《电子技术应用》
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便携式医疗电子设备中系统单芯片的应用

2020-01-30
来源:电子发烧友
关键词: 芯片 医疗电子

  便携式医疗电子在近几年出现可观的成长,获业界广泛的采纳,市场许多新设立的企业持续推出新的衍生产品。目前需要的是更好的可量产设计,提供较低的复杂度与可接受的效能水平,让业者能压低装置的成本。在设计医疗装置时,业者要考虑的一些重要因素,包括选择正确的部件来因应规格、功耗、成本、尺吋等方面的要求,以及通过美国食品及药物管理局(FDA)的检验。

  典型的便携式医疗电子系统,内含的部件包括用来撷取数据的模拟前端部件、用来调节信号的放大器与滤波器、模拟对数字转换器、收集使用者回馈的按钮、用来演算的微控制器以及用来连结液晶屏幕与USB连结端口的各种接口。传统的设计方法,是把所有需要的部件置于电路板,然而这种方式会增加整体材料清单、PCB的复杂度以及设计周期。

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  由于外界可轻易对解决方案进行逆向工程,因此这些模拟部件会降低模拟IP的防护力。便携式医疗电子产品的设计与制造,由美国食品及药物管理局(FDA)监管,这意谓产品的设计与制造必须准确依循明文规定的流程,其效能必须符合严格的纪录、开发测试、产品测试以及现场维护等规定。

  典型的血压计采用一个压差传感器来量测手腕或手臂的血压,这个传感器的输出信号仅有数微伏特(30μV~50μV)。输出的血压信号必须用一个有理想CMRR(共模拒斥比)的高增益仪表放大器加以放大。通常理想的增益与CMRR分别为150dB 与100 dB。血压信号的振荡脉冲频率,介于0。1Hz~11Hz之间,幅度为数百微伏特。这些信号振荡可运用带通滤波器来撷取出来,滤波器的增益约为200,截止频率为0。3Hz~11Hz。一个速度达50Hz的10位模拟数字转换器,可用来对血压传感器与振荡器的信号进行数字化。

  典型的免接触数字温度计使用一个内含嵌入在薄膜上微机器的温差热电堆的传感器,搭配热电隅来量测热电隅的温度,并利用热敏电阻来量测环境温度。热电隅会产生一个直流电压,它的值与接头的温差有直接关系,热电隅的输出信号仅有数V。热电隅输出的信号会透过这些低噪声精准放大器来加以放大,运用热敏电阻与外部精准参考电压,做出一个分压器。

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  分压器把热敏电阻的电阻变化,参照温度数值,转换成电压的变化。热电隅与热敏电阻的电压,用来计算热电隅与周围温度。系统会运用传感器制造商提供的多项式函数,或根据有预存读数的查表,从电压推算出温度,周围温度加入到热电隅温度,就能算出最终温度。

  Segment LCD 驱动器、RTC、按压式按钮、EEPROM以及USB,是上述应用所需的其它外围部件。

  微控制器以外,包括传感器、ADC、液晶屏幕驱动器/控制器、USB控制器、滤波器、放大器等,都属于外围部件。这些部件透过GPIO或专属针脚连结至微控制器。使用这些外围部件会遭遇到许多限制与约束,包括材料清单、印刷电路板的复杂性、FDA要求检验每个部件因而增加设计/开发时间、降低模拟IP的防护力。

  在血压计中运用系统单芯片(SoC)能大幅简化设计流程,一个SoC整合了产品需要的高增益仪表放大器。运用整合式模拟/数字滤波器,就能撷取出振荡脉冲信号。SoC内的可调式ADC可用来执行数据数字化,内建的CPU核心提供必要的处理功能,能执行程序代码更长的算法。这种部件还整合了分段式LCD数字屏幕来显示讯息; 纪录数据的EERPROM内存;纪录时戳的实时频率; 连结PC接口的全速USB;从CPU取得数据的DMA,以及取代按钮的触控部件。SoC内的定时器能用来计算心跳速度,以及处理安全功能。SoC亦支持大范围的运作电压,且消耗较少电流,因此更适合使用电池的装置。SoC内的脉冲调变器可用来控制马达。

  SoC整合必要的放大器与ADC,在红外线温度计内用来侦测微伏特等级的变化。SoC内部有精准的参考电压,能为传感器提供一个稳定且精准的参考讯源。SoC内建的其它功能包括Segment LCD 数字屏幕驱动器、EEPROM内存、RTC、USB 接口、以及触控感测等。

  如上所述,SoC整合了大多数的外围部件。如此业者可立即省掉为数可观的部件。使用这种芯片还能保护模拟IP,因为所有模拟部件都已整合在芯片内。较少的部件数量,意谓PCB更加简化、开发时间与上市时程亦更为缩短。芯片内各种外围部件的功耗,可透过不同模式来单独管理,电源管理的工作变得简单且有效率。这些芯片的可调整弹性,在重新设计或变换解决方案时,能协助降低成本与作业时间。更重要的是运用系统单芯片,由于减少使用材料,因此让FDA检验的程序更为简单。血糖计、脉动测氧器、便携式ECG心电图装置等,这些便携式医疗电子设备都可采用SoC。

  举例来说,Cypress的PSoC 3/5产品(可编程系统单芯片)是针对各种可携掌上型装置量身打造,例如血压计、血糖计、以及脉动测氧器等。PSoC3/5 结合 8051/ARM cortex M3核心,速度分别为33MIPS与100 DMIPS,还有放大器、2KB 的EEPROM、全速式USB 2。0、以及许多其它功能,因此建构出真正单芯片的解决方案。再搭配 PSoC Creator IDE,针对每项功能提供预先编程的可调式IP模块,为产品设计师提供所有必要的工具,开发出微型化、高度可编程的最终产品,并达到极短的设计周期。PSoC 3/5部件的低功耗特性,更适合支持掌上型医疗/生活休闲等电子产品。


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