通过基于 SOC 的方法设计手持医疗设备

医疗设备产业的快速发展，推动了对个人除颤器及动态血糖监视仪等手持医疗设备需求的大幅提升。但实际上设计此类医疗设备并不是一项轻松的任务。选择适当的组件满足设计规范要求、降低成本、尽可能提高功率效率、尽力控制设备的物理尺寸等仅是设计此类产品时必须要考虑的部分问题。此外，开发人员还必须要保证设备的可靠性，同时还须确保使用的所有组件全都符合美国食物及药品管理局 (FDA) 的规范要求。例如，FDA 要求医疗设备使用的所有组件在今后 5 年内都必须保持量产状态。考虑到上述要求，许多开发人员都开始转而采用片上系统架构来缩短设计周期，减少组件数量，并降低医疗应用的产品成本。

目前的设计方法

下列图 1 和图 2 给出的是目前市场上常见的两款手持医疗设备的方框图。第一个是血糖仪的方框图，而第二个是血压监测仪的方框图。图 3 显示的是电源管理单元。







上述两款设备在基本构造方面彼此类似。主要的区别在于其各自连接的传感器。

构成此类医疗设备的常见组件包括：

核心

· 微控制器：执行所有数据处理和系统级管理任务。

外围组件

传感器：血糖仪采用侵入式/非侵入式生物感应器，血压监测仪采用压力传感器。

ADC：将来自传感器的模拟信号转换为数字形式。

过滤器(滤波器)：过滤掉(滤除)输入信号中的噪声。

LCD 控制器和 LCD 玻璃基板(屏)：为用户显示相关信息。

USB 接口：与 PC 同步，监控并存储数据，用于后期分析。

非易失性闪存存储器：用于存储代码和数据。

电源管理系统：包括升压转换器和线性稳压器。

外设组件外置于微控制器，并通过 GPIO 或专门的引脚与微控制器相连接。

上述设计方法有不少局限性：

外部组件数量过多。组件数量的增加意味着需要更多的 PCB 空间。

外部组件越多，PCB 迹线产生噪声的几率也就越大。

每个外部组件都必须分别得到 FDA 的批准。

软硬件开发都很费力，导致开发时间延长。

不能修改或很难修改。

基于 SOC 的设计方法

片上系统 (SOC) 架构提供了一种不同的设计方法，即在微控制器所处的芯片上集成或仿真大部分外设。如果设备大规模生产的话，ASIC 的成本通常较低。不过，如果考虑到可编程性和灵活性的话，SOC 则更加适用。此类设计的方框图如下所示：



我们可以看到，由于大多数外设组件都集成到了 SOC，板上组件数量立即减少了很多。此外，该新型设计方法还具有以下优势：

组件数量的减少同时可大幅缩短设计周期。

由于可通过软件在芯片中仿真硬件，因此可根据需要方便地对设计进行修改。

外设数量的减少可降低不同外界来源对板所造成的噪声影响。

因为 SOC 的某些特性在不需要时可以关闭，电源管理因而得以简化。

上述优势适用于任何嵌入式产品设计，而对医疗设备设计人员来说更有独特的优势。例如，医疗设备应用代码非常复杂，工程师有时很难顺利编写。但最难的是创建一个让所有组件均无缝协作的架构，因其必须要解决每个组件使用什么接口、I/O 是否够用以及如何通过不同接口的多路复用支持多个组件工作等各种问题。

利用 SOC 的可再配置性，管理接口的工作得以简化，不需要再手动编写设备驱动程序、API 和代码，而是可以选择最佳配置设置，编写尽可能少的代码，确保组件相互协作。这种方法还可使开发人员通过改变 SOC 的配置启用或禁用某些特性来发布同一产品的不同版本，以满足不同价位的需要。产品的销售定价既可以提升也可以降低，价格的提升可以通过增加特性来实现。这种发挥可再配置性的方法缩短了开发时间，节约了成本，而更重要的是这种方法能使公司推出满足不同细分市场需求的产品。利用这种设计方法还可缩短设备验证和测试的时间。此外，采用基于 SOC 的设计方法也有助于公司符合 FDA 的规定，因为确保具体的一款 SOC 在今后五年内保持量产状态比确保大量的外部组件要容易得多。下列图 5 显示的是采用可再配置架构的医疗设备示意图，该产品采用了包含可编程数字和模拟模块的赛普拉斯可编程片上系统 (PSoC)。



可编程 SOC 架构还可让设计人员灵活地实时更改相关功能，根据相应应用和具体的工作环境改善电源管理和抗噪性。但这种方法有一个潜在的局限性，就是针对具体设计(取决于应用数量和组件的可用性)而言，SOC 在实际使用中可能比低成本微控制器搭配外设组件时的成本要高一些。不过，考虑到用单一器件替代众多不同器件的优势，如设计的简化、可靠性的提高、总拥有成本的降低等，基于 SOC 的设计方法对许多医疗应用来说仍不失为一种令人信服的选择。