一种片上系统架构使便携式医疗电子的实现

 

　　便携式医疗设备正在改善提供给数百万患者的医疗水平。血糖仪、心率监测仪、胃造影（GI）、无痛植入及许多其它设备为急慢性病症患者的生活带来福音。便携式自动除颤器可以在紧急情况下拯救患者的生命。运动表能自动记录使用者的心率，自动测量距离，计算步数，并可限度实现增氧运动的效果。未来更多用于医疗的创新产品，将大大提高医疗保健的效率。便携式医疗设备对微控制器的需求给半导体公司带来了挑战。设计通常是在功能特性、规格和空间限制之间进行取舍，但是在便携式医疗领域中很难进行这些取舍。便携式医疗市场的要求往往是相互矛盾的：既要求多功能，又要求小巧；既要求高性能模拟，又要求低功耗；既要求高处理能力，又要求电池寿命长。这些产品需要有模拟数字转换器（ADC）、可调增益、电源管理系统和液晶显示器。

　　一个典型的便携式医疗电子系统包括下面几个部分：模拟前端（用于数据采集）、放大器和滤波器（用于信号调整）、模数转换器和传感器（用于信号采集）、按钮（用于接受用户的反馈）、单片机（执行算法），以及各种各样的接口，如LCD显示器，USB端口等等。传统设计需要把所有需要的部件都放到PCB上。这种方法增加了整个系统的BOM、PCB复杂性和设计周期。使用分立器件也不利于IP保护，因为它可以很容易仿制。

　　便携式医疗设备设计和生产也受食品和药品管理局（FDA）管制。这意味着他们的设计与生产必须遵循过程归档，性能必须严格满足文档要求，必须通过开发测试、量产测试和现场应用。一个国家食品药品监督管理局要求医疗器械中使用的器件在接下来的5年必须能供货。这就刺激开发者减少整体器件数目以便FDA更简单。

图1 血压监护仪传统设计方案

　　图1和2给出了一个典型的血压监护仪（BPM）和一种非接触式的数字温度计使用传统设计的方案架构。

图2 非接触式数字温度计传统设计方案

　　传统方案

　　一个典型的血压监护仪使用压差传感器测量袖口或手臂的压力。这个传感器是作为输出的，只有几十微伏（30μV~50μV），输出压力信号需要使用高增益放大器放大，从而达到良好的共模抑制比（CMRR）。通常增益和共模抑制比需要分别达到约150和100分贝。压力信号的脉冲振动的频率在 0.3Hz~11Hz之间，振幅约为数百微伏。这类振荡可以通过200增益和截止频率在0.3Hz~11Hz的带通滤波器提取出来。速度为50赫兹的10 位ADC是用来把压力传感器和振动信号数字化。两个计时器是用来计算心跳以及实施安全定时器的功能。安全定时器用来调节压力在某一段时间内保持在目标手臂。安全定时器是AAMI标准中安全规则的一部分。一个单片机内核使用各种算法计算其收缩压、舒张压压力值。PWM电机驱动来进行袖带的膨胀和收缩。

　　一个典型的非接触式数字测温计采用传感器（或者说是温差电偶热电偶），由热偶（用来测量热电偶温度）和热敏电阻（用来测量环境温度）组成微型机械嵌入式薄膜。热电偶根据节点间的压差产生直流电压。热电偶的输出保持在几微伏。热电偶信号经过一种低噪声精密放大器进行了放大。由一个热敏电阻和一个外部精密电压调节器构成了电压分压器。这个分压器用来转换热敏电阻电压的变化对温度的变化。热电偶和热敏电阻的电压用于计算热电偶和环境温度。通过传感器厂家给的公式或者预存的查找表得到电压，从而得到温度。环境温度加上热电偶温度得到就是终的温度测量值。

　　当然，在上述的应用中，还需要其他外围电路，例如字段LCD驱动、实时时钟RTC,按钮、EEPROM和USB.

　　单片机外部的器件，比如传感器、模数转换器、LCD驱动/控制器、USB控制器、滤波器，以及放大器都是外围器件。这些器件可以通过通用输入输出端口 GPIO或专门的引脚连接到单片机。外部分离器件越多，设计者必须考虑的局限性和约束就越多，例如器件清单管理，多层PCB的复杂性，实现每个器件的 FDA，增加设计/开发时间，不利于模拟IP保护等等。

　　基于片上系统的方案

　　片上系统（SoC:System-on-a-chip）指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。所谓完整的系统一般包括中央处理器（CPU）、存储器、以及外围电路等。SoC是与其它技术并行发展的，如绝缘硅（SOI），它可以提供增强的时钟频率，从而降低微芯片的功耗。片上系统技术通常应用于小型的，日益复杂的客户电子设备。例如，声音检测设备的片上系统是在单个芯片上为所有用户提供包括音频接收端、模数转换器（ADC）、微处理器、必要的存储器以及输入输出逻辑控制等设备。此外系统芯片还应用于单芯片无线产品，诸如蓝牙设备，支持单芯片WLAN和蜂窝电话解决方案。由于空前绝后的高效集成性能，片上系统是替代集成电路的主要解决方案。SoC 已经成为当前微电子芯片发展的必然趋势。图3和图4的设计描绘了血压监测和非接触式数字温度计使用片上系统结构的实现方案。

图3 使用片上系统的血压监测方案

　　使用基于片上系统的血压监测设备可以简化设计，达到更好的效果。片上系统可以集成设计所需的高增益放大器。振荡脉冲可以通过集成的模拟/数字过滤器来提取。片上系统里面的模数转换器ADC可以用来数字化数据。集成的CPU核可以提供处理能力来处理所需的先进的过程算法。这个器件还可以集成字段LCD驱动（用于显示）、EERPROM（数据日志）、实时时钟（时间标记）、全速USB（作为PC接口）、直接存储器存取DMA（与CPU数据交换）和电容感应按键（可以取代机械按键）。片上系统中的定时器可以用来计算出心率和处理安全功能，集成的脉宽调制器PWM可以用来控制电机。片上系统还可以工作在独特的宽工作电压下并且可以达到较低的功耗，这个特点正是电池驱动设备的理想特性。

 

图4 使用片上系统的非接触式数字温度计方案

　　对于红外测温仪，片上系统也集成了所需的放大器以及模数转换器（检测微伏变化）。片上系统内部的精密参考电压为传感器提供了稳定的、准确的参考。片上系统还集成了其他功能，包括字段LCD驱动、EEPROM、实时时钟RTC、USB接口、电容感应等等。

　　如上所述，片上系统集成了便携式医疗电子应用所需的大部分外围器件。这不仅可以减少外部器件，还可以保护模拟IP,因为他把大部分模拟器件都整合到了芯片里面。并且，更少的器件还意味着可以简化PCB,缩短设计时间，从而更快的投放市场。芯片里面的不同外围器件的电源可以单独设为不同的模式，因此系统电源管理变得更简单、更有效。片上系统芯片还可以动态重构，这也降低了成本和时间，并且有利于重新设计或改变设计。重要的是，使用片上系统结构简化了器件清单，这使FDA更简单。便携式医疗电子设备所有类型--血糖测定仪、血压计、便携式心电图设备等，都可以使用这种方法实现。

　　总体来说，使用片上系统可以使便携式医疗电子设计更简单，可以保护知识产权，可以提供新颖独特的方法来使功能更个性化，可以使FDA更简单。