德州儀器MSP430FR59的便攜式無線醫(yī)療健康監(jiān)測電路設計
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。在設計高可靠性醫(yī)療設備時需要權衡各種工程環(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連接性、延長電池壽命，因此安全性正成為關鍵問題
目前有多種應對方式，包括在智能藍牙等協(xié)議中增加安全特性，以使家庭監(jiān)控更加安全。
IMS Research 預測，紐扣電池供電型醫(yī)療器件中使用的智能藍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作用這說明了設計安全性和可靠性、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。
智能藍牙越來越受歡迎，它可將智能手機用作便攜式醫(yī)療器件的接口。手機發(fā)送的數(shù)據(jù)既可在本地處理，也可通過蜂窩網絡或本地 Wi-Fi 網絡發(fā)送到云端進行存儲和分析。如此一來，對設備設計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，傳輸鏈中的智能藍牙應用尤其流行。
其中一種方式便是使用藍牙技術聯(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，而且針對特定應用增加了多種格式，尤其是醫(yī)療設備。這意味著醫(yī)療產品設計人員可以根據(jù)特定應用選擇相應的規(guī)范，從而降低存儲器和電源開銷。HDP 支持醫(yī)療和健身應用，如體溫測量、血壓、體重計、血糖、脈搏血氧飽和度、心率、計步器、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，智能藍牙還增加了隱私保護，尤其是當用戶在進行戶外活動時。這限制了通過頻繁改變的器件隨機地址追蹤傳輸器件的能力。
在電子醫(yī)療記錄和遠程醫(yī)療日益盛行的趨勢之下，醫(yī)療從業(yè)人員同樣有職責像保護傳統(tǒng)紙質記錄那樣，保護患者醫(yī)療記錄，維護患者治療隱私。由于電子文檔更容易被復制和傳播，電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲需要更高層次的安全。因此，在開發(fā)任何便攜式醫(yī)療器件時需要認真考慮數(shù)字安全問題。
TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用鐵電存儲器 (FRAM) 實現(xiàn)低功耗存儲，在與無線產品結合時，通過智能藍牙個人保健器件類 (PHDC) 協(xié)議，能用于血壓監(jiān)視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計等。
將傳統(tǒng)藍牙的 AES 加密技術應用到 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)器的中央內核，進而降低功耗。
收發(fā)器連接也盡可能保持低功耗，帶有 12 位模數(shù)轉換器 (ADC)，200 ksps 時耗電 75 μA，支持最多八通道差分輸入。每個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，從而進一步降低醫(yī)療應用的功耗。
讓無線固件更容易更新，為時間敏感的數(shù)據(jù)存儲提供更快速的響應，控制器中的 FRAM 存儲器可由此節(jié)省 12-15% 的電池壽命。此外，F(xiàn)RAM 續(xù)航時間長，不需要外部 EEPROM，因為代碼存儲在內部，所以設計更加安全，并可降低功耗、物料清單和制造復雜度。器件還包括 IP 防護、器件 ID、篡改檢測和安全數(shù)據(jù)記錄，以進一步保護無線系統(tǒng)中運行的數(shù)據(jù)。
超低功耗模式對此類型的設計也至關重要，該平臺可支持七種低功耗模式，可在 6 μs 內快速喚醒。
這些微控制器用于配合無線收發(fā)器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541 藍牙收發(fā)器。包括名為 BLE 堆棧的免費固件，它能實現(xiàn)便攜式設計的空中 (OTA) 下載，讓升級更加容易？刂破、主機和應用處理器全部集成到一個 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計意味著，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)器和智能藍牙基帶處理器。它可用作獨立應用處理器，或者作為帶有單獨微控制器的托管型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)泵。
DA14580 支持存儲藍牙規(guī)范和自定義應用代碼的靈活存儲架構，可以通過 OTA 更新。智能藍牙協(xié)議堆棧存儲在專門的 ROM 中，通過簡單調度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運行。
智能藍牙固件包括 L2CAP 服務層協(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。
為了簡化設備設計，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 鏈路預算。設計中的所有 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，并經過最小功耗優(yōu)化。
DA14580 搭載 Dialog 的 SmartSnippets 藍牙軟件平臺，包括符合要求的片載智能藍牙單模式堆棧。其配有各種消費者健康、運動、健身、安全和近端應用的標準智能藍牙規(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 最后修改時間：2023-03-27
