用規范 (GATT) 以及通用訪問規范 (GAP)，128 位 AES 加密處理器支持這些協議，可確保數據流安全。

為了簡化設備設計，收發器一端直接連接天線，另一端有鏈路層專用加速器，可提供 93 dB 鏈路預算。 設計中的所有 RF 代碼塊均通過片載低壓差穩壓器 (LDO) 提供，可按代碼塊編程，并經過最小功耗優化。

DA14580 搭載 Dialog 的 SmartSnippets 藍牙軟件平臺，包括符合要求的片載智能藍牙單模式堆棧。 其配有各種消費者健康、運動、健身、安全和近端應用的標準智能藍牙規范，其它用戶規范可以輕松開發并加入到堆棧中。 SmartSnippets 軟件開發環境是基于 Keil 的 uVision 工具，其中包括嵌入式和托管模式的范例代碼。

但并非所有的便攜式醫療設計都需要智能藍牙。 家用健康監控系統可以使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x 等器件，連接到家庭網絡而非移動電話，以便利用集線器中的其它計算資源來確保安全性。 對于不超出家庭范圍的系統，這種方案所需器件更小巧、成本更低。 106x/108x 將高性能無線連接和超低功耗 8051 微控制器處理整合到外形尺寸為 5 mm x 6 mm 的芯片中。 可支持 142 到 1050 MHz 范圍的主要頻率帶寬，包括集成的先進數據包處理引擎和實現高達 146 dB 鏈路預算的能力。 這樣即可允許設計人員平衡鏈路預算、低功耗范圍和更長的電池壽命。

Silicon Labs 器件經過優化，通過最大限度地降低傳輸、接收、工作模式、休眠模式電流并支持快速喚醒功能，能將電池供電型應用的能耗降至最低。 Si106x 無線 MCU 與 Si108x 器件引腳兼容，閃存容量從 8 擴展到 64 kB，并可提供堅固的模數外設，包括 ADC、雙比較器、計時器和 GPIO。

結論

安全性正成為無線便攜式醫療設備日益重要的設計要求。 使用智能藍牙的最新規范能增加安全鏈路，同時優化特定醫療應用設計，盡可能實現最長的電池壽命。 可以通過結合超低功耗微控制器和收發器，或通過高度集成的片上系統設計實現。 也可通過更簡單的鏈接到家庭網絡的收發器來實現，家庭網絡的處理能力更強，可確保數據在傳輸鏈路中保持安全。