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便携式医疗系统的无线监控电路方案设计

深圳医疗器械展会、深圳医疗器械设计制造展、深圳医疗设备展


本文探讨了便携式医疗系统中无线监控的挑战性要求。 在设计高可靠性医疗设备时需要权衡各种工程环节,从超低功耗收发器和各种协议,到高效电源管理传感器接口

便携式医疗器件的开发人员和用户越来越要求增强连接性、延长电池寿命,因此安全性正成为关键问题。

目前有多种应对方式,包括在智能蓝牙等协议中增加安全特性,以使家庭监控更加安全。

IMS Research 预测,纽扣电池供电型医疗器件中使用的智能蓝牙将成为未来几年的热门,仅 2016 年的系统发货量就能超过 470 万套。 智能蓝牙中有三分之一以上将提供无线连接,部分程度上是由于连接安全性的推动作用。

这说明了设计安全性和可靠性、微控制器、无线收发器之间的紧密联系,以及不同因素之间的平衡。

智能蓝牙越来越受欢迎,它可将智能手机用作便携式医疗器件的接口。 手机发送的数据既可在本地处理,也可通过蜂窝网络或本地 Wi-Fi 网络发送到云端进行存储和分析。 如此一来,对设备设计人员的要求显著降低了,但确保数据在传输链中的安全性变却得愈发重要,传输链中的智能蓝牙应用尤其流行。

其中一种方式便是使用蓝牙技术联盟 (SIG) 开发的 Health Device Profile (HDP)。 此方法可优化电池较低漏极的无线链接性能,而且针对特定应用增加了多种格式,尤其是医疗设备。 这意味着医疗产品设计人员可以根据特定应用选择相应的规范,从而降低存储器和电源开销。 HDP 支持医疗和健身应用,如体温测量、血压、体重计、血糖、脉搏血氧饱和度、心率、计步器、速度、距离、周期节奏、简单遥控和电池状态。

除数据安全外,智能蓝牙还增加了隐私保护,尤其是当用户在进行户外活动时。 这限制了通过频繁改变的器件随机地址追踪传输器件的能力。

在电子医疗记录和远程医疗日益盛行的趋势之下,医疗从业人员同样有职责像保护传统纸质记录那样,保护患者医疗记录,维护患者治疗隐私。 由于电子文档更容易被复制和传播,电子文件、图像、音频和视频的存储需要更高层次的安全。 因此,在开发任何便携式医疗器件时需要认真考虑数字安全问题。

TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用铁电存储器 (FRAM) 实现低功耗存储,在与无线产品结合时,通过智能蓝牙个人保健器件类 (PHDC) 协议,能用于血压监视器、血糖仪、体重秤、脉搏血氧计等。

将传统蓝牙的 AES 加密技术应用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中,以便保持尽可能低的功耗。 256 位 AES 引擎可用于 128、196 和 256 位密钥,并且不同类型的加密方式对应不同的 DMA 支持,如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。 这样可将数据直接传输到 AES 引擎上,无需使用无线收发器的中央内核,进而降低功耗。

收发器连接也尽可能保持低功耗,带有 12 位模数转换器 (ADC),200 ksps 时耗电 75 µA,支持最多八通道差分输入。 每个输入还有窗口比较器功能,可以简化数据比较,以便仅捕获显著改变,从而进一步降低医疗应用的功耗。

让无线固件更容易更新,为时间敏感的数据存储提供更快速的响应,控制器中的 FRAM 存储器可由此节省 12-15% 的电池寿命。 此外,FRAM 续航时间长,不需要外部 EEPROM,因为代码存储在内部,所以设计更加安全,并可降低功耗、物料清单和制造复杂度。 器件还包括 IP 防护、器件 ID、篡改检测和安全数据记录,以进一步保护无线系统中运行的数据。

超低功耗模式对此类型的设计也至关重要,该平台可支持七种低功耗模式,可在 6 µs 内快速唤醒。

这些微控制器用于配合无线收发器使用,如 Texas Instruments 的 CC2541 蓝牙收发器。 包括名为 BLE 堆栈的免费固件,它能实现便携式设计的空中 (OTA) 下载,让升级更加容易。 控制器、主机和应用处理器全部集成到一个 6 mm x 6 mm 的封装中。 收发器 18.5 mA 传输电流的低功耗设计意味着,它能靠单颗纽扣电池工作一年以上。

Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。 这是一款全集成无线电收发器和智能蓝牙基带处理器。 它可用作独立应用处理器,或者作为带有单独微控制器的托管型系统的数据泵。

DA14580 支持存储蓝牙规范和自定义应用代码的灵活存储架构,可以通过 OTA 更新。 智能蓝牙协议堆栈存储在专门的 ROM 中,通过简单调度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 处理器上运行。

智能蓝牙固件包括 L2CAP 服务层协议、安全管理器 (SM)、属性协议 (ATT)、通用规范 (GATT) 以及通用访问规范 (GAP),128 位 AES 加密处理器支持这些协议,可确保数据流安全。

为了简化设备设计,收发器一端直接连接天线,另一端有链路层专用加速器,可提供 93 dB 链路预算。 设计中的所有 RF 代码块均通过片载低压差稳压器 (LDO) 提供,可按代码块编程,并经过最小功耗优化。

DA14580 搭载 Dialog 的 SmartSnippets 蓝牙软件平台,包括符合要求的片载智能蓝牙单模式堆栈。 其配有各种消费者健康、运动、健身、安全和近端应用的标准智能蓝牙规范,其它用户规范可以轻松开发并加入到堆栈中。 SmartSnippets 软件开发环境是基于 Keil 的 uVision 工具,其中包括嵌入式和托管模式的范例代码。

但并非所有的便携式医疗设计都需要智能蓝牙。 家用健康监控系统可以使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x 等器件,连接到家庭网络而非移动电话,以便利用集线器中的其它计算资源来确保安全性。 对于不超出家庭范围的系统,这种方案所需器件更小巧、成本更低。 106x/108x 将高性能无线连接和超低功耗 8051 微控制器处理整合到外形尺寸为 5 mm x 6 mm 的芯片中。 可支持 142 到 1050 MHz 范围的主要频率带宽,包括集成的先进数据包处理引擎和实现高达 146 dB 链路预算的能力。 这样即可允许设计人员平衡链路预算、低功耗范围和更长的电池寿命。

Silicon Labs 器件经过优化,通过最大限度地降低传输、接收、工作模式、休眠模式电流并支持快速唤醒功能,能将电池供电型应用的能耗降至最低。 Si106x 无线 MCU 与 Si108x 器件引脚兼容,闪存容量从 8 扩展到 64 kB,并可提供坚固的模数外设,包括 ADC、双比较器、计时器和 GPIO。

结论

安全性正成为无线便携式医疗设备日益重要的设计要求。 使用智能蓝牙的最新规范能增加安全链路,同时优化特定医疗应用设计,尽可能实现最长的电池寿命。 可以通过结合超低功耗微控制器和收发器,或通过高度集成的片上系统设计实现。 也可通过更简单的链接到家庭网络的收发器来实现,家庭网络的处理能力更强,可确保数据在传输链路中保持安全。


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