解析手持式醫療電子設備的設計

　　隨著醫療電子設備產業的快速發展，用于個人保健的移動手持式醫療電子設備也同樣在快速發展。不管是手持式除顫儀還是動態血糖監視儀，設計這類產品都不是一件容易的事。除顫儀心臟直流電復律是用電能來治療快速異位心律失常，使之轉復為竇性心律的一種有效方法。分同步電復律與非同步兩種：同步電復律是指除顫器由R波的電信號激發放電，非同步電復律是指除顫器在心動周期的任何時間都可放電選擇適當的元件滿足設計規范要求、盡可能降低成本、確保設計方案的功率、特別關注產品的實際大小等等，都是在產品設計過程中必須考慮的問題。比如，其中一項規定是要求用于醫療電子設備的元件必須五年內不停產。由于這些限制，醫療電子設備的設計人員還必須關注如何縮短設計周期、減少元件數量、降低產品成本。

　　當前的設計方法

　　圖1和圖2是目前市場上流行的兩款手持式醫療電子設備的結構框圖。圖1是血糖監視儀的結構框圖，圖2是血壓監視儀的結構框圖，圖3是它們的電源管理單元。

　　圖1:血糖監視儀的結構框圖。

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　　這兩種設備在基本電路構造上非常相似，只是連接的傳感器有所不同。

　　這種典型的手持式醫療電子設備主要包含內核（執行所有數據處理與系統級管理任務的微控制器），以及外設元件。其中，外設元件包括：

　　1. 傳感器，血糖監視儀中的有創/無創生物傳感器，或者血壓監視儀中的血壓傳感器；血壓傳感器 英文名稱：blood-pressure transducer 定義：能感受血壓并轉換成可用輸出信號的傳感器。

　　2. ADC,將從轉換器得到的模擬信號轉變為數字形式；

　　3. 輸入信號處的濾波器，用于濾除噪聲；

　　4. LCD控制器以及向用戶顯示相關信息的LCD;

　　5. USB接口，可與PC同步，顯示并存儲數據；

　　6. 非易失性快閃存儲器，可存儲代碼與數據；

　　7. 包含升壓轉換器與線性穩壓器的電源管理系統。

　　外設元件都在微控制器外部，通過通用GPIO或專用引腳連接到微控制器。

　　然而，這種設計方法存在一些局限性，主要體現在以下方面：由于全部使用外部元件，所以元件數量很多，需占用較多的PCB空間；外部元件越多，PCB走線上感應噪聲的幾率就越大；所有元件是需經過FDA認可；FDA是食品和藥物管理局（Food and Drug Administration）的簡稱，在中國，因為其標準比較高，因此多以美國FDA為最高準則。因此，FDA有時也代表美國FDA,"FDA"是美國食品藥物管理局的英文縮寫，它是國際醫療審核權威機構，由美國國會即聯邦政府授權，專門從事食品與藥品管理的最高執法機關；是一個由醫生、律師、微生物學家、藥理學家、化學家和統計學家等專業人事組成的致力于保護、促進和提高國民健康的政府衛生管制的監控機構。其它許多國家都通過尋求和接收 FDA 的幫助來促進并監控其本國產品的安全。硬件與軟件開發時間延長；很難方便地對設計方案加以改動。

　　基于SoC的設計方案

　　不妨設想這樣一種情況：在包括了微控制器的單芯片上實現大多數外設元件功能，也就是采用片上系統（SoC）或ASIC.如果希望支持可編程性，那么選用SoC比較適合。如果實現大批量生產，那么ASIC在成本上更有優勢。這種設計方案的結構框圖如圖4所示。

　　圖4:基于SoC的手持式醫療電子設備設計方案。

　　由于大多數外設元件都集成到SoC中，所有板上的元件數量大大減少。此外，這種全新的設計方法還有以下優勢：減少元件數量可大幅縮短設計周期；由于硬件功能在芯片內通過軟件實現，所以便于隨時根據需要修改設計方案；減少外設元件也有助于減少噪聲；通過禁用某些暫時不需要的芯片特性，可方便地降低電路板功耗。

　　這些優勢可對任何嵌入式產品設計帶來好處。不過，在醫療電子設備設計中采用上述方法還有一些獨特優勢。

　　醫療電子設備的代碼非常復雜，有的代碼編寫起來非常困難。特別是創建一個讓所有元件都可無縫協作的架構，常常是一個很大挑戰。每個元件使用什么接口、有沒有足夠的I/O、不同接口能否通過多路復用技術支持一個以上的元件，等等，都是都是需要考慮的問題。

　　如果設計人員只需通過點擊操作就能禁用某個設計特性，或者通過拖放操作就能增加特性，則必將縮短開發時間、節約成本并根據不同市場需求推出相關產品。這種設計方法還有助于縮短產品的驗證與測試時間。

　　采用基于SoC的設計方法還有助于滿足FDA的規定要求，因為它能更方便地確保所用的SoC五年內不停產。

　　基于PSoC的設計方案

　　賽普拉斯推出了一系列可編程片上系統（PSoC）器件，能很好地滿足上述應用需求。PSoC器件的可編程數字與模擬模塊經過通過配置后，可以執行外設功能。圖5給出了基于 PSoC 的醫療電子設備典型結構框圖。

　　PSoC的另外一個優勢，是能讓設計人員在設備運行時也能靈活地修改功能，實現更好的電源管理與抗噪性能。PSoC系列單片機是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內核周圍集成了可配置的模擬和數字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯陣列，有效地配置芯片上的模擬和數字塊資源，達到可編程片上系統的目的。 PSoC（TM）混合信號陣列是可編程的片上系統（SOC），其集成了微控制器以及嵌入式系統中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數字組件。采用一個微控制器，一個PSoC器件最多可集成100種外設功能，從而幫助客戶節約設計時間和板上面積，降低了功耗，系統成本也可降低5美分到10美元不等。方便易用的開發工具使設計人員能夠準確選擇所需的外設功能，包括放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時器、計數器、PWM、SPI和UART等數字功能。PSoC系列的模擬功能包括軌至軌輸入、可編程增益放大器以及最大14位的ADC,其噪聲極低，輸入損耗及電壓偏移也非常低。PSoC設備包括最大32 KB的閃存、2KB的SRAM、帶有32位累加器的8x8乘法器、電源和睡眠監控電路，以及硬件I2C通信等。

　　基于SoC的設計方法的唯一潛在局限性，是在某些設計方案中其成本可能要高于采用低成本微控制器加外設元件的方案。不過，考慮到這種設計方法帶來的諸多優勢，這一潛在缺點也將變得微不足道。因此，基于SoC的設計方法將是手持式醫療電子設備的設計趨勢。