便攜式醫(yī)療電子設(shè)備SoC的重要性

典型的便攜式醫(yī)療電子系統(tǒng)，內(nèi)含的部件包括用來(lái)擷取數(shù)據(jù)的模擬前端部件、用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)的放大器與濾波器、模擬對(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)換器、收集使用者回饋的按鈕、用來(lái)演算的微控制器以及用來(lái)連結(jié)液晶屏幕與USB連結(jié)端口的各種接口。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，是把所有需要的部件置于電路板，然而這種方式會(huì)增加整體材料清單、PCB的復(fù)雜度以及設(shè)計(jì)周期。

由于外界可輕易對(duì)解決方案進(jìn)行逆向工程，因此這些模擬部件會(huì)降低模擬 IP 的防護(hù)力。便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，由美國(guó)食品及藥物管理局（FDA）監(jiān)管，這意謂產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造必須準(zhǔn)確依循明文規(guī)定的流程，其效能必須符合嚴(yán)格的紀(jì)錄、開(kāi)發(fā)測(cè)試、產(chǎn)品測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)等規(guī)定。

典型的血壓計(jì)采用一個(gè)壓差傳感器來(lái)量測(cè)手腕或手臂的血壓，這個(gè)傳感器的輸出信號(hào)僅有數(shù)微伏特（30μV～50μV）。輸出的血壓信號(hào)必須用一個(gè)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(hào)的振蕩脈沖頻率，介于 0.1Hz～11Hz 之間，幅度為數(shù)百微伏特。這些信號(hào)振蕩可運(yùn)用帶通濾波器來(lái)擷取出來(lái)，濾波器的增益約為 200，截止頻率為 0.3Hz～11Hz。一個(gè)速度達(dá) 50Hz 的 10 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可用來(lái)對(duì)血壓傳感器與振蕩器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

典型的免接觸數(shù)字溫度計(jì)使用一個(gè)內(nèi)含嵌入在薄膜上微機(jī)器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來(lái)量測(cè)熱電隅的溫度，并利用熱敏電阻來(lái)量測(cè)環(huán)境溫度。熱電隅會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關(guān)系，熱電隅的輸出信號(hào)僅有數(shù) V。熱電隅輸出的信號(hào)會(huì)透過(guò)這些低噪聲精準(zhǔn)放大器來(lái)加以放大，運(yùn)用熱敏電阻與外部精準(zhǔn)參考電壓，做出一個(gè)分壓器。

分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數(shù)值，轉(zhuǎn)換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來(lái)計(jì)算熱電隅與周?chē)鷾囟?。系統(tǒng)會(huì)運(yùn)用傳感器制造商提供的多項(xiàng)式函數(shù)，或根據(jù)有預(yù)存讀數(shù)的查表，從電壓推算出溫度，周?chē)鷾囟燃尤氲綗犭娪鐪囟?，就能算出最終溫度。

Segment LCD 驅(qū)動(dòng)器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM 以及 USB，是上述應(yīng)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(qū)動(dòng)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(guò) GPIO 或?qū)籴樐_連結(jié)至微控制器。使用這些外圍部件會(huì)遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的復(fù)雜性、FDA 要求檢驗(yàn)每個(gè)部件因而增加設(shè)計(jì) / 開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低模擬 IP 的防護(hù)力。

在血壓計(jì)中運(yùn)用系統(tǒng)單芯片（SoC）能大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，一個(gè) SoC 整合了產(chǎn)品需要的高增益儀表放大器。運(yùn)用整合式模擬 / 數(shù)字濾波器，就能擷取出振蕩脈沖信號(hào)。SoC 內(nèi)的可調(diào)式 ADC 可用來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)數(shù)字化，內(nèi)建的 CPU 核心提供必要的處理功能，能執(zhí)行程序代碼更長(zhǎng)的算法。這種部件還整合了分段式 LCD 數(shù)字屏幕來(lái)顯示訊息； 紀(jì)錄數(shù)據(jù)的 EERPROM 內(nèi)存；紀(jì)錄時(shí)戳的實(shí)時(shí)頻率； 連結(jié) PC 接口的全速 USB；從 CPU 取得數(shù)據(jù)的 DMA，以及取代按鈕的觸控部件。SoC 內(nèi)的定時(shí)器能用來(lái)計(jì)算心跳速度，以及處理安全功能。SoC 亦支持大范圍的運(yùn)作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC 內(nèi)的脈沖調(diào)變器可用來(lái)控制馬達(dá)。

SoC 整合必要的放大器與 ADC，在紅外線溫度計(jì)內(nèi)用來(lái)偵測(cè)微伏特等級(jí)的變化。SoC 內(nèi)部有精準(zhǔn)的參考電壓，能為傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定且精準(zhǔn)的參考訊源。SoC 內(nèi)建的其它功能包括 Segment LCD 數(shù)字屏幕驅(qū)動(dòng)器、EEPROM 內(nèi)存、RTC、USB 接口、以及觸控感測(cè)等。

如上所述，SoC 整合了大多數(shù)的外圍部件。如此業(yè)者可立即省掉為數(shù)可觀的部件。使用這種芯片還能保護(hù)模擬 IP，因?yàn)樗心M部件都已整合在芯片內(nèi)。較少的部件數(shù)量，意謂 PCB 更加簡(jiǎn)化、開(kāi)發(fā)時(shí)間與上市時(shí)程亦更為縮短。芯片內(nèi)各種外圍部件的功耗，可透過(guò)不同模式來(lái)單獨(dú)管理，電源管理的工作變得簡(jiǎn)單且有效率。這些芯片的可調(diào)整彈性，在重新設(shè)計(jì)或變換解決方案時(shí)，能協(xié)助降低成本與作業(yè)時(shí)間。更重要的是運(yùn)用系統(tǒng)單芯片，由于減少使用材料，因此讓 FDA 檢驗(yàn)的程序更為簡(jiǎn)單。血糖計(jì)、脈動(dòng)測(cè)氧器、便攜式 ECG 心電圖裝置等，這些便攜式醫(yī)療電子設(shè)備都可采用 SoC。

舉例來(lái)說(shuō)，Cypress 的 PSoC 3/5 產(chǎn)品（可編程系統(tǒng)單芯片）是針對(duì)各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計(jì)、血糖計(jì)、以及脈動(dòng)測(cè)氧器等。PSoC3/5 結(jié)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(gòu)出真正單芯片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對(duì)每項(xiàng)功能提供預(yù)先編程的可調(diào)式 IP 模塊，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供所有必要的工具，開(kāi)發(fā)出微型化、高度可編程的最終產(chǎn)品，并達(dá)到極短的設(shè)計(jì)周期。PSoC 3/5 部件的低功耗特性，更適合支持掌上型醫(yī)療 / 生活休閑等電子產(chǎn)品。