便攜式醫療電子設備SoC的重要性

典型的便攜式醫療電子系統，內含的部件包括用來擷取數據的模擬前端部件、用來調節信號的放大器與濾波器、模擬對數字轉換器、收集使用者回饋的按鈕、用來演算的微控制器以及用來連結液晶屏幕與USB連結端口的各種接口。傳統的設計方法，是把所有需要的部件置于電路板，然而這種方式會增加整體材料清單、PCB的復雜度以及設計周期。

由于外界可輕易對解決方案進行逆向工程，因此這些模擬部件會降低模擬 IP 的防護力。便攜式醫療電子產品的設計與制造，由美國食品及藥物管理局（FDA）監管，這意謂產品的設計與制造必須準確依循明文規定的流程，其效能必須符合嚴格的紀錄、開發測試、產品測試以及現場維護等規定。

典型的血壓計采用一個壓差傳感器來量測手腕或手臂的血壓，這個傳感器的輸出信號僅有數微伏特（30μV～50μV）。輸出的血壓信號必須用一個有理想 CMRR（共模拒斥比）的高增益儀表放大器加以放大。通常理想的增益與 CMRR 分別為 150dB 與 100 dB。血壓信號的振蕩脈沖頻率，介于 0.1Hz～11Hz 之間，幅度為數百微伏特。這些信號振蕩可運用帶通濾波器來擷取出來，濾波器的增益約為 200，截止頻率為 0.3Hz～11Hz。一個速度達 50Hz 的 10 位模擬數字轉換器，可用來對血壓傳感器與振蕩器的信號進行數字化。

典型的免接觸數字溫度計使用一個內含嵌入在薄膜上微機器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來量測熱電隅的溫度，并利用熱敏電阻來量測環境溫度。熱電隅會產生一個直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關系，熱電隅的輸出信號僅有數 V。熱電隅輸出的信號會透過這些低噪聲精準放大器來加以放大，運用熱敏電阻與外部精準參考電壓，做出一個分壓器。

分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數值，轉換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來計算熱電隅與周圍溫度。系統會運用傳感器制造商提供的多項式函數，或根據有預存讀數的查表，從電壓推算出溫度，周圍溫度加入到熱電隅溫度，就能算出最終溫度。

Segment LCD 驅動器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM 以及 USB，是上述應用所需的其它外圍部件。

微控制器以外，包括傳感器、ADC、液晶屏幕驅動器 / 控制器、USB 控制器、濾波器、放大器等，都屬于外圍部件。這些部件透過 GPIO 或專屬針腳連結至微控制器。使用這些外圍部件會遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的復雜性、FDA 要求檢驗每個部件因而增加設計 / 開發時間、降低模擬 IP 的防護力。

在血壓計中運用系統單芯片（SoC）能大幅簡化設計流程，一個 SoC 整合了產品需要的高增益儀表放大器。運用整合式模擬 / 數字濾波器，就能擷取出振蕩脈沖信號。SoC 內的可調式 ADC 可用來執行數據數字化，內建的 CPU 核心提供必要的處理功能，能執行程序代碼更長的算法。這種部件還整合了分段式 LCD 數字屏幕來顯示訊息； 紀錄數據的 EERPROM 內存；紀錄時戳的實時頻率； 連結 PC 接口的全速 USB；從 CPU 取得數據的 DMA，以及取代按鈕的觸控部件。SoC 內的定時器能用來計算心跳速度，以及處理安全功能。SoC 亦支持大范圍的運作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC 內的脈沖調變器可用來控制馬達。

SoC 整合必要的放大器與 ADC，在紅外線溫度計內用來偵測微伏特等級的變化。SoC 內部有精準的參考電壓，能為傳感器提供一個穩定且精準的參考訊源。SoC 內建的其它功能包括 Segment LCD 數字屏幕驅動器、EEPROM 內存、RTC、USB 接口、以及觸控感測等。

如上所述，SoC 整合了大多數的外圍部件。如此業者可立即省掉為數可觀的部件。使用這種芯片還能保護模擬 IP，因為所有模擬部件都已整合在芯片內。較少的部件數量，意謂 PCB 更加簡化、開發時間與上市時程亦更為縮短。芯片內各種外圍部件的功耗，可透過不同模式來單獨管理，電源管理的工作變得簡單且有效率。這些芯片的可調整彈性，在重新設計或變換解決方案時，能協助降低成本與作業時間。更重要的是運用系統單芯片，由于減少使用材料，因此讓 FDA 檢驗的程序更為簡單。血糖計、脈動測氧器、便攜式 ECG 心電圖裝置等，這些便攜式醫療電子設備都可采用 SoC。

舉例來說，Cypress 的 PSoC 3/5 產品（可編程系統單芯片）是針對各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計、血糖計、以及脈動測氧器等。PSoC3/5 結合 8051/ARM cortex M3 核心，速度分別為 33MIPS 與 100 DMIPS，還有放大器、2KB 的 EEPROM、全速式 USB 2.0、以及許多其它功能，因此建構出真正單芯片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對每項功能提供預先編程的可調式 IP 模塊，為產品設計師提供所有必要的工具，開發出微型化、高度可編程的最終產品，并達到極短的設計周期。PSoC 3/5 部件的低功耗特性，更適合支持掌上型醫療 / 生活休閑等電子產品。