醫療可穿戴設備的設計需求和解決方案

滿足醫療可穿戴設備應用

需求的解決方案

隨著人們越來越重視身體健康，以及眾多國家面臨人口老化的問題，使得醫療可穿戴設備的需求快速增加，這些可穿戴設備通常采用電池操作，因此要求低功耗、小體積，這對相關產品的設計帶來挑戰。本文將為您介紹醫療可穿戴設備的設計需求，以及由安森美（onsemi）推出的相關解決方案。

醫療可穿戴設備追求空間微型化

醫療可穿戴設備的設計需求可能會因應不同的應用場景和目標用戶而有所差異，但一般來說，通常會追求空間優化和器件的微型化，為了提高佩戴者的舒適度和便利性，醫療可穿戴設備應該盡量減少尺寸和重量，并且利用微型化的器件和系統來集成各種功能和通信電路。

為了滿足更多元的功能需求，醫療可穿戴設備應該采用軟性電路技術，讓設備能夠貼合佩戴者的身體輪廓，并且提高設計的靈活性和可靠性。另一方面，醫療可穿戴設備的主要目的是快速、及時地將準確的生理數據傳送給醫療照護機構，所以在設計上要同時確保充分的功率以及高信號完整性。這需要采用高效能的電源設計、板對板連接器、FPC連接器等組件，以及適當的信號處理和傳輸算法。

醫療可穿戴設備作為一種涉及人體健康和安全的產品，必須遵守相關的法規和規范，例如美國FDA、歐盟CE等，這需要在設計時間就進行風險評估和測試驗證，以確保產品的質量和效能，以符合醫療規范和安全標準。

低功耗的完整可穿戴設備解決方案

安森美在設計RSL10時采納了植入式醫療客戶的意見，這些客戶需要設備在不充電的情況下用小電池運行很多年。針對可穿戴設備的無線連接應用，安森美推出的RSL10藍牙低能耗（Bluetooth LE）器件，便具備超低功耗的特性，在睡眠模式下，RSL系列的所有產品都能以非常低的占空比運行，功耗在nA范圍內。

像是助聽器這類涉及音頻的應用，便需要一個音頻編解碼器，RSL10集成LPDSP32，可以運行G.722或CELT等音頻編解碼器，LPDSP32處理器是一個專用硬件塊，用于對音頻數據進行最高效、最低功耗的壓縮／解壓。安森美的EZAIRO 7160無線預配置DSP含RSL10，是助聽器等小外形、低功耗音頻應用的理想選擇。

可穿戴設備對體積的要求通常較高，因此選擇WLCSP（晶圓級芯片封裝）的硅片，其帶有焊球用于連接，是用于需要最小外形尺寸的應用，如消費電子或醫療一次性用品、可穿戴設備或ID標簽。RSL10 WLCSP具有2.32 mm x 2.36 mm的微小尺寸，厚度僅為0.35 mm，RSL10 QFN尺寸為6 mm x 6 mm，RSL15 QFN尺寸是5 mm x 5 mm，仍然非常小。

任何射頻系統的開發都有一個額外的復雜性，那就是必須選擇周圍的組件和天線來匹配硬件環境。為了滿足FCC、CE或其他監管機構的標準的要求，可以選擇一個預先認證的模塊，它集成所有需要的無源組件（如晶體、電源去耦和天線匹配電路）和一個集成天線。在這種情況下，RSL10 SIP是一個理想的解決方案。所有無源組件和天線都集成在這個6mm x 8mm x 1.46mm的認證模塊中。

安森美作為醫療元器件供應商有著悠久的歷史，并將這一經驗用于設計MD-RSL10，使其能夠用于植體或關乎生命的應用，如心臟監測和管理以及神經刺激。

為了協助客戶加快產品的開發速度，安森美有許多經驗證的參考設計，可以作為客戶項目開發起點以加快開發。參考設計通常包括應用硬件、固件、物料單（BOM）、原理圖和PCB制造文件。安森美提供各種低功耗參考設計，包括RSL10傳感器開發套件、RSL10資產標簽、能量采集藍牙低能耗開關、RSL10智能拍攝相機平臺、安全傳輸等。

開發人員在保護敏感數據（如個人健康信息和支付交易信息）時，必須納入一個或多個安全機制。RSL15包含最新的嵌入式安全功能，具有真正基于硬件的信任根和Arm加密單元，用于硬件加速的加密算法。

遠程監控設備則是一種常見的物聯網（IoT）應用，該設備大部分時間處于睡眠模式，偶爾會被喚醒，發送幾個數據包，然后又回到睡眠模式。RSL15非常適合這種應用，因為它提供了多種低功耗模式，幾乎適合任何應用需求。

支持多協議的低功耗無線電系統單芯片

RSL10是一款Bluetooth 5.2、多協議無線電系統單芯片（SoC），為無線應用實現超低功耗藍牙。RSL10達到行業最低的功耗，在深度睡眠模式（Deep Sleep Mode）下62.5nW，接收模式下7mW，在支持各種先進的無線功能的同時優化了系統尺寸和電池壽命。高度集成的無線電SOC的具有雙核結構和2.4GHz收發器，靈活支持藍牙低能耗和2.4 GHz自定義協議，且支持固件在線升級（FOTA）。

RSL10具有靈活的電壓范圍（1.1V和3.3V），支持使用1.2V和1.5V電池的設備，無需外部DC/DC轉換器，RSL10采用5.50 mm2 WLCSP和6 x 6 mm QFN封裝。如需更小型號，該無線電SoC還提供全套系統級封裝（SiP）方案。

RSL10具有精密雙核結構，采用可編程的Arm Cortex-M3處理器，時鐘速度高達48 MHz，靈活支持2.4 GHz專有和自定義協議棧。嵌入式數字信號處理器（DSP）可支撐信號處理密集型應用，如無線音頻編解碼。

RSL10的片上和軟件無線支持包括2.4 GHz射頻前端（RFFE）和支持2 Mbps數據速率的藍牙5.2認證基帶控制器。RSL10開發工具套件中提供了各種藍牙低能耗協議。這款高度集成的SoC采用強大的雙核架構輔以高效的電源管理單元、振蕩器、閃存和RAM存儲器、DMA控制器以及外設和接口，并內置384kB閃存，提供IP保護功能，以保護閃存內容，并具有可配置的模擬和數字傳感器接口（GPIO、LSAD、I2C、SPI、PCM）。

RSL10相當適用于醫療可穿戴設備，常見的終端產品包括健身追蹤器／活動監測儀、智能手表、助聽器／聽力設備、心率監測儀、血糖檢測儀（BGM）、連續血糖監測儀（CGM）、脈沖血氧儀等。

RSL10的軟件開發套件（SDK）是基于Eclipse的免費安森美集成開發環境（IDE），并支持Keil μVision和IAR Embedded Work Bench，提供完整的藍牙低能耗協議棧，支持安卓和iOS應用（固件在線升級）與免費RTOS。

滿足醫療智能互聯設備需求的

無線微控制器與音頻處理器

安森美的另一款藍牙低能耗芯片RSL15是一款基于Arm Cortex?M33處理器的超低功耗的安全藍牙低能耗5.2無線MCU，專為工業和醫療應用中的智能互聯設備而設計。RSL15具有內置電源管理、寬廣的電源電壓范圍、靈活的GPIO和時鐘方案以及廣泛的外設集，為高性能和超低功耗應用提供了最大程度的設計靈活性。RSL15包含80kB RAM，并有284kB或512kB兩種閃存選擇。RSL15主要應用于工業自動化和傳感、醫療互聯傳感器、可穿戴設備、資產追蹤、電子標簽和門禁控制、電子標牌、數據記錄器、智能電器、能量收集開關等。

RSL15是業界領先的通用微控制器（MCU），也是業界最低功耗的基于閃存的安全藍牙低能耗MCU，具有信任根的最新嵌入式安全技術，支持藍牙低能耗5.2，具有遠距離和定位功能，并提供全面且易于使用的軟件開發工具套件（SDK），包含驅動程序、庫、示例代碼、開發工具和移動應用程序，提供可支持iOS和安卓的RSL15 Central、支持iOS和安卓的RSL FOTA。

安森美并提供一款用于助聽器的無線功能DSP的音頻處理器 ― EZAIRO 7160 SL，Ezairo 7160 SL可實現助聽器中的無線聯接，是一款可開放編程的、基于DSP的混合模塊，支持藍牙低能耗和其他2.4 GHz無線協議。

Ezairo 7160 SL中的器件Ezairo 7100數字信號處理器（DSP）包括一個高精度、四核體系結構，提供375 MIPS而不會犧牲功耗性能的RSL10無線電芯片，具有行業內最低功耗的Bluetooth 5認證無線傳感器。Ezairo 7160 SL另外還有EA2M這個2 Mb EEPROM內存，用于存儲重要的助聽器參數和固件，并提供Ezairo預先配置套件、可開放編程評估和開發套件（EDK）等開發工具。Ezairo 7160 SL可應用于無線連接、音頻處理、立體聲音頻流、藍牙低能耗控制，最常見的終端產品便是助聽器。

結語

醫療可穿戴設備的設計追求低功耗、體積小，并要符合安全規范，因此必須采用高度集成的低功耗器件，才能夠滿足醫療可穿戴設備的嚴苛要求。安森美針對醫療可穿戴設備推出多款醫療元器件解決方案，無論是無線電系統單芯片還是微控制器、無線藍牙芯片、音頻處理器，均具備高度集成、低功耗、體積小的特性，并提供完整的軟硬件開發工具，將會是相關產品開發商理想的合作伙伴。

審核編輯：湯梓紅