用于互聯(lián)醫(yī)療設(shè)備的無線 SoC

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

過去幾十年以來，數(shù)字技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。新冠疫情加速了這一演變。由于疫情原因，人們必須使用遠程醫(yī)療服務(wù)，這也帶來了其他一些好處，例如更高效的醫(yī)療服務(wù)和持續(xù)的患者監(jiān)護。技術(shù)進步催生了醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) (IoMT)，通過互聯(lián)網(wǎng)將佩戴便攜式和/或可穿戴式醫(yī)療設(shè)備和傳感器的患者及相應(yīng)的醫(yī)療系統(tǒng)和醫(yī)療機構(gòu)連接在一起構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。例如，連續(xù)血糖監(jiān)測儀和心臟監(jiān)護儀已被廣泛接受。IoMT 設(shè)備有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸自動化，從而減少人為錯誤。隨著預(yù)測性數(shù)據(jù)分析和人工智能 (AI) 技術(shù)的進步，IoMT 設(shè)備的功能變得愈加強大，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷，能夠及早發(fā)現(xiàn)異常，提高患者自我參與度，并降低醫(yī)療成本。

IoMT 設(shè)備的關(guān)鍵要求

• ** 安全性 ：** 由于傳輸?shù)尼t(yī)療信息性質(zhì)敏感，設(shè)備必須具備高度的安全性。高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 和橢圓曲線密碼 (ECC) 可以使用安全密鑰對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和解密，從而驗證數(shù)據(jù)。設(shè)備中基于真隨機數(shù)發(fā)生器 (TRNG) 的密鑰有助于安全生成這些密鑰。利用半導(dǎo)體設(shè)備內(nèi)獨特的物理不可克隆函數(shù) (PUF) 對設(shè)備進行身份識別，可以最大限度地減少欺騙攻擊。安全啟動硬件協(xié)議，以及防止訪問設(shè)備內(nèi)存受保護區(qū)域的防篡改機制，都有助于提高設(shè)備的安全性。
• ** 耗電量 ：** 可穿戴設(shè)備和便攜式設(shè)備通常使用電池供電。低功耗通信協(xié)議（例如低功耗藍牙 5.x）、設(shè)備不工作時的省電模式，以及優(yōu)化運行性能與功耗的高效架構(gòu)是可以最大限度延長電池續(xù)航時間的一些基本特性。
• ** 體積小巧，功能豐富 ：** 小巧輕便的設(shè)備適用于可穿戴和便攜式醫(yī)療應(yīng)用。智能種植牙等新應(yīng)用要求極小的外形尺寸。片上系統(tǒng) (SoC) 概念實現(xiàn)了多種功能在單個芯片上的高度集成。這些功能可能包括提供高速模擬和數(shù)字感應(yīng)、測量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、通信的外設(shè)功能集。其他基本要求包括：無線連接、高速數(shù)據(jù)處理、大容量閃存和 RAM 內(nèi)存、精密低頻/低功耗時鐘和定時器、DC/DC 電壓調(diào)節(jié)等。

Silicon Labs 面向 IoMT 應(yīng)用的 EFRBG27 Wireless Gecko SoC 系列

2023 年 3 月，[Silicon Labs]宣布推出一個安全節(jié)能的新器件產(chǎn)品系列，從而擴展了該公司的 Wireless Gecko 產(chǎn)品組合。其中包括非常適合 IoMT 應(yīng)用的 BG27 系列低功耗藍牙 SoC 器件。

圖 1 的框圖顯示了 BG27 SoC 中包含的豐富功能集。下面列出了一些主要功能的詳細信息：

圖 1：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的功能集。（圖片來源：Silicon Labs）

• 處理器和內(nèi)存 ：* 76.8 MHz、32 位的 ARM Cortex? M33 RISC 內(nèi)核帶有 DSP 指令和浮點運算單元，提供 1.50 Dhrystone MIPS/MHz 的高性能信號處理能力。其采用了 ARM TrustZone 安全技術(shù)。閃存容量為 768 kB，數(shù)據(jù)內(nèi)存為 64 kB RAM。鏈接直接內(nèi)存訪問控制器 (LDMA) 允許系統(tǒng)獨立于軟件執(zhí)行內(nèi)存操作，從而降低能耗和軟件工作負載。
• 低功耗模式 ：* EFR32BG27 包含一個能量管理單元 (EMU)，用于管理 SoC 能量模式（EM0 至 EM4）的轉(zhuǎn)換。有了 EMU，應(yīng)用程序能夠在程序執(zhí)行過程中動態(tài)降低能耗至最低。EM0 模式提供最多功能，例如支持最高時鐘頻率下運行的 CPU、無線電和外設(shè)。而在 EM2、EM3 低功耗活動模式下，外設(shè)可以禁用。在能量模式之間轉(zhuǎn)換時，EMU 采用電壓調(diào)節(jié)，盡可能在較低電壓下運行，從而優(yōu)化能效。EM4 是一種非活動的最低功耗狀態(tài)，允許系統(tǒng)喚醒進入 EM0 模式。

** DC/DC 轉(zhuǎn)換 ：** EFR32BG27 系列包括降壓和升壓模式的片上轉(zhuǎn)換器，可提供所需的內(nèi)部 1.8 V 電壓。升壓模式器件（例如 [EFR32BG27C230F768IM32-B]）可在低至 0.8 V 的電壓下工作，允許使用單節(jié)堿性電池、氧化銀電池和其他低壓電池供電。升壓轉(zhuǎn)換器可使用專用 BOOST_EN 引腳關(guān)閉，從而在存儲和運輸過程中節(jié)省系統(tǒng)電池電量。在該模式下，最大電流消耗僅為 20/50nA，具體取決于某些引腳的供電。在 [EFR32BG27C140F768IM40-B]等降壓模式器件中，可以使用外部電源提供最高 3.8 V 的電壓。當(dāng)電源電壓足夠低時，片上電源監(jiān)測器會發(fā)出信號，允許穩(wěn)壓器旁路，并將電壓范圍擴展至 1.8 V。旁路模式還允許系統(tǒng)進入 EM4 節(jié)能模式。DC/DC 轉(zhuǎn)換器中集成了庫侖計模塊。其中包括兩個 32 位計數(shù)器，用于測量 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供的充電脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)精確的電池電量跟蹤，提高用戶安全性。

** 藍牙 5.x 網(wǎng)絡(luò) ：** 該 SoC 系列支持低功耗藍牙 (LE) 無線協(xié)議。無線電接收器采用低中頻架構(gòu)，包含低噪聲放大器和 I/Q 下變頻器。自動增益控制 (AGC) 模塊可調(diào)節(jié)接收器增益，以避免飽和，從而提高選擇性和阻塞性能。2.4 GHz 無線電模塊在生產(chǎn)時經(jīng)過校準(zhǔn)，以改進鏡頻抑制性能。該系列提供從 4 dBm 到 8 dBm 的一系列發(fā)射功率。射頻噪聲抑制功能包括 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在啟動時以軟開關(guān)模式運行，以及從穩(wěn)壓到旁路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換，旨在限制最大電源壓擺率并抑制浪涌電流。RFSENSE 模塊允許器件保持在 EM2、EM3 或 EM4 節(jié)能模式，并在檢測到射頻能量高于指定閾值時喚醒。

** 安全性 ：** EFR32BG27 系列的 SoC 包含一系列安全功能，如圖 2 所示。

| | 功能 | SECURE VAULT MID |
| ---------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
| 真隨機數(shù)發(fā)生器 (TRNG) | 有 |
| 使用信任根和安全加載程序 (RTSL) 進行安全啟動 | 有 |
| 鎖定/解鎖功能，可安全調(diào)試 | 有 |
| DPA 對策 | 有 |
| 防篡改 | 外部篡改 (ETAMPDET) |
| 安全認證 | 使用 TrustZone |
| 密鑰管理 | 使用 TrustZone |
| Semmetric 加密 | * AES 128 位/192 位/256 位* ECB、CTR、CBC、CFB、CCM、GCM、CBC-MAC 和 GMAC |
| 公鑰加密 - ECDSA/ECDH/EdDSA | * p192 和 p256 |
| 密鑰派生 | * ECJ-PAKE p192 和 p256 |
| 哈希值 | * SHA-1* SHA-2/256 |

圖 2：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的安全功能。（圖片來源：Silicon Labs）

使用信任根和安全加載程序 (RTSL) 的安全啟動將從不可變只讀存儲器 (ROM) 開始對可信固件進行驗證。加密加速器支持 AES 和 ECC 加密和解密。它還包括差分功率分析 (DPA) 對策，用于保護密鑰。TRNG 從熱源收集熵，并包括 NIST SP800-90B 和 AIS-31 標(biāo)準(zhǔn)要求的熱源啟動健康測試，以及 NIST SP800-90C 要求的在線健康測試。調(diào)試接口在部件投入現(xiàn)場使用時被鎖定，具有安全解鎖功能，允許基于公鑰加密的經(jīng)身份驗證訪問。在硬件方面，外部篡改檢測 (ETAMPDET) 模塊可檢測外部篡改，例如未經(jīng)授權(quán)打開外殼。該模塊可以生成中斷，向軟件發(fā)出警告，并允許采取系統(tǒng)級措施。

• 豐富的外設(shè)集 ：* 該 SoC 包括結(jié)合采用 SAR 和 Delta-Sigma 技術(shù)的混合模數(shù)轉(zhuǎn)換器。12 位模式的運行速度最高可達 1 Msps，而 16 位轉(zhuǎn)換器的運行速度最高可達 76.9 ksps。模擬比較器模塊可使用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)，也可用于感測電源電壓。支持 SPI、USART 和 I2C 串行通信模式。實時時鐘和捕捉 (RTCC) 模塊提供 32 位計時功能，低至 EM3 能量模式，并可使用內(nèi)部低頻振蕩器進行時鐘定時。低能耗定時器 (LETIMER) 提供 24 位分辨率，可在設(shè)備大部分斷電時，用于定時和輸出生成，從而以最低的功耗執(zhí)行簡單的任務(wù)。外設(shè)反射系統(tǒng) (PRS) 是一種信號路由網(wǎng)絡(luò)，允許外設(shè)模塊之間的直接通信，而無需 CPU 參與。這樣可以減少軟件開銷和電流消耗。

** 小基底面的封裝 ：** [EFR32BG27C320F768GJ39-B]就是 EFR32BG27 系列的器件之一。該器件采用晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP)，尺寸僅為 2.6 mm x 2.3 mm，可在降壓或升壓穩(wěn)壓器模式下運行。該系列的其他產(chǎn)品采用 QFN32 4 mm x 4 mm 封裝或 QFN40 5 mm x 5 mm 封裝，在特定降壓或升壓穩(wěn)壓器模式下運行。

總結(jié)

EFR32BG27 提供業(yè)界領(lǐng)先的高能效處理能力和低能耗藍牙連接。這些外形小巧的 SoC 包括各種安全功能，非常適合 IoMT 應(yīng)用。