解析手持式医疗电子设备的设计

　　随着医疗电子设备产业的快速发展，用于个人保健的移动手持式医疗电子设备也同样在快速发展。不管是手持式除颤仪还是动态血糖监视仪，设计这类产品都不是一件容易的事。除颤仪心脏直流电复律是用电能来治疗快速异位心律失常，使之转复为窦性心律的一种有效方法。分同步电复律与非同步两种：同步电复律是指除颤器由R波的电信号激发放电，非同步电复律是指除颤器在心动周期的任何时间都可放电选择适当的元件满足设计规范要求、尽可能降低成本、确保设计方案的功率、特别关注产品的实际大小等等，都是在产品设计过程中必须考虑的问题。比如，其中一项规定是要求用于医疗电子设备的元件必须五年内不停产。由于这些限制，医疗电子设备的设计人员还必须关注如何缩短设计周期、减少元件数量、降低产品成本。

　　当前的设计方法

　　图1和图2是目前市场上流行的两款手持式医疗电子设备的结构框图。图1是血糖监视仪的结构框图，图2是血压监视仪的结构框图，图3是它们的电源管理单元。

　　图1:血糖监视仪的结构框图。

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　　这两种设备在基本电路构造上非常相似，只是连接的传感器有所不同。

　　这种典型的手持式医疗电子设备主要包含内核（执行所有数据处理与系统级管理任务的微控制器），以及外设元件。其中，外设元件包括：

　　1. 传感器，血糖监视仪中的有创/无创生物传感器，或者血压监视仪中的血压传感器；血压传感器 英文名称：blood-pressure transducer 定义：能感受血压并转换成可用输出信号的传感器。

　　2. ADC,将从转换器得到的模拟信号转变为数字形式；

　　3. 输入信号处的滤波器，用于滤除噪声；

　　4. LCD控制器以及向用户显示相关信息的LCD;

　　5. USB接口，可与PC同步，显示并存储数据；

　　6. 非易失性快闪存储器，可存储代码与数据；

　　7. 包含升压转换器与线性稳压器的电源管理系统。

　　外设元件都在微控制器外部，通过通用GPIO或专用引脚连接到微控制器。

　　然而，这种设计方法存在一些局限性，主要体现在以下方面：由于全部使用外部元件，所以元件数量很多，需占用较多的PCB空间；外部元件越多，PCB走线上感应噪声的几率就越大；所有元件是需经过FDA认可；FDA是食品和药物管理局（Food and Drug Administration）的简称，在中国，因为其标准比较高，因此多以美国FDA为最高准则。因此，FDA有时也代表美国FDA,"FDA"是美国食品药物管理局的英文缩写，它是国际医疗审核权威机构，由美国国会即联邦政府授权，专门从事食品与药品管理的最高执法机关；是一个由医生、律师、微生物学家、药理学家、化学家和统计学家等专业人事组成的致力于保护、促进和提高国民健康的政府卫生管制的监控机构。其它许多国家都通过寻求和接收 FDA 的帮助来促进并监控其本国产品的安全。硬件与软件开发时间延长；很难方便地对设计方案加以改动。

　　基于SoC的设计方案

　　不妨设想这样一种情况：在包括了微控制器的单芯片上实现大多数外设元件功能，也就是采用片上系统（SoC）或ASIC.如果希望支持可编程性，那么选用SoC比较适合。如果实现大批量生产，那么ASIC在成本上更有优势。这种设计方案的结构框图如图4所示。

　　图4:基于SoC的手持式医疗电子设备设计方案。

　　由于大多数外设元件都集成到SoC中，所有板上的元件数量大大减少。此外，这种全新的设计方法还有以下优势：减少元件数量可大幅缩短设计周期；由于硬件功能在芯片内通过软件实现，所以便于随时根据需要修改设计方案；减少外设元件也有助于减少噪声；通过禁用某些暂时不需要的芯片特性，可方便地降低电路板功耗。

　　这些优势可对任何嵌入式产品设计带来好处。不过，在医疗电子设备设计中采用上述方法还有一些独特优势。

　　医疗电子设备的代码非常复杂，有的代码编写起来非常困难。特别是创建一个让所有元件都可无缝协作的架构，常常是一个很大挑战。每个元件使用什么接口、有没有足够的I/O、不同接口能否通过多路复用技术支持一个以上的元件，等等，都是都是需要考虑的问题。

　　如果设计人员只需通过点击操作就能禁用某个设计特性，或者通过拖放操作就能增加特性，则必将缩短开发时间、节约成本并根据不同市场需求推出相关产品。这种设计方法还有助于缩短产品的验证与测试时间。

　　采用基于SoC的设计方法还有助于满足FDA的规定要求，因为它能更方便地确保所用的SoC五年内不停产。

　　基于PSoC的设计方案

　　赛普拉斯推出了一系列可编程片上系统（PSoC）器件，能很好地满足上述应用需求。PSoC器件的可编程数字与模拟模块经过通过配置后，可以执行外设功能。图5给出了基于 PSoC 的医疗电子设备典型结构框图。

　　PSoC的另外一个优势，是能让设计人员在设备运行时也能灵活地修改功能，实现更好的电源管理与抗噪性能。PSoC系列单片机是在一个专有的MCU（Microprogrammed Control Unit）内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件阵列PSoC块，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的。 PSoC（TM）混合信号阵列是可编程的片上系统（SOC），其集成了微控制器以及嵌入式系统中通常围绕微控制器周围的模拟及数字组件。采用一个微控制器，一个PSoC器件最多可集成100种外设功能，从而帮助客户节约设计时间和板上面积，降低了功耗，系统成本也可降低5美分到10美元不等。方便易用的开发工具使设计人员能够准确选择所需的外设功能，包括放大器、ADC、DAC、滤波器及比较器等模拟功能以及定时器、计数器、PWM、SPI和UART等数字功能。PSoC系列的模拟功能包括轨至轨输入、可编程增益放大器以及最大14位的ADC,其噪声极低，输入损耗及电压偏移也非常低。PSoC设备包括最大32 KB的闪存、2KB的SRAM、带有32位累加器的8x8乘法器、电源和睡眠监控电路，以及硬件I2C通信等。

　　基于SoC的设计方法的唯一潜在局限性，是在某些设计方案中其成本可能要高于采用低成本微控制器加外设元件的方案。不过，考虑到这种设计方法带来的诸多优势，这一潜在缺点也将变得微不足道。因此，基于SoC的设计方法将是手持式医疗电子设备的设计趋势。