淺析基于集合管理器的互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)解決方案

隨著慢性病發(fā)病率的不斷增長，控制醫(yī)療保健成本與人口老化需求的不斷提升，互聯(lián)醫(yī)療技術(shù)的重要性也越來越高。Continua 集合管理器(AM)將成為互聯(lián)醫(yī)療系統(tǒng)中的重要器件，可幫助個人醫(yī)療設(shè)備將數(shù)據(jù)錄入到遠(yuǎn)程電子健康記錄 (EHR) 中，使家人和醫(yī)生能夠復(fù)查。AM 可以是手機(jī)和個人計算機(jī)，也可以是專用設(shè)備的形式。

本文將介紹適用于 AM 的三種不同系統(tǒng)解決方案，包括高性能數(shù)字可視界面(DVI)AM(包括硬件加速的高清(HD)音頻/視頻(AV)編解碼器和3D加速型用戶界面UI)、降低成本的 DVI AM(包括基于軟件的標(biāo)清(SD)AV 編解碼器)以及低功耗AM(支持軟件音頻編解碼器)。

Continua 的互操作性

Continua Health Alliance 是一個由醫(yī)療設(shè)備原始設(shè)備制造商(OEM)、服務(wù)供應(yīng)商以及硅芯片廠商組成的團(tuán)體，各個廠商協(xié)調(diào)工作，共同為個人醫(yī)療設(shè)備與集合管理器 (AM) 制定互用性指南。盡管該指南的 1.0 版將藍(lán)牙 (Bluetooth) 與通用串行總線 (USB) 確定為標(biāo)準(zhǔn)接口，然而今后的新版指南還將包括藍(lán)牙低能耗 (BLE) 技術(shù)與 ZigBee，分別作為低功耗個人局域網(wǎng) (PAN) 和局域網(wǎng) (LAN) 接口。OEM 廠商目前使用包括以太網(wǎng)、Wi-Fi 以及蜂窩接口(如適用于AM WAN 的 GSM 等)的組合。成為 Continua 認(rèn)證的 AM，器件必須集成至少一個 PAN 或低功耗 LAN 接口以及一個 WAN 或因特網(wǎng)協(xié)議接口。由于許多廠商都希望同盡可能多的設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作性，因此通常會集成多個低功耗 LAN/PAN 和 WAN 接口。

Continua AM 可采用不同形態(tài)因數(shù)。在某些情況下，其可能為 PC 或手機(jī)，有時又可能是連接到已有顯示屏或集成顯示屏的媒體設(shè)備。就低功耗型設(shè)備而言，AM 也可能是一種低功耗的可佩戴型設(shè)備。由于許多廠商都會選擇實(shí)施以媒體為中心的設(shè)備和低功耗的可佩戴型設(shè)備，因此本白皮書將介紹以媒體為中心的 AM 和低功耗 AM 預(yù)集成設(shè)計方案。

圖 1 醫(yī)療產(chǎn)業(yè)環(huán)境中的 AM(數(shù)據(jù)來源：Continua 概覽演示)

DVI 集合管理器的媒體處理器

德州儀器 (TI) 推出的 DVI AM 媒體處理器是一款采用 ARM Cortex-A8 架構(gòu)的處理器，可提供音頻、攝像機(jī)以及視頻媒體接口。支持高清視頻流需求的設(shè)備廠商可采用整合了高清視頻加速器的 TI OMAP3530 媒體處理器。不需要高清 (720p) 視頻流的設(shè)備廠商可使用更低成本的 AM3517，通過 DVI 接口支持高清 (720p/1080i)UI，但不提供高清視頻加速器。這兩種媒體處理器都配套提供最新的 Linux 發(fā)行版(可支持 Ubuntu/Android UI)，并實(shí)現(xiàn)了代碼兼容。設(shè)備廠商如果需要支持全高清 1080p 標(biāo)準(zhǔn)的視頻性能，可使用 OMAP4430 處理器，這是一款 ARM Cortex-A9 雙核處理器。

高清視頻流

OMAP3530 高性能低功耗移動應(yīng)用處理器高度集成 ARM Cortex-A8 處理器、TI C64x+ DSP 硬件加速視頻處理器以及相關(guān)外設(shè)。

OMAP35x 評估板不但包含開源 Linux 和驅(qū)動器，而且還包含 Code Sourcery 工具和數(shù)字視頻軟件開發(fā)套件 (DVSDK)。DVSDK 中包含簡單易用的生產(chǎn)就緒型音視頻編解碼器，可充分滿足基于 TI 達(dá)芬奇技術(shù)的硬件加速視頻處理器的需求。這些編解碼器與 Linux 和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)實(shí)現(xiàn)了預(yù)集成，可支持實(shí)時 720p 視頻流。TI 免費(fèi)提供 SD 編解碼器， TI 第三方網(wǎng)絡(luò)則提供高清編解碼器。

OMAP4430 處理器將 ARM Cortex-A9 雙內(nèi)核與硬件加速視頻處理器進(jìn)行完美集成，可支持全高清 1080p 視頻流(或 720p 雙向視頻電話會議)以及其它豐富的多媒體特性。

低功耗集合管理器處理器

TI 基于 Stellaris ARM Cortex-M3 的微處理器可實(shí)現(xiàn)更低功耗/成本的設(shè)計方案(系統(tǒng)框圖如圖2所示)。除同時支持以太網(wǎng) MAC/PHY 和 移動USB等多個接口之外，LM3S9B96 開發(fā)套件還新增了幾個可提高整體用戶體驗(yàn)的特性，支持集成型 3.5 英寸彩色 QVGA LCD 和電阻觸摸界面、姆指控輪電位計(用于菜單導(dǎo)航)、用戶 LED 與按鈕、MicroSD 卡槽以及 1 MB 串行閃存存儲器等。LM3S9B96 開發(fā)套件配套提供擴(kuò)展板，能夠與 TI CC2530 ZigBee SoC、CC2540 藍(lán)牙低能耗 SoC 以及 CC2570 ANT 網(wǎng)絡(luò)處理器 (NWP) 協(xié)同工作。該套件提供的軟件工具套件選擇包括：

* ARM 的 RealView 微處理器開發(fā)套件評估版;

* IAR針對ARM的嵌入式工作臺;

* Code Red Technologies 的 Red Suite;

* CodeSourcery Sourcery G++ GNU 工具。

圖 2 低功耗 AM 方框圖

集合管理器的連接性

TI的 AM 參考設(shè)計包括 2 個Continua WAN 接口(以太網(wǎng)和 Wi-Fi)、1 個低功耗 LAN 接口 (ZigBee)以及 4 個 PAN 接口(USB、藍(lán)牙、藍(lán)牙低能耗和 ANT)。

Wi-Fi

TI的WiLink 6.0 (WL127x) 解決方案(圖3)是高度集成的 65 納米技術(shù)，在真正意義上的單芯片上集成了 WLAN、藍(lán)牙以及 FM 內(nèi)核。WiLink 6.0 解決方案支持包括 802.11 a/b/g/n 和各種不同藍(lán)牙技術(shù)在內(nèi)的最新標(biāo)準(zhǔn)，該解決方案適用于智能電話以及其它電池供電設(shè)備等移動設(shè)備，可滿足低功耗、高穩(wěn)健性連接需求。

WiLink 6.0 配套提供現(xiàn)成的外部開關(guān)模式電源 (SMPS) 與前端模塊。該前端模塊包括 PA、平衡轉(zhuǎn)換器以及三向射頻開關(guān)。WiLink 6.0 解決方案是一款可使用特殊技術(shù)解決無線電共存問題的三路無線電設(shè)計。WLAN 和藍(lán)牙集成時要特別注意，因?yàn)檫@兩種技術(shù)使用的是相同的頻帶。一系列專利算法可解決該問題，可采用統(tǒng)一天線滿足 WLAN 和藍(lán)牙對 2.4-GHz 頻帶的共享需求。整體解決方案尺寸對移動設(shè)備而言有時非常重要，由于 WiLink 6.0 解決方案核心器件外形較小，從而可實(shí)現(xiàn)不足 80 毫米的總體尺寸。

圖 3 WiLink 6.0 解決方案方框圖

WiLink 6.0 解決方案配套提供綜合軟件套包，可滿足器件核心功能的開發(fā)與集成需求，名為 MCP(移動連接套件)包括運(yùn)行產(chǎn)品所需的所有相關(guān)軟件內(nèi)容。套件中提供的 WLAN 驅(qū)動器具有各種功能，支持(STA、AP、P2P)和相關(guān)連接管理功能、安全性(客戶端接口)、服務(wù)質(zhì)量，以及掃描與漫游支持等，并提供了針對最終用戶應(yīng)用的外接機(jī)制等。

TI 通過 LS Research 在經(jīng)過全面認(rèn)證的模塊中提供了 WL127x。TiWi 模塊是一款高性能 2.4-GHz IEEE 802.11 a/b/g/n 和 Bluetooth 2.1+EDR 無線電產(chǎn)品，采用預(yù)認(rèn)證的低成本封裝。該模塊可提供通過 SDIO/WSPI 界面與主機(jī)處理器共同支持 WLAN 應(yīng)用所需的 PHY/MAC 層。此外，模塊還可通過 HCI 傳輸層提供藍(lán)牙平臺，WLAN 與藍(lán)牙都使用相同的天線端口。

藍(lán)牙技術(shù)

WL1271 上的藍(lán)牙接口支持 Bluetooth 1.2 (1 Mbps) 和 Bluetooth 2.0 + EDR (2-3 Mbps)。采用開源 Blue-Z 協(xié)議棧是 OMAP3530 處理器和 AM3517 Linux 基礎(chǔ)端口的一部分。圖4顯示了標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙協(xié)議棧。

Continua PAN 接口需要稱作 HDP(健康器件配置文件)的新配置文件，目前可通過開源方式集成，該配置文件在新增的 MCAP 抽象層上建立。由于藍(lán)牙剛開始設(shè)計時并未考慮到采用低成本的鈕扣電池，因此藍(lán)牙 SIG 將推出一種新的衍生藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，即藍(lán)牙低能耗技術(shù) (BLE)。

圖 4 標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙低能耗技術(shù)

與藍(lán)牙不同的是，藍(lán)牙低能耗技術(shù)是一種無連接協(xié)議，可顯著縮短無線電打開所需的時間，充分滿足極低成本的低功耗無線連接應(yīng)用的要求。藍(lán)牙低能耗技術(shù)將為廣泛的新市場提供藍(lán)牙技術(shù)，包括醫(yī)療、體育健身、安全、移動及 PC 附件以及家庭娛樂等。

藍(lán)牙低能耗技術(shù)將集成于現(xiàn)有的藍(lán)牙芯片組，也就是提供雙模支持，此外也可在單模式下僅以低能耗解決方案提供。在許多(不是全部)使用案例中，雙模式器件用于手機(jī)、PC、汽車或其他對功耗要求不是很嚴(yán)格的設(shè)備，這些設(shè)備往往已經(jīng)采用了藍(lán)牙技術(shù)，或者需要添加藍(lán)牙支持。

這些設(shè)備將支持現(xiàn)有的藍(lán)牙產(chǎn)業(yè)環(huán)境(例如，手機(jī)支持免提耳機(jī)功能)，而且通過雙模式支持，還可實(shí)現(xiàn)單模式低能耗傳感器與設(shè)備的連接。

單模式芯片將用于能耗要求非常嚴(yán)格的設(shè)備(例如，需要工作一年左右的紐扣電池設(shè)備)，從而支持低功耗 RF 領(lǐng)域的不同市場與應(yīng)用。

作為藍(lán)牙低功耗技術(shù)領(lǐng)域的積極參與者和領(lǐng)導(dǎo)者，TI在 2010 年規(guī)范最終批準(zhǔn)后不久就推出了單模式和雙模式芯片。TI的BLE 單模式解決方案 CC2540 經(jīng)過優(yōu)化，可支持藍(lán)牙低能耗技術(shù)。CC2540 可提供高達(dá) 5dBm 的輸出功率和 - 93dBm 的接收靈敏度，具有高度靈活的存儲器選項(xiàng)，并配套提供包括電源 5 通道 DMA、21 個 GPIO、2 個 USART、全速 USB 2.0、板載 AES 加密/解密引擎以及定時器等各種外設(shè)支持。CC2540 采用 40 引腳 6 x 6 QFN 封裝，并支持閃存可編程性。

作為總體解決方案供應(yīng)商，TI 不僅提供硬件，而且還提供全面符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件協(xié)議棧，以滿足單模式藍(lán)牙低能耗技術(shù)的需求，包括主從產(chǎn)品以及所有必要配置文件功能。該協(xié)議棧不但針對所有應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳性能進(jìn)行了功率優(yōu)化，還包含工具、應(yīng)用代碼示例、配置文件支持、驅(qū)動器、開發(fā)板、文檔以及便捷開發(fā)單模式藍(lán)牙低能耗解決方案所需的全部要素。

ZigBee 接口

ZigBee 醫(yī)療保健產(chǎn)品將用于多種不同環(huán)境，包括家庭、私人診所、娛樂中心、退休社區(qū)以及幼兒園等。Continua Alliance 之所以選擇 ZigBee，是因?yàn)樵摷夹g(shù)可滿足電池供電低功耗設(shè)備的需求。低功耗傳感和監(jiān)控應(yīng)用是 802.15.4 無線電最有優(yōu)勢的領(lǐng)域，其功耗更低，可為醫(yī)療設(shè)備延長電池使用壽命。

ZigBee 醫(yī)療保健 (ZHC) 技術(shù)工作組為早期技術(shù)采用者發(fā)布了 ZHC 應(yīng)用配置文件。這一規(guī)范提供了不同廠商之間的互操作性。這種高穩(wěn)健特性不但可使其能夠與其他無線電協(xié)議共存，而且還可提供安全的低數(shù)據(jù)包故障率傳輸功能。CC2530 ZigBee 片上系統(tǒng)方框圖如圖5 所示。

圖 5 CC2530 ZigBee 片上系統(tǒng)方框圖

USB

AM 媒體及低功耗處理器都集成了能支持多達(dá) 3 個客戶端的 USB，如圖 6 所示的 PHDC 配置文件是 Continua 協(xié)議棧的重要組成部分。所需的 IEEE-11073 層可與 S3 或 Lamprey Networks 等合作伙伴產(chǎn)品共同實(shí)施。

圖6 醫(yī)療設(shè)備配置文件

ANT

與藍(lán)牙低能耗技術(shù)類似，ANT 也是一種無連接協(xié)議。ANT 上市已有一段時間，目前市場上有不少產(chǎn)品，主要用于體育健身。ANT 由私營企業(yè)中的小型團(tuán)隊(duì)開發(fā)，目標(biāo)比較明確。ANT 協(xié)議棧比較小型化，具有可擴(kuò)展性、高靈活性、明確的目標(biāo)，經(jīng)過市場實(shí)踐驗(yàn)證，目前有數(shù)百萬產(chǎn)品采用 ANT。

ANT+ 對 ANT 進(jìn)行了擴(kuò)展，可通過成員公司定義的公共配置文件支持互操作性，在利益相關(guān)方達(dá)成協(xié)議后 6 個月內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)互操作。作為一款專利協(xié)議，ANT 主要針對特定的解決方案，因此可降低功耗與復(fù)雜性。盡管 ANT 目前尚未通過 Continua 認(rèn)證，但 TI 也提供 ANT 解決方案，不但支持市場上現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備的互操作性，同時還可支持未來引腳兼容的藍(lán)牙低能耗設(shè)備。

電源管理

TPS65950 模擬配套芯片設(shè)計旨在同 OMAP35x 協(xié)同工作，該器件高度集成了降壓轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、充電器模塊、具有數(shù)字濾波器的完整音頻模塊、輸入放大器以及輸出 D 類放大器。TPS65950 IC 可提供幾種額外功能，包括高速 USB 物理層 (PHY) 收發(fā)器。功能包括：

* 系統(tǒng)時鐘管理器

通過晶體或外部正弦波生成 32 kHz 時鐘，可為整個系統(tǒng)提供數(shù)字方波形;

收集系統(tǒng)所有的高頻時鐘請求，將命令轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)時鐘源;

對時鐘源的高頻時鐘進(jìn)行緩沖，向整個應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)字方波形。

* 上電與電源復(fù)位管理

按鈕去抖動啟動狀態(tài)機(jī)制(主配置);

控制 OMAP3530 處理器的復(fù)位釋放;

OMAP3530 處理器或用戶發(fā)出指令時控制熱復(fù)位步驟;

可控制輔助子系統(tǒng)的上電序列。

* 電源管理;

集成數(shù)個電源(DC/DC、SMPS 或 LDO 類型)，可滿足系統(tǒng)的電流與電壓要求;

處理器電源配套產(chǎn)品，可為 OMAP3530 處理器提供所有必需的電源與電源管理功能(動態(tài)電壓縮放、SmartReflex技術(shù))。SmartReflex 技術(shù)通過專用高速跨集成電路 (I2C) 鏈接進(jìn)行控制;

控制更多功率資源的激活(外部 LDO)。

* 系統(tǒng)管理

TPS65950 的工作模式和狀態(tài)通過高速 I2C 配置接口的寄存器存取完全控制。此外，TPS65950 還可實(shí)施：

幾個函數(shù)中斷，能路由到一兩個目標(biāo);

內(nèi)外部信號監(jiān)控，軟件或硬件可發(fā)出模數(shù)轉(zhuǎn)換請求;

數(shù)字權(quán)利管理的安全軟件訪問協(xié)議。

模擬

TFP410 是一款符合 DVI 1.0 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字發(fā)送器(DVI AM 方框圖如圖7所示)，支持 VGA 到 UXGA 的 24 位真彩像素格式顯示分辨率。這種通用接口的優(yōu)勢包括：可選總線寬度、可調(diào)信號大小以及差動和單端時鐘等。電壓在 1.1V ～ 1.8V 之間調(diào)節(jié)的數(shù)字接口可提供低 EMI 與高速總線，與 12 位或 24 位接口實(shí)現(xiàn)無縫連接。如果系統(tǒng)中使用 LCD 顯示屏，則應(yīng)考慮 LCD 電源、LED 背光以及觸摸屏控制器等問題。TSC2046 是一款具有 2.5V 片上參照電壓的四線觸摸屏控制器，可用作輔助輸入、電池監(jiān)控以及溫度測量模式。TPS61042 是一款提供常量電流輸出的高頻率升壓轉(zhuǎn)換器，為 LCD 背光驅(qū)動白光 LED。

圖 7 DVI AM 方框圖