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便携式医疗系统中无线监控的挑战性要求

2019-11-22 17:36 公司动态 已读

  IMSResearch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HealthDeviceProfile(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。

  TIMSP430FR59xx16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),200ksps时耗电75µA,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6µs内快速唤醒。

  这些微控制器用于配合无线收发器使用,如TexasInstruments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6mmx6mm的封装中。收发器18.5mA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。

  DialogSemiconductor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16MHzARMCortex-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93dB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KeiluVision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SiliconLabs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将高性能无线微控制器处理整合到外形尺寸为5mmx6mm的芯片中。可支持142到1050MHz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146dB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。

  SiliconLabs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x器件引脚兼容,闪存容量从8扩展到64kB,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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