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          便攜式醫療系統中無線監控挑戰性及要求

          Duke ? 2018-09-19 15:48 ? 次閱讀

          本文探討了便攜式醫療系統中無線監控的挑戰性要求。 在設計高可靠性醫療設備時需要權衡各種工程環節,從超低功耗收發器和各種協議,到高效電源管理傳感器接口。

          便攜式醫療器件的開發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議中增加安全特性,以使家庭監控更加安全。

          IMS Research 預測,紐扣電池供電型醫療器件中使用的智能藍牙將成為未來幾年的熱門,僅 2016 年的系統發貨量就能超過 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、無線收發器之間的緊密聯系,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療器件的接口。 手機發送的數據既可在本地處理,也可通過蜂窩網絡或本地 Wi-Fi ?網絡發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,但確保數據在傳輸鏈中的安全性變卻得愈發重要,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盟 (SIG) 開發的 Health Device Profile (HDP)。 ?此方法可優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,尤其是醫療設備。 ?這意味著醫療產品設計人員可以根據特定應用選擇相應的規范,從而降低存儲器和電源開銷。 HDP ?支持醫療和健身應用,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、周期節奏、簡單遙控和電池狀態。

          通過藍牙獲取無線醫療器件的數據流

          圖 1:數據流通過藍牙從無線醫療器件傳輸到智能手機再到云端。

          除數據安全外,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。

          在電子醫療記錄和遠程醫療日益盛行的趨勢之下,醫療從業人員同樣有職責像保護傳統紙質記錄那樣,保護患者醫療記錄,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,在開發任何便攜式醫療器件時需要認真考慮數字安全問題。

          TIMSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用鐵電存儲器 (FRAM) 實現低功耗存儲,在與無線產品結合時,通過智能藍牙個人保健器件類 (PHDC) 協議,能用于血壓監視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計等。

          將傳統藍牙的 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。 ?這樣可將數據直接傳輸到 AES 引擎上,無需使用無線收發器的中央內核,進而降低功耗。

          收發器連接也盡可能保持低功耗,帶有 12 位模數轉換器 (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,可以簡化數據比較,以便僅捕獲顯著改變,從而進一步降低醫療應用的功耗。

          讓無線固件更容易更新,為時間敏感的數據存儲提供更快速的響應,控制器中的 FRAM 存儲器可由此節省 12-15% 的電池壽命。 ?此外,FRAM 續航時間長,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、篡改檢測和安全數據記錄,以進一步保護無線系統中運行的數據。

          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器使用,如 Texas Instruments 的 CC2541 ?藍牙收發器。 包括名為 BLE 堆棧的免費固件,它能實現便攜式設計的空中 (OTA) 下載,讓升級更加容易。 ?控制器、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。

          Texas Instruments CC2541 開發套件

          圖 2:CC2541 開發套件包括用于安全無線鏈路的智能藍牙收發器。

          Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。 這是一款全集成無線電收發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的數據泵。

          DA14580 支持存儲藍牙規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。

          Dialog Semiconductor 的 DA14580

          圖 3:Dialog Semiconductor 的 DA14580 整合了帶 2.4 GHz 智能藍牙收發器的 ARM Cortex-M0 內核。

          智能藍牙固件包括 L2CAP 服務層協議、安全管理器 (SM)、屬性協議 (ATT)、通用規范 (GATT) 以及通用訪問規范 (GAP),128 位 AES 加密處理器支持這些協議,可確保數據流安全。

          為了簡化設備設計,收發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壓器 (LDO) 提供,可按代碼塊編程,并經過最小功耗優化。

          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范,其它用戶規范可以輕松開發并加入到堆棧中。 SmartSnippets ?軟件開發環境是基于 Keil 的 uVision 工具,其中包括嵌入式和托管模式的范例代碼。

          但并非所有的便攜式醫療設計都需要智能藍牙。 家用健康監控系統可以使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x ?等器件,連接到家庭網絡而非移動電話,以便利用集線器中的其它計算資源來確保安全性。 對于不超出家庭范圍的系統,這種方案所需器件更小巧、成本更低。 ?106x/108x 將高性能無線連接和超低功耗 8051 微控制器處理整合到外形尺寸為 5 mm x 6 mm 的芯片中。 可支持 142 到 ?1050 MHz 范圍的主要頻率帶寬,包括集成的先進數據包處理引擎和實現高達 146 dB 鏈路預算的能力。 ?這樣即可允許設計人員平衡鏈路預算、低功耗范圍和更長的電池壽命。

          Silicon Labs Si106x 收發器圖

          圖 4:Si106x 收發器整合了帶 sub-GHz 無線鏈路的 8051 控制器內核,適用于家庭低成本監控。

          Silicon Labs ?器件經過優化,通過最大限度地降低傳輸、接收、工作模式、休眠模式電流并支持快速喚醒功能,能將電池供電型應用的能耗降至最低。 Si106x 無線 ?MCU 與 Si108x 器件引腳兼容,閃存容量從 8 擴展到 64 kB,并可提供堅固的模數外設,包括 ADC、雙比較器、計時器和 GPIO。

          結論

          安全性正成為無線便攜式醫療設備日益重要的設計要求。 ?使用智能藍牙的最新規范能增加安全鏈路,同時優化特定醫療應用設計,盡可能實現最長的電池壽命。 ?可以通過結合超低功耗微控制器和收發器,或通過高度集成的片上系統設計實現。 ?也可通過更簡單的鏈接到家庭網絡的收發器來實現,家庭網絡的處理能力更強,可確保數據在傳輸鏈路中保持安全。

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          MSP430 單片機的程序設計可以使用匯編語言,也可以使用 C 語言,這一部分將講述這 些內容。如果....

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          MSP430單片機詳細資料原理和基本實踐實驗的資料免費下載

          MSP430Ware驅動程序庫的應用介紹

          MSP430Ware軟件代碼庫簡介

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          MSP430Ware驅動程序庫的應用介紹

          TI MSP430 CapTIvate成本優化器及觸摸技術的介紹

          TI MSP430 CapTIvate Lite: 成本優化的電容觸摸微控制器 (1)

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          TI MSP430 CapTIvate成本優化器及觸摸技術的介紹

          關于MSP430的應用設計介紹

          MSP430 應用參考設計介紹

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          關于MSP430的應用設計介紹

          如何實現MSP430能耗的實時監控?(3)

          能量追蹤:MSP430能耗的實時監控3

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          如何實現MSP430能耗的實時監控?(3)

          如何實現MSP430能耗的實時監控?(1)

          能量追蹤:MSP430能耗的實時監控1

          的頭像 TI視頻 發表于 08-10 01:07 ? 254次 觀看
          如何實現MSP430能耗的實時監控?(1)

          MSP432的電源系統設計介紹

          MSP432產品培訓(三)-電源系統

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          MSP432的電源系統設計介紹

          如何實現基于MSP430F5xx和F6xx器件的引導加載程序的詳細資料概述

           近場通信,或者稱為NFC,是一款可以在器件間實現非接觸式通信的技術,此技術可使終端用戶更加容易和便....

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          如何實現基于MSP430F5xx和F6xx器件的引導加載程序的詳細資料概述

          MSP430Ware開發套件的特點及應用介紹

          MSP430Ware簡介

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          MSP430Ware開發套件的特點及應用介紹

          了解MSP432產品的性能及使用方法

          MSP432產品培訓(九)-MSP430和MSP432平臺的代碼移植(下)

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          了解MSP432產品的性能及使用方法

          關于MSP430開發環境的特點應用及資源介紹

          MSP430 開發環境資源介紹

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          關于MSP430開發環境的特點應用及資源介紹

          關于MSP430開發板的組成及應用介紹

          MSP430開發的易用性

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          關于MSP430開發板的組成及應用介紹

          TRF6901和MSP430演示和開發評估工具箱的詳細資料免費下載

          本文件介紹了TRF6901演示和開發工具包的內容。用戶手冊提供了關于如何操作MSP-TRF6901-....

          發表于 08-07 19:14 ? 90次 閱讀
          TRF6901和MSP430演示和開發評估工具箱的詳細資料免費下載

          TRF6900和MSP430評估套件(EVK)的詳細資料免費下載

          該文件描述了德克薩斯儀器(TI)TRF6900和MSP430評估套件(EVK)和相關軟件,它允許評估....

          發表于 08-07 19:10 ? 86次 閱讀
          TRF6900和MSP430評估套件(EVK)的詳細資料免費下載

          低功耗MSP430芯片的介紹

          SYS+BIOS+簡介(7)--對MSP430的支持

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          低功耗MSP430芯片的介紹

          超低功耗MCU MSP430 在觸摸轉輪和LED燈中的方面的應用

          觸摸滾輪和LED追蹤顯示方案介紹

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          超低功耗MCU MSP430 在觸摸轉輪和LED燈中的方面的應用

          關于MSP430 FRAM的特點及應用介紹

          MSP430 (4) FRAM 家族

          的頭像 TI視頻 發表于 08-02 01:10 ? 858次 觀看
          關于MSP430 FRAM的特點及應用介紹

          FRAM家族:MSP430的特性及應用介紹

          MSP430 (5) FRAM家族成員具體特性

          的頭像 TI視頻 發表于 08-02 01:04 ? 1149次 觀看
          FRAM家族:MSP430的特性及應用介紹

          基于MSP430的傳感器技術(1)

          基于MSP430的超低功耗工業傳感器技術-上篇

          的頭像 TI視頻 發表于 08-02 00:09 ? 430次 觀看
          基于MSP430的傳感器技術(1)

          基于MSP430的傳感器技術(2)

          基于MSP430的超低功耗工業傳感器技術-下篇

          的頭像 TI視頻 發表于 08-02 00:05 ? 598次 觀看
          基于MSP430的傳感器技術(2)
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