便携式医疗电子装置的设计考虑

便携式医疗电子装置的设计考虑

随着糖尿病和心脏病等严重疾病的发病率激增,伴随而来的是对精确的便携式家用患者监测系统的需求,这包括胆固醇、血液情况、血压监测、以及其它便携式医疗器件。而且,更重要的是装置的使用者能够跟进个人测试的结果。移动电话业界的技术进步,创建了相当统一的标准和外形尺寸,令产品对消费者的可用性及易用性大大提高。对于患者监测设备,达到这种阶段的简化过程需要考虑很多情况。本文将借助集成电路 (IC) 在移动电话行业中取得的成功,一一列举这些考虑因素,而更重要的是介绍能帮助此简化过程的最新型 IC 器件。 　　根据移动电话的演进方式,有多项明显趋势是所有便携式装置都应该考虑的。以下将要讨论的内容包括：I/O标准、USB端口的优点、ESD保护的耐久性、以及使用模拟开关来提高医疗装置中 FPGA 和 ASIC 的功能性。 　　随着 ASIC 和 FPGA 越来越普及,使用它们作为装置的核心似乎是自然不过的决定。这种决定的初始成本优势是可以很容易计算出的,但重要的是还得考虑集成为一体化装置所需要的各种器件。便携式设计的核心工作电压常常为2.5V或者更低,在脱离电池工作时这一点非常有用,可以利用一种升压功率管理 器件以最小的电压差维持效率。但是,能在 ASIC 中实现这种低核心电压以及丰富门数的技术也不是没有缺点的,相反这些器件很容易受到高电压峰值 (即便电流值很小) 的影响,这些峰值被称作静电放电 (ESD)。 如果在数据手册中均列出了技术规范,ASIC 的 ESD 额定值约为 2kV HBM (人体模型)。对于便携式医疗装置中的内部接口,这不成为问题,但是ESD会导致任何与外部连接器相连的硅器件失效。 　　对于这样的情形,模拟开关是十分理想的选择。从视频到数据 I/O 端口、乃至音频耳机等连接器接口,都是模拟开关所适合的应用。飞兆半导体是开关市场中的领导者,这些开关能够轻易地支持 8kV HBM 保护,甚至超过 10kV;带宽从几千赫至最新式视频开关系列的超过 1GHz 的传输率。它们不仅可以保护 ASIC,还可以在接近芯片级的封装中增添功能。它们的功能用语也就是标准开关的用语,即 SPST 相应于单极单掷开关;SPDT 则为双掷。单个封装中的开关数量可以是1~4个,支持单端和差分接口。增加模拟开关能够带来变化多样的ASIC。例如,如果某个医疗装置中有两个独立的传感器 (如某个糖尿病检测器中的两个血液分析传感器,一个作为备份;另一个作为精确测量),可使用一个 SPDT 开关在 ASIC 和每个传感器之间进行切换。耳机端口可使用专用开关,用来在两个声音发生器之间进行切换,或者提供下冲保护,以避免在将耳机插入插孔时听到轻微的爆破声。 　　所有便携式装置的一个重要特点就是添加存储的能力。存储卡的标准众多,几种最常见的标准是 SD、 MicroSD 以及 XD。为了避免使设计局限于使用一种存储卡,使用模拟开关便能够实现添加两个以上的存储卡插槽。因为每次只能访问一个存储卡,所以不需要使用动态集线器型开关。SD卡发展到能够将应用程序集成进实际的存储卡中。应用程序包括“蓝牙”、Wi-Fi、指纹扫描器和GPS等,这种发展还在继续。在便携式设计中增加SD卡功能,将可以随着这些插卡得到发展时获得益处。 　　如前所述,假如需要对各种视频信号源进行混合,也可以使用模拟开关。对于便携式医疗装置,这并不是常见的要求,但是在其它所有类型的便携式装置上,视频输出连接器已经愈来愈普遍。移动电话已经开始增加这类功能,主要用于浏览附带相机拍摄的照片。那么为什么要在医疗装置上设置视频输出端口？ 因为复合视频输出能够让用者完整地回顾所有记录、或者用于以全尺寸回放视频。图形处理常常是 ASIC 供应商提供的一种选项,但是还需要一个视频驱动器的驱动电缆。飞兆半导体的最新型 FMS6501 是一款超小型的集成式视频滤波器和线路驱动器,同时可提供 ESD 保护。 　　不管是否存在视频端口,这种器件都必须具有输入和输出外部数据的方法。如果这个端口也是电池充电的主要端口就更加理想。获广泛采用的 I/O 端口的通用串行总线 (USB) 标准正好能做到这点,而且已经几乎取代了以前的串行连接。随着 USB 技术变得日趋成熟,USB 将拥有更多的选项。USB OTG (On The Go)  不需要使用 PC 来建立通信连接,就可以将医疗装置直接与打印机相连。此外,无线 USB带来了更多的便利。在这种情况下,主要的决定是将 USB 收发器与 ASIC 集成还是使用独立的 PHY 级收发器。使用分立式收发器方式的优点类似于上述使用模拟开关的优点。它们省掉了 ASIC 用于复杂 I/O 的接脚,并为昂贵的核心器件提供 ESD 缓冲。飞兆半导体的 USB 收发器的ESD 保护达到 15kV,为业界的最高水平。PC 中的 USB 端口亦可通过 Vbus 接脚来提供500mA 下5V的电源。该电源可用来以同步方式为装置提供能量,甚至可以用来为电池充电。请参照 USB 标准来保证与电源技术规范兼容,有可能需要在端口上同时设置一个限流装置,例如飞兆半导体的 Intellimax(r) 器件。   　　医疗消费品追求的是易用、耐用和精确。便携技术的潜能已经显现,并在当今移动电话业中得到验证,希望只需维持尽可能少的便携器件。医疗界必须走类似的发展道路,例如：一体化血液分析仪、体温计、以及血压装置。当医疗装置通过 USB 端口与 PC 的分析能力相结合时,患者便能够进行精确测试并全程跟踪。了解这些小信号领域中前沿 IC,将可开发出更优秀的终端医疗产品。

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