用于互联医疗设备的无线 SoC

作者：Rolf Horn

投稿人：DigiKey 欧洲编辑

过去几十年以来，数字技术在医疗卫生行业中的应用日益广泛。新冠疫情加速了这一演变。由于疫情原因，人们必须使用远程医疗服务，这也带来了其他一些好处，例如更高效的医疗服务和持续的患者监护。技术进步催生了医疗物联网 (IoMT)，通过互联网将佩戴便携式和/或可穿戴式医疗设备和传感器的患者及相应的医疗系统和医疗机构连接在一起构成网络。例如，连续血糖监测仪和心脏监护仪已被广泛接受。IoMT 设备有助于实现数据传输自动化，从而减少人为错误。随着预测性数据分析和人工智能 (AI) 技术的进步，IoMT 设备的功能变得愈加强大，可实现数据驱动的诊断，能够及早发现异常，提高患者自我参与度，并降低医疗成本。

IoMT 设备的关键要求

• ** 安全性 ：** 由于传输的医疗信息性质敏感，设备必须具备高度的安全性。高级加密标准 (AES) 和椭圆曲线密码 (ECC) 可以使用安全密钥对传输的数据进行加密和解密，从而验证数据。设备中基于真随机数发生器 (TRNG) 的密钥有助于安全生成这些密钥。利用半导体设备内独特的物理不可克隆函数 (PUF) 对设备进行身份识别，可以最大限度地减少欺骗攻击。安全启动硬件协议，以及防止访问设备内存受保护区域的防篡改机制，都有助于提高设备的安全性。
• ** 耗电量 ：** 可穿戴设备和便携式设备通常使用电池供电。低功耗通信协议（例如低功耗蓝牙 5.x）、设备不工作时的省电模式，以及优化运行性能与功耗的高效架构是可以最大限度延长电池续航时间的一些基本特性。
• ** 体积小巧，功能丰富 ：** 小巧轻便的设备适用于可穿戴和便携式医疗应用。智能种植牙等新应用要求极小的外形尺寸。片上系统 (SoC) 概念实现了多种功能在单个芯片上的高度集成。这些功能可能包括提供高速模拟和数字感应、测量、数据转换、通信的外设功能集。其他基本要求包括：无线连接、高速数据处理、大容量闪存和 RAM 内存、精密低频/低功耗时钟和定时器、DC/DC 电压调节等。

Silicon Labs 面向 IoMT 应用的 EFRBG27 Wireless Gecko SoC 系列

2023 年 3 月，[Silicon Labs]宣布推出一个安全节能的新器件产品系列，从而扩展了该公司的 Wireless Gecko 产品组合。其中包括非常适合 IoMT 应用的 BG27 系列低功耗蓝牙 SoC 器件。

图 1 的框图显示了 BG27 SoC 中包含的丰富功能集。下面列出了一些主要功能的详细信息：

图 1：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的功能集。（图片来源：Silicon Labs）

• 处理器和内存 ：* 76.8 MHz、32 位的 ARM Cortex® M33 RISC 内核带有 DSP 指令和浮点运算单元，提供 1.50 Dhrystone MIPS/MHz 的高性能信号处理能力。其采用了 ARM TrustZone 安全技术。闪存容量为 768 kB，数据内存为 64 kB RAM。链接直接内存访问控制器 (LDMA) 允许系统独立于软件执行内存操作，从而降低能耗和软件工作负载。
• 低功耗模式 ：* EFR32BG27 包含一个能量管理单元 (EMU)，用于管理 SoC 能量模式（EM0 至 EM4）的转换。有了 EMU，应用程序能够在程序执行过程中动态降低能耗至最低。EM0 模式提供最多功能，例如支持最高时钟频率下运行的 CPU、无线电和外设。而在 EM2、EM3 低功耗活动模式下，外设可以禁用。在能量模式之间转换时，EMU 采用电压调节，尽可能在较低电压下运行，从而优化能效。EM4 是一种非活动的最低功耗状态，允许系统唤醒进入 EM0 模式。

** DC/DC 转换 ：** EFR32BG27 系列包括降压和升压模式的片上转换器，可提供所需的内部 1.8 V 电压。升压模式器件（例如 [EFR32BG27C230F768IM32-B]）可在低至 0.8 V 的电压下工作，允许使用单节碱性电池、氧化银电池和其他低压电池供电。升压转换器可使用专用 BOOST_EN 引脚关闭，从而在存储和运输过程中节省系统电池电量。在该模式下，最大电流消耗仅为 20/50nA，具体取决于某些引脚的供电。在 [EFR32BG27C140F768IM40-B]等降压模式器件中，可以使用外部电源提供最高 3.8 V 的电压。当电源电压足够低时，片上电源监测器会发出信号，允许稳压器旁路，并将电压范围扩展至 1.8 V。旁路模式还允许系统进入 EM4 节能模式。DC/DC 转换器中集成了库仑计模块。其中包括两个 32 位计数器，用于测量 DC/DC 转换器提供的充电脉冲数，从而实现精确的电池电量跟踪，提高用户安全性。

** 蓝牙 5.x 网络 ：** 该 SoC 系列支持低功耗蓝牙 (LE) 无线协议。无线电接收器采用低中频架构，包含低噪声放大器和 I/Q 下变频器。自动增益控制 (AGC) 模块可调节接收器增益，以避免饱和，从而提高选择性和阻塞性能。2.4 GHz 无线电模块在生产时经过校准，以改进镜频抑制性能。该系列提供从 4 dBm 到 8 dBm 的一系列发射功率。射频噪声抑制功能包括 DC/DC 转换器在启动时以软开关模式运行，以及从稳压到旁路的 DC/DC 转换，旨在限制最大电源压摆率并抑制浪涌电流。RFSENSE 模块允许器件保持在 EM2、EM3 或 EM4 节能模式，并在检测到射频能量高于指定阈值时唤醒。

** 安全性 ：** EFR32BG27 系列的 SoC 包含一系列安全功能，如图 2 所示。

| | 功能 | SECURE VAULT MID |
| ---------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------- |
| 真随机数发生器 (TRNG) | 有 |
| 使用信任根和安全加载程序 (RTSL) 进行安全启动 | 有 |
| 锁定/解锁功能，可安全调试 | 有 |
| DPA 对策 | 有 |
| 防篡改 | 外部篡改 (ETAMPDET) |
| 安全认证 | 使用 TrustZone |
| 密钥管理 | 使用 TrustZone |
| Semmetric 加密 | * AES 128 位/192 位/256 位* ECB、CTR、CBC、CFB、CCM、GCM、CBC-MAC 和 GMAC |
| 公钥加密 - ECDSA/ECDH/EdDSA | * p192 和 p256 |
| 密钥派生 | * ECJ-PAKE p192 和 p256 |
| 哈希值 | * SHA-1* SHA-2/256 |

图 2：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的安全功能。（图片来源：Silicon Labs）

使用信任根和安全加载程序 (RTSL) 的安全启动将从不可变只读存储器 (ROM) 开始对可信固件进行验证。加密加速器支持 AES 和 ECC 加密和解密。它还包括差分功率分析 (DPA) 对策，用于保护密钥。TRNG 从热源收集熵，并包括 NIST SP800-90B 和 AIS-31 标准要求的热源启动健康测试，以及 NIST SP800-90C 要求的在线健康测试。调试接口在部件投入现场使用时被锁定，具有安全解锁功能，允许基于公钥加密的经身份验证访问。在硬件方面，外部篡改检测 (ETAMPDET) 模块可检测外部篡改，例如未经授权打开外壳。该模块可以生成中断，向软件发出警告，并允许采取系统级措施。

• 丰富的外设集 ：* 该 SoC 包括结合采用 SAR 和 Delta-Sigma 技术的混合模数转换器。12 位模式的运行速度最高可达 1 Msps，而 16 位转换器的运行速度最高可达 76.9 ksps。模拟比较器模块可使用内部或外部基准，也可用于感测电源电压。支持 SPI、USART 和 I2C 串行通信模式。实时时钟和捕捉 (RTCC) 模块提供 32 位计时功能，低至 EM3 能量模式，并可使用内部低频振荡器进行时钟定时。低能耗定时器 (LETIMER) 提供 24 位分辨率，可在设备大部分断电时，用于定时和输出生成，从而以最低的功耗执行简单的任务。外设反射系统 (PRS) 是一种信号路由网络，允许外设模块之间的直接通信，而无需 CPU 参与。这样可以减少软件开销和电流消耗。

** 小基底面的封装 ：** [EFR32BG27C320F768GJ39-B]就是 EFR32BG27 系列的器件之一。该器件采用晶圆级芯片尺寸封装 (WLCSP)，尺寸仅为 2.6 mm x 2.3 mm，可在降压或升压稳压器模式下运行。该系列的其他产品采用 QFN32 4 mm x 4 mm 封装或 QFN40 5 mm x 5 mm 封装，在特定降压或升压稳压器模式下运行。

总结

EFR32BG27 提供业界领先的高能效处理能力和低能耗蓝牙连接。这些外形小巧的 SoC 包括各种安全功能，非常适合 IoMT 应用。