瞄準(zhǔn)醫(yī)療電子 聚合管理器三大方案應(yīng)運(yùn)而生

引言

慢性病發(fā)病率的不斷增加以及對控制醫(yī)療費(fèi)用和老齡化人口需求的不斷增長，使網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療技術(shù)變得越來越重要?？刁w佳 (Continua) 聚合管理器 (Aggregation manager) (AM) 將成為網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療系統(tǒng)的一個基本組成部分，從而使眾多個人醫(yī)療設(shè)備能夠把數(shù)據(jù)記錄為遠(yuǎn)程電子病例(EHR)，用于家庭和臨床診斷。這種聚合管理器可以通過手機(jī)、個人計(jì)算機(jī)或者專用設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

本文為您介紹三種聚合管理器系統(tǒng)解決方案，其包括高性能數(shù)字可視接口(DVI)聚合管理器(由硬件加速高分辨率[HD]音頻/可視[AV]編解碼器和3-D加速用戶界面[UI]組成)、一個低成本DVI聚合管理器(由基于軟件的標(biāo)準(zhǔn)分辨率[SD]AV編解碼器組成)和一個低功耗聚合管理器(支持基于軟件的音頻編解碼器)。

康體佳互操作性

康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)由眾多醫(yī)療設(shè)備的原始設(shè)備制造商(OEM)、服務(wù)供應(yīng)商和硅供應(yīng)商組成，共同為個人醫(yī)療設(shè)備和聚合管理器(AM)提供互操作性指導(dǎo)原則。盡管該原則的1.0版本指定藍(lán)牙®和通用串行總線(USB)作為標(biāo)準(zhǔn)接口，但是未來的互操作性原則版本將包括低功耗藍(lán)牙®(BLE)和ZigBee，分別作為低功耗個人局域網(wǎng)(PAN)和局域網(wǎng)(LAN)接口。

OEM廠商目前組合使用以太網(wǎng)、Wi-Fi和蜂窩接口，例如：AM廣域網(wǎng)(WAN)接口的GSM等。要想成為一個經(jīng)過康體佳認(rèn)證的AM，設(shè)備必須集成至少一個PAN或者低功耗LAN接口和一個WAN或者互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接口。由于許多廠商希望與盡可能多的通用設(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。

康體佳AM可以有各種不同的外形。在一些情況下，它可以是一臺個人計(jì)算機(jī)或者一部移動電話。在其他一些情況下，它或許是一臺連接現(xiàn)有顯示器或者集成顯示器的媒體設(shè)備。使用低功耗形狀系數(shù)時，AM還可以為一個低功耗、穿戴式設(shè)備。由于許多廠商都選擇實(shí)施媒體中心設(shè)備和低功耗可穿戴設(shè)備，因此本文將為您介紹媒體中心AM和低功耗AM預(yù)集成設(shè)計(jì)。

圖1 醫(yī)療生態(tài)AM(數(shù)據(jù)來源：康體佳概況介紹)

DIV聚合管理器媒體處理器

TI 的DVI AM媒體處理器是一種基于ARM®Cortex™-A8的架構(gòu)，可提供音頻、攝像頭和視頻媒體接口。希望實(shí)現(xiàn)HD視頻流傳輸?shù)脑O(shè)備廠商應(yīng)該使用TI的OMAP3530媒體處理器，因?yàn)樗闪艘粋€HD視頻加速器。不需要HD(720p)視頻流傳輸?shù)脑O(shè)備廠商應(yīng)該使用更低成本的AM3517，它支持DVI的HD(720p/1080i)，但沒有集成HD視頻加速器。兩種媒體處理器都使用最新的Linux版本(可支持Ubuntu/Android UI)，并且具備代碼兼容性。

希望獲得高達(dá)全HD 1080p的更高視頻性能的設(shè)備廠商應(yīng)使用OMPA4430處理器，其為一種ARM Cortex-A9雙核處理器。

HD視頻流傳輸

OMAP3530高性能、低功耗移動應(yīng)用處理器集成了ARM Cortex-A8處理器，采用TI的C64X+™DSP硬件加速視頻處理器和相關(guān)外圍器件。

OMAP35x評估模塊包括開源Linux和驅(qū)動器，并附帶Code Sourcery工具和數(shù)字視頻軟件開發(fā)工具套件(DVSDK)。DVSDK中還包括整套簡單易用的音頻和視頻編解碼器，用于使用TI DaVinci™技術(shù)的硬件加速視頻處理器。這些編解碼器與Linux和網(wǎng)絡(luò)外圍器件一起預(yù)集成，支持實(shí)時720p視頻流傳輸。SD編解碼器由TI免費(fèi)提供，而HD編解碼器則由TI的第三方網(wǎng)絡(luò)提供。

OMPA4430處理器集成ARM Cortex-A9雙核處理器和一個硬件加速視頻處理器。它支持全HD 1080p視頻流傳輸(或者720p雙向視頻運(yùn)程會議)以及其他豐富的多媒體功能。

低功耗聚合管理器處理器

對于低功耗/成本設(shè)計(jì)而言，可以使用TI的Stellaris®ARM Cortex-M3型微控制器。除一些同步接口(包括Ethernet MAC/PHY和USB On-The-Go)以外，LM3S9B96開發(fā)工具套件還增加了幾種特性，用于提高整體用戶體驗(yàn)，例如：使用電阻式觸控界面的3.5英寸彩色QVGA LCD、一個撥輪式電位計(jì)(用于菜單導(dǎo)航)、用戶LED和按鈕、MicroSD卡插槽以及1MB的串行閃存等。LM3S9B96開發(fā)工具套件具有一個擴(kuò)展板，它可以使用TI的CC2530 ZigBee SoC、CC2540低功耗藍(lán)牙SoC和CC2570 ANT網(wǎng)絡(luò)處理器(NWP)。

工具套件的軟件工具套件選項(xiàng)包括：

1. 評估版ARM RealView微控制器開發(fā)工具套件

2. 入門版IAR嵌入式工作臺

3. CodeRed技術(shù)的紅色套件

4. CodeSourcerySourcery G++ GNU 工具

除LM3S9B96微控制器中包括的基于ROM的SafeRTOS以外，RTOS演示還包括：

1. FreeRTOS.org

2. µC/Probe嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控MicriumµC/OS-II

3. Express LogicThreadX

4. CMX系統(tǒng)CMX-RTX

5. Keil RTX

6. IAR PowerPac

7. SEGGER embOS

8. Quadros RTXC

9. MicroDigital的SMX

10. RoweBot的Unison超微嵌入式 Linux和POSIX兼容RTOS

11. SCIOPTA的安全關(guān)鍵應(yīng)用實(shí)時操作系統(tǒng)

聚合管理器網(wǎng)絡(luò)接入

TI的AM參考設(shè)計(jì)包括兩個康體佳WAN接口(以太網(wǎng)和Wi-Fi)、一個低功耗LAN接口(ZigBee)和四個PAN接口(USB、藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和ANT)。

Wi-Fi

TI的WiLink™6.0 (WL127x)解決方案是一款高集成度、65納米方案，它在一顆真正意義的單片上集成了WLAN、藍(lán)牙和FM內(nèi)核。WiLink 6.0解決方案支持許多最新的標(biāo)準(zhǔn)，包括802.11 a/b/g/n和各種藍(lán)牙技術(shù)。它專為一些要求低功耗、穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)接入的移動設(shè)備而設(shè)計(jì)，例如：智能手機(jī)和其他電池供電型設(shè)備。

WiLink 6.0使用一個外置現(xiàn)貨開關(guān)式電源(SMPS)和前端組件。該前端組件包含一個PA、一個換衡器(balun)和一個三向射頻開關(guān)。

TI的WiLink 6.0解決方案是一種三重?zé)o線電設(shè)計(jì)，它運(yùn)用一些特殊技術(shù)來克服無線電共存挑戰(zhàn)。在集成WLAN和藍(lán)牙時需特別注意，因?yàn)閮煞N技術(shù)都工作在同一個頻段。一套專有算法解決了這個問題，用于在WLAN和藍(lán)牙之間共用一個天線，從而實(shí)現(xiàn)2.4GHz頻段傳輸。

在移動設(shè)備中，整體解決方案的體積有時會成為一個關(guān)鍵因素。由于WiLink 6.0解決方案(內(nèi)核器件)的體積較小，因此總體積小于80mm。

圖2 WiLink™ 6.0解決方案結(jié)構(gòu)圖

WiLink 6.0解決方案附帶一整套軟件包，用于開發(fā)和集成設(shè)備核心功能。該軟件包被稱作MCP(移動網(wǎng)絡(luò)接入包)，其包括該產(chǎn)品運(yùn)行所需的所有相關(guān)軟件內(nèi)容。

WLAN驅(qū)動器和該軟件包一起實(shí)現(xiàn)眾多的功能，包括多任務(wù)支持(STA、AP、P2P)和相關(guān)連接管理活躍性、安全(客戶端接口)、服務(wù)品質(zhì)、通過終端用戶應(yīng)用程序外部鉤實(shí)現(xiàn)掃描和漫游支持。

TI通過LS研究使用經(jīng)過完全認(rèn)證的組件提供WL127x。TiWi組件是一種高性價比、體積預(yù)先經(jīng)過認(rèn)證的高性能2.4GHz IEEE 802.11 a/b/g/n和藍(lán)牙2.1+EDR無線模塊。

圖3 WL1271組件

該組件通過一個SDIO/WSPI接口與一顆主處理器一起協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)必要的PHY/MAC層，以支持WLAN應(yīng)用。該組件還通過HCI傳輸層提供一個藍(lán)牙平臺。WLAN和藍(lán)牙均共用相同的天線端口。

藍(lán)牙技術(shù)

WL1271上的藍(lán)牙接口支持藍(lán)牙1.2(1Mbps)和藍(lán)牙2.0+EDR(2-3Mbps)。該器件利用開源Blue-Z棧，其為OMAP3530處理器和AM3517 Linux基本端口的組成部分。圖4顯示了一個標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙棧。

康體佳PAN接口要求一種被稱作HDP(健康設(shè)備屬性文件)的新屬性文件，其目前可通過開源集成。這種屬性文件建立在一個被稱作MCAP的附加抽象層上。由于藍(lán)牙最初并非為低成本的紐扣電池應(yīng)用所設(shè)計(jì)，因此藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)推出了一種新的版本，即低功耗藍(lán)牙(BLE)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙®棧

低功耗藍(lán)牙技術(shù)

與普通藍(lán)牙技術(shù)不同，低功耗藍(lán)牙技術(shù)是一種無連接式協(xié)議。這極大地降低了無線電工作的時間，適用于那些要求超低成本、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用。低功耗藍(lán)牙技術(shù)把藍(lán)牙技術(shù)推向大量的新興市場，包括醫(yī)療、體育和健身、安全、移動和個人計(jì)算機(jī)配件以及家庭娛樂等。

低功耗藍(lán)牙技術(shù)將被集成到現(xiàn)有的藍(lán)牙芯片中(稱作雙模支持)，另外也可作為單一低功耗解決方案(單模)來單獨(dú)使用。在許多(并非全部)使用情況下，雙模器件會被集成到手機(jī)、個人計(jì)算機(jī)、汽車或者其他功耗限制要求不高的設(shè)備中，這些設(shè)備可以是已經(jīng)使用了藍(lán)牙技術(shù)或者希望增加藍(lán)牙支持的設(shè)備。

這些設(shè)備可支持現(xiàn)有藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)(例如：支持無線耳機(jī)的手機(jī)等)，利用雙模支持，還可允許“連接”單模低功耗傳感器和設(shè)備。

單模芯片會被集成到一些有功耗限制的設(shè)備中，例如：工作時間長達(dá)一年以上的紐扣電池型設(shè)備，以為各種市場和低功耗射頻應(yīng)用提供支持。

作為低功耗藍(lán)牙技術(shù)領(lǐng)域的一個貢獻(xiàn)者和領(lǐng)導(dǎo)者，在規(guī)范最終批準(zhǔn)以后不久，TI便于2010年發(fā)布了單模和雙模芯片。

TI的BLE單模解決方案CC2540經(jīng)過優(yōu)化，可為低功耗藍(lán)牙技術(shù)提供支持。CC2540擁有高達(dá)+5-dBm的輸出功率以及- 93-dBm的接收靈敏度，具有靈活的內(nèi)存選項(xiàng)，并且擁有大量可被支持的外圍器件，包括一個功率五通道DMA、21 GPIO、兩個USART、全速USB 2.0、板上AES加密/解密引擎和計(jì)時器。CC2540是一款40引腳6 x 6 QFN解決方案，并且為閃存可編程。

作為一個整套解決方案的供應(yīng)商，TI不僅僅擁有硬件，而且為單模低功耗藍(lán)牙技術(shù)提供完全兼容的軟件協(xié)議棧，包括主從及所有要求的屬性文件功能。這種棧經(jīng)過功耗優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)所有應(yīng)用的最佳性能，它包括各種工具、示例應(yīng)用代碼、屬性文件支持、驅(qū)動器、開發(fā)板、文檔以及輕松開發(fā)單模低功耗藍(lán)牙解決方案所需的其他所有一切。

ZigBee接口

ZigBee醫(yī)療產(chǎn)品將會用于各種場景，包括家中或者私人門診部、康樂中心、老人社區(qū)和療養(yǎng)院等?？刁w佳聯(lián)盟選擇ZigBee是因?yàn)?，ZigBee技術(shù)面向低功耗、電池供電型設(shè)備。低功耗傳感和監(jiān)控是802.15.4無線電的最佳應(yīng)用場合，其功耗更低，并且為醫(yī)療設(shè)備提供更長的電池使用時間。

ZigBee醫(yī)療保健(ZHC)技術(shù)工作組為早期使用者發(fā)布了ZHC應(yīng)用規(guī)范。該規(guī)范在不同廠商之間實(shí)現(xiàn)了互操作性。這種穩(wěn)健特性讓其能夠與其他無線電協(xié)議共存，并提供安全、低包錯誤率的數(shù)據(jù)傳輸。

TI通過CC2530或者CC2520/MSP430™開發(fā)工具套件提供一站式硬件參考設(shè)計(jì)和軟件。對于那些不希望設(shè)計(jì)和認(rèn)證自有無線電平臺的客戶來說，TI為他們推薦一些供應(yīng)具有完整天線和軟件的FCC認(rèn)證ZigBee模塊的組件合作伙伴。

圖5 ZigBee的三條路徑

圖6 CC2530 ZigBee片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

USB

AM媒體和低功耗處理器都集成了一個USB主機(jī)，可支持多達(dá)三個客戶端。TI將向感興趣的客戶提供PHDC規(guī)范的代碼。PHDC規(guī)范(如圖7所示)是康體佳棧的基本組成部分。要求的IEEE-11073層可以通過與合作伙伴一起協(xié)作來實(shí)現(xiàn)，例如：S3或者Lamprey Networks等。

圖7 醫(yī)療設(shè)備規(guī)范

ANT

與低功耗藍(lán)牙技術(shù)一樣，ANT是一種無連接協(xié)議。ANT已經(jīng)存在一段時間了，并且在今天的市場上也有許多產(chǎn)品，特別是在運(yùn)動和健身領(lǐng)域。ANT由一個私有公司的小型團(tuán)隊(duì)開發(fā)，而非眾多公司組成的聯(lián)合體。ANT棧非常緊湊、可擴(kuò)展、靈活、專注，并在市場中發(fā)展成熟，今天仍然有數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)備在使用。

ANT+對ANT進(jìn)行了擴(kuò)展，目的是通過成員定義公共規(guī)范(利益相關(guān)者調(diào)整之后6個月內(nèi)發(fā)布)支持互操作性。作為一種專有協(xié)議，ANT專注于一些具體的解決方案，旨在降低功耗和復(fù)雜度。盡管ANT目前并未獲得康體佳認(rèn)證，但是TI提供的ANT解決方案可以實(shí)現(xiàn)與市場中現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備的互操作性，同時也為未來引腳兼容的低功耗藍(lán)牙設(shè)備提供支持。

ANT目前支持如下規(guī)范：

1. 心率監(jiān)視器

2. 速度與距離監(jiān)控器

3. 自行車速度

4. 自行車騎行節(jié)奏

5. 自行車功率

6. 稱量重量

7. 健身設(shè)備

8. 多種運(yùn)動速度與距離監(jiān)控器

9. 血壓

10. 血糖(初期測試版)

11. 熱量計(jì)規(guī)范(預(yù)覽版)

12. 電動自行車輔助(預(yù)覽版)

功率管理

按照設(shè)計(jì)，同OMAP35x器件一起工作的TPS65950模擬芯片，其包含降壓轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、充電模塊、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級放大器。TPS65950 IC擁有一些額外功能，例如：高速USB物理層(PHY)收發(fā)器等。它的功能包括：

a. 系統(tǒng)時鐘管理器

-通過晶體或者外部正弦波產(chǎn)生一個32kHz時鐘，向整個系統(tǒng)提供一個矩形數(shù)字波形。

-收集來自系統(tǒng)的所有高頻時鐘請求，并將需求提交至系統(tǒng)時鐘源。

-緩沖來自源的高頻時鐘，并向整個適用系統(tǒng)提供矩形數(shù)字波形。

b. 上電與重置管理

-按鈕去抖動啟動狀態(tài)機(jī)(主機(jī)配置)。

-控制OMAP3530處理器的重置釋放。

-OMAP3530處理器或者用戶發(fā)出命令時控制熱重置步驟。

-可控制輔助子系統(tǒng)的上電序列。

c. 電源管理

-集成數(shù)個電源(DC/DC、SMPS或者LDO類型)，以滿足電流和電壓方面的系統(tǒng)需求。

-處理器功率伴侶功能，為OMAP3530處理器提供所有要求的電源和電源管理功能(動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，即SmartReflex™技術(shù))。SmartReflex技術(shù)通過一個專用高速跨集成電路(I2C)鏈接。

-可以控制額外功率資源(外部LDO)激活。

d. 系統(tǒng)管理

利用高速I2C配置接口，可通過寄存器訪問實(shí)現(xiàn)TPS65950工作和狀態(tài)模式的完全可配置。另外，TPS65950可實(shí)現(xiàn)：

-可路由至一個或兩個目標(biāo)的數(shù)個功能性中斷。

-通過軟件或者硬件請求的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部和外部信號監(jiān)控。

-安全的軟件訪問協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)字版權(quán)管理。

模擬

TFP410是一款DVI 1.0標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字發(fā)射器，其支持許多顯示分辨率，從VGA到24位、真彩色像素格式的UXGA。這種通用接口的優(yōu)點(diǎn)包括可選總線寬度、可調(diào)節(jié)信號電平和差分及單端時鐘頻率。1.1V到1.8V可調(diào)節(jié)數(shù)字接口提供一條低EMI、高速總線，其與12位或者24位接口無縫連接。

當(dāng)LCD顯示器用于系統(tǒng)時，應(yīng)考慮LCD功耗、LED背光和觸摸屏控制器。TSC2046是一種帶有片上2.5V基準(zhǔn)電壓的四線觸摸屏控制器，它可以用于輔助輸入、電池監(jiān)控和溫度測量模式。TPS61042是一種具有恒流輸出的高頻增壓轉(zhuǎn)換器，其驅(qū)動LCD背光的白色LED。

DVI聚合管理器系統(tǒng)

圖8 DVI AM結(jié)構(gòu)圖

DVI AM主要IC組件

低功耗聚合管理器系統(tǒng)

圖9 低功耗AM結(jié)構(gòu)圖

低功耗AM主要IC組件

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)2月《可穿戴技術(shù)特刊》“Change the world”欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究!