片上系统架构使便携式医疗设备设计

更简单更低廉

众所周知，近年来便携式医疗电子已经有了极大的发展并且被广泛应用。越来越多的新产品已经在市场上出现。实效性好的可以大量生产的就是那些设计简单、性能优越的方案，这样才能保证设备成本降低。要做到这一点，设计师需要考虑功耗、成本、尺寸、器件的FDA认证,以及其他因素。

一个典型的便携式医疗电子系统包括下面几个部分：模拟前端（用于数据采集）、放大器和滤波器（用于信号调整）、模数转换器和传感器（用于信号采集）、按钮（用于接受用户的反馈）、单片机（执行算法），以及各种各样的接口，如LCD显示器，USB端口等等。传统设计需要把所有需要的部件都放到PCB上。这种方法增加了整个系统的BOM、PCB复杂性和设计周期。使用分立器件也不利于IP保护，因为它可以很容易仿制。

便携式医疗设备设计和生产也受食品和药品管理局(FDA)管制。这意味着他们的设计与生产必须遵循精确过程归档，性能必须严格满足文档要求，必须通过开发测试、量产测试和现场应用。一个国家食品药品监督管理局要求医疗器械中使用的器件在接下来的5年必须能供货。这就刺激开发者减少整体器件数目以便FDA认证更简单。


图1 血压监护仪传统设计方案

图1和2给出了一个典型的血压监护仪(BPM)和一种非接触式的数字温度计使用传统设计的方案架构。



图2 非接触式数字温度计传统设计方案

传统方案

一个典型的血压监护仪使用压差传感器测量袖口或手臂的压力。这个传感器是作为输出的，只有几十微伏(30µV~50µV),输出压力信号需要使用高增益放大器放大，从而达到良好的共模抑制比（CMRR）。通常增益和共模抑制比需要分别达到约150和100分贝。压力信号的脉冲振动的频率在0.3Hz~11Hz之间，振幅约为数百微伏。这类振荡可以通过200增益和截止频率在0.3Hz~11Hz的带通滤波器提取出来。速度为50赫兹的10位ADC是用来把压力传感器和振动信号数字化。两个计时器是用来计算心跳以及实施安全定时器的功能。安全定时器用来调节压力在某一段时间内保持在目标手臂。安全定时器是AAMI标准中安全规则的一部分。一个单片机内核使用各种算法计算其收缩压、舒张压压力值。PWM电机驱动来进行袖带的膨胀和收缩。

一个典型的非接触式数字测温计采用传感器（或者说是温差电偶热电偶）,由热偶（用来测量热电偶温度）和热敏电阻（用来测量环境温度）组成微型机械嵌入式薄膜。热电偶根据节点间的压差产生直流电压。热电偶的输出保持在几微伏。热电偶信号经过一种低噪声精密放大器进行了放大。由一个热敏电阻和一个外部精密电压调节器构成了电压分压器。这个分压器用来转换热敏电阻电压的变化对温度的变化。热电偶和热敏电阻的电压用于计算热电偶和环境温度。通过传感器厂家给的公式或者预存的查找表得到电压，从而得到温度。环境温度加上热电偶温度得到就是最终的温度测量值。

当然，在上述的应用中，还需要其他外围电路，例如字段LCD驱动、实时时钟RTC，按钮、EEPROM和USB。

单片机外部的器件，比如传感器、模数转换器、LCD驱动/控制器、USB控制器、滤波器，以及放大器都是外围器件。这些器件可以通过通用输入输出端口GPIO或专门的引脚连接到单片机。外部分离器件越多，设计者必须考虑的局限性和约束就越多，例如器件清单管理，多层PCB的复杂性，实现每个器件的FDA认证，增加设计/开发时间，不利于模拟IP保护等等。