SoC微处理器推动便携式医疗设备创新发展
时间：2011-12-20 12:39:46
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[导读] 便携式医疗设备正不断改进数以百万计患者的医疗保健条件。诸如血糖监测仪、心率检测仪、可吞咽胃肠 (GI) 道检测仪以及止痛植入物等众多设备都在不断提升慢性或急性疾病患者的生活质量。便携式自动除颤器可以挽救急病
便携式医疗设备正不断改进数以百万计患者的医疗保健条件。诸如血糖监测仪、心率检测仪、可吞咽胃肠 (GI) 道检测仪以及止痛植入物等众多设备都在不断提升慢性或急性疾病患者的生活质量。便携式自动除颤器可以挽救急病患者的生命。运动手表不仅能够无线记录用户的心率、测量距离、进行脚步计数，而且还可实现能最大限度发挥有氧训练优势的其它功能。未来几年中，还将继续推出众多能显著改善医疗实施及其效果的创新型医疗应用产品。
实际上，所有这些便携式产品都需要采用低功耗微处理器 (MCU) 来接收用户或操作员的指令，并提供读数与状态更新。由于几乎所有此类产品都依靠电池运行，因而不断延长电池使用寿命成为需要重点考虑的事项。尽管这些产品在电池使用寿命需求方面各有不同，不过一般电池更换间隔在 2~10 年之间。另外，这些受空间限制的产品通常需要采用高度集成的模拟组件，以便将信号调节和转换至能够对其进行处理和译码的数字域。
满足便携式医疗领域的微处理器需求给半导体企业带来了挑战。虽然工程设计无外乎是在相对立的功能、规范以及空间限制条件之间进行取舍，但是这种平衡取舍在便携式医疗领域往往非常棘手。医疗市场的相关需求往往很难协调，如小尺寸与高功能性、低功耗与高性能模拟，以及超长电池使用寿命与高处理能力等。这些产品需要模数转换器 (ADC)、可调节增益、电源管理以及液晶显示屏 (LCD) 等。
本文将探讨的主题包括：医疗市场的部分创新产品；医疗设备行业的一般趋势，以及；如何采用 SoC 微处理器改进未来的设备。
创新
推出超低功耗的高集成度 MCU 催生了能缓解患者病痛、改进其护理并提高生活质量的产品。圣犹达医疗用品公司 (St. Jude Medical company) 旗下 Advanced Neuromodulation Systems 公司推出的 Eon 脊髓刺激器就是用于治疗慢性疼痛的可植入装置的示例之一（图 1）。植入的系统 (implantable device) 可以向脊髓附近的导体发送微弱的电脉冲，其可屏蔽或阻断从神经系统发送到大脑的痛感，用一种称为感觉异常的更舒适感觉替代疼痛感觉。
图 1 影像由圣犹达医疗用品公司供。Eon 脊髓刺激系统已获准用于治疗躯干与四肢慢性疼痛以及腰椎手术失败综合征。植入臀部的系统可以向脊髓附近的导体发送微弱的电脉冲。这些脉冲可以阻断发送到大脑的疼痛信号。
SmartPill 是最近推出的另一款有趣的产品（见图 2），它精巧的设计使患者能够吞入体内，进行胃肠道状况的监测。在穿越胃肠道的过程中，它能够以无线方式向便携式数据采集设备发送数据。以前从胃肠道采集数据的方法对患者造成的创伤较大，而且／或者相当不便利。这种设备必须同时满足超小外形与超长电池使用寿命两方面的要求。
图 2
从 SmartPill 系统可以看出，RFID、ZigBee 和 802.15.4 等低功耗无线协议及其它专有协议已经大幅提升了医疗领域的创新水平。除了以患者为中心的产品之外，多家公司最近还宣布推出了基于无线协议的资产跟踪系统，旨在追踪医院设备与工作人员。
集成
便携式医疗设备可显著受益于现代 SoC 与板上 MCU 的高集成度。如果不能在狭小的空间内为提供更多功能而进行高度的模拟集成，诸如此类的微小型产品就只能是纸上谈兵。
图 3 显示的是可以用作血糖监测仪或脉博血氧测定仪等便携式医疗产品 SoC 的现代微处理器方框图。这种集成型微处理器是驱动上述设备的唯一 IC。这类通常用于医疗应用的微处理器可包含以下功能：
图 3
* 高性能 ADC，通常不低于 12 位
* 用于自动增益控制等信号调节的运算放大器
* 数模转换器 (DAC)，有时用于反馈
* 基于段的 LCD 驱动器
* 用于 ADC 的高性能参考电压
* 集成闪存与 RAM 存储器
* 电源管理与监控器，这类产品通常可以直接采用一颗纽扣锂电池或两节碱性电池运行。
高集成度优势众多，其中包括可缩减 PCB 面积、降低制造成本、简化采购流程并最大限度降低功耗。只要对闪存进行电路内编程，则集成的闪存与 RAM 不但可以用作程序与数据存储器，而且还可以用作数据记录存储器。
MSP430FG4270 MCU 就是一款可实现成本优势的高度集成器件的很好例证，其集成了 ADC、DAC、可编程增益运算放大器、高精度电压基准以及 LCD 驱动器。采用独立芯片实现这种芯片的高级模拟性能不但会使物料清单 (BOM) 成本大约增加 1 美元，更不必提额外提高的采购、物流与制造成本。这些附加费用在设计阶段很容易被忽视，但往往会造成大量问题，尤其是在一种或多种组件存货不足而导致停产的情况下就会不堪重负。
此外，能够选择存储器的大小也会给设计人员带来巨大优势。由于存储器大小与裸片大小之间存在大致上的线性关系，因此 MCU 的成本与存储器的大小成正比。如果对编程存储器的初步估计较低，则根据编程需求选择存储器大小不但可以优化 BOM 成本，而且还可降低风险。此外，仅使用固件和 BOM 选项即可借助这种能力让不同等级的最终产品具备不同数量的功能。
低功耗
设备电池的更换周期越长，最终用户的满意度或者患者的舒适度就越高。另外，大多数便携式医疗设备中的 MCU 大多数时间都处于待机（睡眠）模式。也就是说，实现超低待机电流的能力是设备电池使用寿命的主要因素。
对于频繁转换待机模式的产品（如数据记录仪），另一个关键参数是从待机模式到唤醒所需的时间。MCU退出待机模式时耗费的能量往往会与其进行全负载处理时需要的能量相当。由于 MCU 在唤醒阶段不执行有用的处理，也即用于退出待机模式的能量实际上是浪费掉了，因而必须缩短短唤醒时间。此外，现代的 MCU 也需要快速唤醒以响应触发事件。例如，TI 的部分 MSP430 MCU 可以在稳定时钟不到 1 微秒的时间内进入完全运行模式，从而实现近乎实时的待机退出运行。
由于 MCU 激活的每个周期都会消耗能量，因此尽可能缩短处理时间就成为延长电池使用寿命的关键。低功耗 MCU 包含许多有助于最大限度缩短处理时间的功能。例如，在执行数据分析之前的一定时期内产品需要从 ADC 采集数据。如果 MCU 在数据采集期间处于激活状态，则处理器势必会浪费不必要的能量。通过让 ADC 采集数据并将其保存到存储器中，某些 MCU 能够采用直接存储器存取功能来尽可能缩短所必须激活处理器的时间。一旦采集到所需样本数，处理器就会退出待机模式，随即分析数据并输出相关结果。
如前所述，能最大限度地降低功耗是高集成度的另一大优势。MCU可以更加简单精确地控制运算放大器、DAC 或 ADC 等外设的启动和关闭，而且可以在不需要的时候自动关闭这些外设。运算功耗是另一个关键参数。尽管 MCU 激活状态的运行时间相对较短，但如果运算功耗较高，为了检查电池电压电平等各种状态而从待机模式将其唤醒会很快耗尽电池电量。此外，由于某些产品采用 ZigBee、802.15.4 等无线协议或 TI 的 SimpliciTI 等专有无线协议，这类系统可能需要更频繁的唤醒来保持无线网络。有趣的是，即使医疗设备在日常测量时仅启动很短一段时间——仅使用低于 1.1µA 的 MCU 待机电流，但是低激活功耗对保持低平均电流消耗往往也显得至关重要。
封装
要满足便携式医疗产品对外形尺寸的要求通常意味着需要采用球栅阵列 (BGA) 封装或芯片级封装 (CSP)。实现更小尺寸的代价是这类封装将比传统的引线封装更加难以制造。另外，设计和调试过程中可能需要借助 X 光检测才能确保焊盘焊接完好，而且 CSP 或 BGA 的再加工难度也比引线封装的更高。
虽然尺寸较大的四方扁平封裝或塑封小外形封装能够让设计人员轻松探测与监控引脚的信号，但是由于设计人员能够采用概念验证阶段开发出的代码与原理图，原型化阶段能够直接采用尺寸更小的封装将可以节省大量时间。
SoC 推进实现突破性创新
医疗行业正处于一个令人振奋的发展时期，医疗市场的创新技术也正在不断提升全世界患者的生活品质。终有一天，我们每个人都将会从当前的创新与医疗进步中受益匪浅。健康与医疗设计人员、制造商和创新者正在不断发挥当今微处理器在低功耗、高处理能力和高性能模拟集成方面所具有的巨大优势。如果市场产品对尺寸、电池使用寿命或精度的设计要求太过苛刻，那么工程师应当能从微处理器 SoC 所提供的功能中找到满意的答案。
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