德州儀器MSP430FR59的便攜式無線醫(yī)療健康監(jiān)測電路設(shè)計(jì)
本文探討了便攜式醫(yī)療系統(tǒng)中無線監(jiān)控的挑戰(zhàn)性要求。在設(shè)計(jì)高可靠性醫(yī)療設(shè)備時(shí)需要權(quán)衡各種工程環(huán)節(jié)，從超低功耗收發(fā)器和各種協(xié)議，到高效電源管理和傳感器接口。便攜式醫(yī)療器件的開發(fā)人員和用戶越來越要求增強(qiáng)連接性、延長電池壽命，因此安全性正成為關(guān)鍵問題
目前有多種應(yīng)對方式，包括在智能藍(lán)牙等協(xié)議中增加安全特性，以使家庭監(jiān)控更加安全。
IMS Research 預(yù)測，紐扣電池供電型醫(yī)療器件中使用的智能藍(lán)牙將成為未來幾年的熱門，僅 2016 年的系統(tǒng)發(fā)貨量就能超過 470 萬套。智能藍(lán)牙中有三分之一以上將提供無線連接，部分程度上是由于連接安全性的推動(dòng)作用這說明了設(shè)計(jì)安全性和可靠性、微控制器、無線收發(fā)器之間的緊密聯(lián)系，以及不同因素之間的平衡。
智能藍(lán)牙越來越受歡迎，它可將智能手機(jī)用作便攜式醫(yī)療器件的接口。手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)既可在本地處理，也可通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或本地 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。如此一來，對設(shè)備設(shè)計(jì)人員的要求顯著降低了，但確保數(shù)據(jù)在傳輸鏈中的安全性變卻得愈發(fā)重要，傳輸鏈中的智能藍(lán)牙應(yīng)用尤其流行。
其中一種方式便是使用藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 開發(fā)的 Health Device Profile (HDP)。此方法可優(yōu)化電池較低漏極的無線鏈接性能，而且針對特定應(yīng)用增加了多種格式，尤其是醫(yī)療設(shè)備。這意味著醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)特定應(yīng)用選擇相應(yīng)的規(guī)范，從而降低存儲(chǔ)器和電源開銷。HDP 支持醫(yī)療和健身應(yīng)用，如體溫測量、血壓、體重計(jì)、血糖、脈搏血氧飽和度、心率、計(jì)步器、速度、距離、周期節(jié)奏、簡單遙控和電池狀態(tài)。
除數(shù)據(jù)安全外，智能藍(lán)牙還增加了隱私保護(hù)，尤其是當(dāng)用戶在進(jìn)行戶外活動(dòng)時(shí)。這限制了通過頻繁改變的器件隨機(jī)地址追蹤傳輸器件的能力。
在電子醫(yī)療記錄和遠(yuǎn)程醫(yī)療日益盛行的趨勢之下，醫(yī)療從業(yè)人員同樣有職責(zé)像保護(hù)傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄那樣，保護(hù)患者醫(yī)療記錄，維護(hù)患者治療隱私。由于電子文檔更容易被復(fù)制和傳播，電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲(chǔ)需要更高層次的安全。因此，在開發(fā)任何便攜式醫(yī)療器件時(shí)需要認(rèn)真考慮數(shù)字安全問題。
TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用鐵電存儲(chǔ)器 (FRAM) 實(shí)現(xiàn)低功耗存儲(chǔ)，在與無線產(chǎn)品結(jié)合時(shí)，通過智能藍(lán)牙個(gè)人保健器件類 (PHDC) 協(xié)議，能用于血壓監(jiān)視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計(jì)等。
將傳統(tǒng)藍(lán)牙的 AES 加密技術(shù)應(yīng)用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中，以便保持盡可能低的功耗。256 位 AES 引擎可用于 128、196 和 256 位密鑰，并且不同類型的加密方式對應(yīng)不同的 DMA 支持，如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。這樣可將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?AES 引擎上，無需使用無線收發(fā)器的中央內(nèi)核，進(jìn)而降低功耗。
收發(fā)器連接也盡可能保持低功耗，帶有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，200 ksps 時(shí)耗電 75 μA，支持最多八通道差分輸入。每個(gè)輸入還有窗口比較器功能，可以簡化數(shù)據(jù)比較，以便僅捕獲顯著改變，從而進(jìn)一步降低醫(yī)療應(yīng)用的功耗。
讓無線固件更容易更新，為時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供更快速的響應(yīng)，控制器中的 FRAM 存儲(chǔ)器可由此節(jié)省 12-15% 的電池壽命。此外，F(xiàn)RAM 續(xù)航時(shí)間長，不需要外部 EEPROM，因?yàn)榇a存儲(chǔ)在內(nèi)部，所以設(shè)計(jì)更加安全，并可降低功耗、物料清單和制造復(fù)雜度。器件還包括 IP 防護(hù)、器件 ID、篡改檢測和安全數(shù)據(jù)記錄，以進(jìn)一步保護(hù)無線系統(tǒng)中運(yùn)行的數(shù)據(jù)。
超低功耗模式對此類型的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，該平臺(tái)可支持七種低功耗模式，可在 6 μs 內(nèi)快速喚醒。
這些微控制器用于配合無線收發(fā)器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541 藍(lán)牙收發(fā)器。包括名為 BLE 堆棧的免費(fèi)固件，它能實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)計(jì)的空中 (OTA) 下載，讓升級更加容易。控制器、主機(jī)和應(yīng)用處理器全部集成到一個(gè) 6 mm x 6 mm 的封裝中。收發(fā)器 18.5 mA 傳輸電流的低功耗設(shè)計(jì)意味著，它能靠單顆紐扣電池工作一年以上。
Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。這是一款全集成無線電收發(fā)器和智能藍(lán)牙基帶處理器。它可用作獨(dú)立應(yīng)用處理器，或者作為帶有單獨(dú)微控制器的托管型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)泵。
DA14580 支持存儲(chǔ)藍(lán)牙規(guī)范和自定義應(yīng)用代碼的靈活存儲(chǔ)架構(gòu)，可以通過 OTA 更新。智能藍(lán)牙協(xié)議堆棧存儲(chǔ)在專門的 ROM 中，通過簡單調(diào)度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運(yùn)行。
智能藍(lán)牙固件包括 L2CAP 服務(wù)層協(xié)議、安全管理器 (SM)、屬性協(xié)議 (ATT)、通用規(guī)范 (GATT) 以及通用訪問規(guī)范 (GAP)，128 位 AES 加密處理器支持這些協(xié)議，可確保數(shù)據(jù)流安全。
為了簡化設(shè)備設(shè)計(jì)，收發(fā)器一端直接連接天線，另一端有鏈路層專用加速器，可提供 93 dB 鏈路預(yù)算。設(shè)計(jì)中的所有 RF 代碼塊均通過片載低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 提供，可按代碼塊編程，并經(jīng)過最小功耗優(yōu)化。
DA14580 搭載 Dialog 的 SmartSnippets 藍(lán)牙軟件平臺(tái)，包括符合要求的片載智能藍(lán)牙單模式堆棧。其配有各種消費(fèi)者健康、運(yùn)動(dòng)、健身、安全和近端應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)智能藍(lán)牙規(guī)范，其它用戶規(guī)范可以輕松開發(fā)并加入到堆棧中。SmartSnippets 軟件開發(fā)環(huán)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碼。
編輯：ls 最后修改時(shí)間：2023-03-27
