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可携式医疗感测应用增长
 

【作者: Cameron Smith】2011年10月13日 星期四

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简介

降低医疗支出推动了门诊及家庭保健的需要,能够收集、分析及记录病患血糖水平、心电图(ECG)及脉搏血氧测量值等数据的体戴可携式医疗感测装置的需求变得更高。此类系统的设计人员需要低功耗、可重新配置的装置,提供常见的32位核心,同时整合精密的混合讯号及模拟性能。


注重精密性能及弹性、软件可重配置的传感器接口代表能够藉软件配合宽范围的应用。诸如通用串行总线(USB)及液晶显示器(LCD)驱动器等多种接口确保此方案能够快速地整合至宽范围的高性价比应用,而片外组件数量极少。


挑选处理器

近年来,由于需要具备集成力及整合最新技术和功能,导致所有终端市场的电子产品在重新设计(design re-spin)前的平均寿命大幅缩短。ARM Coretex-M3等核心支持在平台与新迭代现有设计之间,透过直接的软件变更而非从头开始(ground up)的固定设计,进行简单的移植。ARM Cortex-M3这样的32位架构标准核心也能更好符合当前及下世代可携式医疗装置设计日渐增多的运算及连接要求。透过结合这类核心及软件可配置的模拟前端,微控制器的可扩展性及弹性得到了进一步增强。


将功率需求降至最低

过去十年来,在小外形因子条件下结合可移植性与数量日渐增多之功能已经成为医疗市场的趋势。在电池技术没有飞越的情形下,增加功能、减小总体尺寸同时还维持可接受及可行的电池寿命水平,已经滋生不少挑战。


在医疗感测应用的微控制器案例中,多种工作模式能够帮助实现大幅节能及延长电池充电或换电池间隔的时间。工作(active)、待机(standby)及休眠(sleep)模式下消耗的电流电平必须依次降低,血糖仪这样的可携式感测装置每天仅有约5分钟时间处在“导通”状态,一枚钮扣电池可以用很多个月甚至是数年。


整合的综合优势

可携式精密感测医疗装置市场也已经帮助推动在单个组件中整合尽可能多功能的潮流。此类整合的优势包括减少组件总数量、降低印制电路板(PCB)复杂度、降低系统总成本及减小系统尺寸。


先进的混合讯号技术令整合型微控制器设计人员能够在同一块芯片上,以极近的间距可靠地结合模拟与数字功能,例如中央微控制器,还有可能整合像闪存及SRAM(用于储存用户及程序数据)、电源管理电路(用于将能效提升至最高)、传感器接口及模拟前端(模拟/数字及数字/模拟转换)、片上脉波宽度调变(PWM)、弹性频率及I/O(包括各种数据及显示接口)等组件。


整合还提供其它重要优势,如因要布设的组件数量减少而简化封装及提升可靠性等。可靠性是透过整合功能的不同区块之间的互连实现有效的片上硬联机并封装在微控制器的封装内来提高的。在欠缺整合度的装置设计中,外部组件不计其数,PCB走线互连及焊接点会带来潜在的可靠性弱点。


精度、可靠性及准确度

此外,内嵌式电源管理功能也帮助提高可靠性,并提供电池寿命存续期间确定性的、可预测的特性。整合型电荷泵能够在较宽并可能波动的输入电压范围(如从3.6 V到1.8 V)内持续地为前端和提供输入欠压保护的电源监控器供电,均增强了整合型精密混合讯号微控制器的可靠性。


医疗感测应用的准确度至关重要,装置本身必须在其长使用寿命期间可靠工作,确保测量没有失准。为了维持程序代码及记录的病患数据的完整性,可以片上整合错误检测及校正电路,从而监视闪存。这样在检测到双位或更多位的错误时,就能校正单一位(single-bit)错误,并触发告警。


就血糖仪等重要医疗感测应用而言,结合16位模拟至数字转换器(ADC)及32位微控制器,能够提供所要求的总体精度等级。然而,对于设计人员而言,重要的是意识到ADC的有效位数可能会被非线性及噪声问题所折衷。整合型混合讯号微控制器要提供高总体准确度的工作,就进一步预要求准确、工厂校准的电压参考。


加速及简化开发

近年来,提供全面及低成本评估板和开发工具的微控制器制造商数量大幅增加。工程师面临产品要比竞争对手更快推出市场的压力,能够加速及简化在新产品设计中采用复杂组件,组件选择变成重要一环。


采用已获证明的可程序核心及可配置前端构建的精密混合讯号微控制器,其弹性、可扩展性及可移植性优势将能藉可用的开发硬件及软件工具进一步增强。当利用源自像ARM这类供货商的核心时,设计人员能够获得丰富的软件支持,如系统韧体及带源代码的库。设计人员通常还可以获得包括可以下载的USB演示及支持在开发环境外进行程序设计的独立烧写工具(flashloader)等其它资源,使其工作任务更加简单直接,并减少耗用的时间。


结论

要使可携式医疗感测装置设计人员能够实现他们的新设计,需满足多种因素。诸如开发时间及成本等商业压力,再加上准确度、可靠性、尺寸及弹性等技术要求,让设计人员面临棘手挑战。采用标准32位核心并整合可配置模拟前端及外设支持等丰富多样功能的低功率混合讯号微控制器,已经被证明是此终端市场持续发展的一项关键。


<作者任职于安森美半导体转换及控制技术资深应用工程师>


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