瞄准医疗电子 聚合管理器三大方案应运而生

　　本文作者：

　　HPA医疗市场业务开发经理Anne Huang
　　ARM MPU高级应用经理Lawrence Ronk
　　ARM MCU营销经理Reed Hinkel
　　低功耗射频产品营销工程师Mark Grazier
　　低功耗射频产品营销工程师Brian Blum
　　低功耗射频业务发展经理Sid Shaw
　　WBU技术策略师Leo Estevez

　　引言

　　慢性病发病率的不断增加以及对控制医疗费用和老龄化人口需求的不断增长，使网络医疗技术变得越来越重要。康体佳 （Continua） 聚合管理器 （Aggregation manager） （AM） 将成为网络医疗系统的一个基本组成部分，从而使众多个人医疗设备能够把数据记录为远程电子病例（EHR），用于家庭和临床诊断。这种聚合管理器可以通过手机、个人计算机或者专用设备来实现。

　　本文为您介绍三种聚合管理器系统解决方案，其包括高性能数字可视接口（DVI）聚合管理器（由硬件加速高分辨率［HD］音频/可视［AV］编解码器和3-D加速用户界面［UI］组成）、一个低成本DVI聚合管理器（由基于软件的标准分辨率［SD］AV编解码器组成）和一个低功耗聚合管理器（支持基于软件的音频编解码器）。

　　康体佳互操作性

　　康体佳健康联盟（Continua Health Alliance）由众多医疗设备的原始设备制造商（OEM）、服务供应商和硅供应商组成，共同为个人医疗设备和聚合管理器（AM）提供互操作性指导原则。尽管该原则的1.0版本指定蓝牙®和通用串行总线（USB）作为标准接口，但是未来的互操作性原则版本将包括低功耗蓝牙®（BLE）和ZigBee，分别作为低功耗个人局域网（PAN）和局域网（LAN）接口。

　　OEM厂商目前组合使用以太网、Wi-Fi和蜂窝接口，例如：AM广域网（WAN）接口的GSM等。要想成为一个经过康体佳认证的AM，设备必须集成至少一个PAN或者低功耗LAN接口和一个WAN或者互联网协议接口。由于许多厂商希望与尽可能多的通用设备实现互操作性，因此通常会集成多个低功耗LAN/PAN和WAN接口。

　　康体佳AM可以有各种不同的外形。在一些情况下，它可以是一台个人计算机或者一部移动电话。在其他一些情况下，它或许是一台连接现有显示器或者集成显示器的媒体设备。使用低功耗形状系数时，AM还可以为一个低功耗、穿戴式设备。由于许多厂商都选择实施媒体中心设备和低功耗可穿戴设备，因此本文将为您介绍媒体中心AM和低功耗AM预集成设计。

　　

　　图1 医疗生态AM（数据来源：康体佳概况介绍）

　　DIV聚合管理器媒体处理器

　　TI 的DVI AM媒体处理器是一种基于ARM®Cortex™-A8的架构，可提供音频、摄像头和视频媒体接口。希望实现HD视频流传输的设备厂商应该使用TI的OMAP3530媒体处理器，因为它集成了一个HD视频加速器。不需要HD（720p）视频流传输的设备厂商应该使用更低成本的AM3517，它支持DVI的HD（720p/1080i），但没有集成HD视频加速器。两种媒体处理器都使用最新的Linux版本（可支持Ubuntu/Android UI），并且具备代码兼容性。

　　希望获得高达全HD 1080p的更高视频性能的设备厂商应使用OMPA4430处理器，其为一种ARM Cortex-A9双核处理器。

　　HD视频流传输

　　OMAP3530高性能、低功耗移动应用处理器集成了ARM Cortex-A8处理器，采用TI的C64X+™DSP硬件加速视频处理器和相关外围器件。

　　OMAP35x评估模块包括开源Linux和驱动器，并附带Code Sourcery工具和数字视频软件开发工具套件（DVSDK）。DVSDK中还包括整套简单易用的音频和视频编解码器，用于使用TI DaVinci™技术的硬件加速视频处理器。这些编解码器与Linux和网络外围器件一起预集成，支持实时720p视频流传输。SD编解码器由TI免费提供，而HD编解码器则由TI的第三方网络提供。

　　OMPA4430处理器集成ARM Cortex-A9双核处理器和一个硬件加速视频处理器。它支持全HD 1080p视频流传输（或者720p双向视频运程会议）以及其他丰富的多媒体功能。

　　低功耗聚合管理器处理器

　　对于低功耗/成本设计而言，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开发工具套件还增加了几种特性，用于提高整体用户体验，例如：使用电阻式触控界面的3.5英寸彩色QVGA LCD、一个拨轮式电位计（用于菜单导航）、用户LED和按钮、MicroSD卡插槽以及1MB的串行闪存等。LM3S9B96开发工具套件具有一个扩展板，它可以使用TI的CC2530 ZigBee SoC、CC2540低功耗蓝牙SoC和CC2570 ANT网络处理器（NWP）。

　　工具套件的软件工具套件选项包括：

　　1. 评估版ARM RealView微控制器开发工具套件

　　2. 入门版IAR嵌入式工作台

　　3. CodeRed技术的红色套件

　　4. CodeSourcerySourcery G++ GNU 工具

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

　　1. FreeRTOS.org

　　2. µC/Probe嵌入式系统监控MicriumµC/OS-II

　　3. Express LogicThreadX

　　4. CMX系统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的安全关键应用实时操作系统

　　聚合管理器网络接入

　　TI的AM参考设计包括两个康体佳WAN接口（以太网和Wi-Fi）、一个低功耗LAN接口（ZigBee）和四个PAN接口（USB、蓝牙、低功耗蓝牙和ANT）。

　　Wi-Fi

　　TI的WiLink™6.0 （WL127x）解决方案是一款高集成度、65纳米方案，它在一颗真正意义的单片上集成了WLAN、蓝牙和FM内核。WiLink 6.0解决方案支持许多最新的标准，包括802.11 a/b/g/n和各种蓝牙技术。它专为一些要求低功耗、稳定网络接入的移动设备而设计，例如：智能手机和其他电池供电型设备。

　　WiLink 6.0使用一个外置现货开关式电源（SMPS）和前端组件。该前端组件包含一个PA、一个换衡器（balun）和一个三向射频开关。

　　TI的WiLink 6.0解决方案是一种三重无线电设计，它运用一些特殊技术来克服无线电共存挑战。在集成WLAN和蓝牙时需特别注意，因为两种技术都工作在同一个频段。一套专有算法解决了这个问题，用于在WLAN和蓝牙之间共用一个天线，从而实现2.4GHz频段传输。

　　在移动设备中，整体解决方案的体积有时会成为一个关键因素。由于WiLink 6.0解决方案（内核器件）的体积较小，因此总体积小于80mm。

　　

　　图2 WiLink™ 6.0解决方案结构图

　　WiLink 6.0解决方案附带一整套软件包，用于开发和集成设备核心功能。该软件包被称作MCP（移动网络接入包），其包括该产品运行所需的所有相关软件内容。

　　WLAN驱动器和该软件包一起实现众多的功能，包括多任务支持（STA、AP、P2P）和相关连接管理活跃性、安全（客户端接口）、服务品质、通过终端用户应用程序外部钩实现扫描和漫游支持。

　　TI通过LS研究使用经过完全认证的组件提供WL127x。TiWi组件是一种高性价比、体积预先经过认证的高性能2.4GHz IEEE 802.11 a/b/g/n和蓝牙2.1+EDR无线模块。

　　

　　图3 WL1271组件

　　该组件通过一个SDIO/WSPI接口与一颗主处理器一起协同工作，实现必要的PHY/MAC层，以支持WLAN应用。该组件还通过HCI传输层提供一个蓝牙平台。WLAN和蓝牙均共用相同的天线端口。

　　蓝牙技术

　　WL1271上的蓝牙接口支持蓝牙1.2（1Mbps）和蓝牙2.0+EDR（2-3Mbps）。该器件利用开源Blue-Z栈，其为OMAP3530处理器和AM3517 Linux基本端口的组成部分。图4显示了一个标准的蓝牙栈。

　　康体佳PAN接口要求一种被称作HDP（健康设备属性文件）的新属性文件，其目前可通过开源集成。这种属性文件建立在一个被称作MCAP的附加抽象层上。由于蓝牙最初并非为低成本的纽扣电池应用所设计，因此蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）推出了一种新的版本，即低功耗蓝牙（BLE）。

　　

　　图4 标准蓝牙®栈

　　低功耗蓝牙技术

　　与普通蓝牙技术不同，低功耗蓝牙技术是一种无连接式协议。这极大地降低了无线电工作的时间，适用于那些要求超低成本、低功耗无线网络接入的应用。低功耗蓝牙技术把蓝牙技术推向大量的新兴市场，包括医疗、体育和健身、安全、移动和个人计算机配件以及家庭娱乐等。

　　低功耗蓝牙技术将被集成到现有的蓝牙芯片中（称作双模支持），另外也可作为单一低功耗解决方案（单模）来单独使用。在许多（并非全部）使用情况下，双模器件会被集成到手机、个人计算机、汽车或者其他功耗限制要求不高的设备中，这些设备可以是已经使用了蓝牙技术或者希望增加蓝牙支持的设备。

　　这些设备可支持现有蓝牙生态系统（例如：支持无线耳机的手机等），利用双模支持，还可允许“连接”单模低功耗传感器和设备。

　　单模芯片会被集成到一些有功耗限制的设备中，例如：工作时间长达一年以上的纽扣电池型设备，以为各种市场和低功耗射频应用提供支持。

　　作为低功耗蓝牙技术领域的一个贡献者和领导者，在规范最终批准以后不久，TI便于2010年发布了单模和双模芯片。

　　TI的BLE单模解决方案CC2540经过优化，可为低功耗蓝牙技术提供支持。CC2540拥有高达+5-dBm的输出功率以及- 93-dBm的接收灵敏度，具有灵活的内存选项，并且拥有大量可被支持的外围器件，包括一个功率五通道DMA、21 GPIO、两个USART、全速USB 2.0、板上AES加密/解密引擎和计时器。CC2540是一款40引脚6 x 6 QFN解决方案，并且为闪存可编程。

　　作为一个整套解决方案的供应商，TI不仅仅拥有硬件，而且为单模低功耗蓝牙技术提供完全兼容的软件协议栈，包括主从及所有要求的属性文件功能。这种栈经过功耗优化，可实现所有应用的最佳性能，它包括各种工具、示例应用代码、属性文件支持、驱动器、开发板、文档以及轻松开发单模低功耗蓝牙解决方案所需的其他所有一切。

　　ZigBee接口

　　ZigBee医疗产品将会用于各种场景，包括家中或者私人门诊部、康乐中心、老人社区和疗养院等。康体佳联盟选择ZigBee是因为，ZigBee技术面向低功耗、电池供电型设备。低功耗传感和监控是802.15.4无线电的最佳应用场合，其功耗更低，并且为医疗设备提供更长的电池使用时间。

　　ZigBee医疗保健（ZHC）技术工作组为早期使用者发布了ZHC应用规范。该规范在不同厂商之间实现了互操作性。这种稳健特性让其能够与其他无线电协议共存，并提供安全、低包错误率的数据传输。

　　TI通过CC2530或者CC2520/MSP430™开发工具套件提供一站式硬件参考设计和软件。对于那些不希望设计和认证自有无线电平台的客户来说，TI为他们推荐一些供应具有完整天线和软件的FCC认证ZigBee模块的组件合作伙伴。

　　

　　图5 ZigBee的三条路径

　　

　　图6 CC2530 ZigBee片上系统结构图

　　USB

　　AM媒体和低功耗处理器都集成了一个USB主机，可支持多达三个客户端。TI将向感兴趣的客户提供PHDC规范的代码。PHDC规范（如图7所示）是康体佳栈的基本组成部分。要求的IEEE-11073层可以通过与合作伙伴一起协作来实现，例如：S3或者Lamprey Networks等。

　　

　　图7 医疗设备规范

　　ANT

　　与低功耗蓝牙技术一样，ANT是一种无连接协议。ANT已经存在一段时间了，并且在今天的市场上也有许多产品，特别是在运动和健身领域。ANT由一个私有公司的小型团队开发，而非众多公司组成的联合体。ANT栈非常紧凑、可扩展、灵活、专注，并在市场中发展成熟，今天仍然有数以百万计的设备在使用。

　　ANT+对ANT进行了扩展，目的是通过成员定义公共规范（利益相关者调整之后6个月内发布）支持互操作性。作为一种专有协议，ANT专注于一些具体的解决方案，旨在降低功耗和复杂度。尽管ANT目前并未获得康体佳认证，但是TI提供的ANT解决方案可以实现与市场中现有医疗设备的互操作性，同时也为未来引脚兼容的低功耗蓝牙设备提供支持。

　　ANT目前支持如下规范：

　　1. 心率监视器

　　2. 速度与距离监控器

　　3. 自行车速度

　　4. 自行车骑行节奏

　　5. 自行车功率

　　6. 称量重量

　　7. 健身设备

　　8. 多种运动速度与距离监控器

　　9. 血压

　　10. 血糖（初期测试版）

　　11. 热量计规范（预览版）

　　12. 电动自行车辅助（预览版）

　　功率管理

　　按照设计，同OMAP35x器件一起工作的TPS65950模拟芯片，其包含降压转换器、低压降稳压器（LDO）、充电模块、具有数字滤波器的完整音频模块、输入放大器以及输出D级放大器。TPS65950 IC拥有一些额外功能，例如：高速USB物理层（PHY）收发器等。它的功能包括：

　　a. 系统时钟管理器

　　－通过晶体或者外部正弦波产生一个32kHz时钟，向整个系统提供一个矩形数字波形。

　　－收集来自系统的所有高频时钟请求，并将需求提交至系统时钟源。

　　－缓冲来自源的高频时钟，并向整个适用系统提供矩形数字波形。

　　b. 上电与重置管理

　　－按钮去抖动启动状态机（主机配置）。

　　－控制OMAP3530处理器的重置释放。

　　－OMAP3530处理器或者用户发出命令时控制热重置步骤。

　　－可控制辅助子系统的上电序列。

　　c. 电源管理

　　－集成数个电源（DC/DC、SMPS或者LDO类型），以满足电流和电压方面的系统需求。

　　－处理器功率伴侣功能，为OMAP3530处理器提供所有要求的电源和电源管理功能（动态电压调节，即SmartReflex™技术）。SmartReflex技术通过一个专用高速跨集成电路（I2C）链接。

　　－可以控制额外功率资源（外部LDO）激活。

　　d. 系统管理

　　利用高速I2C配置接口，可通过寄存器访问实现TPS65950工作和状态模式的完全可配置。另外，TPS65950可实现：

　　－可路由至一个或两个目标的数个功能性中断。

　　－通过软件或者硬件请求的模数转换，实现内部和外部信号监控。

　　－安全的软件访问协议，实现数字版权管理。

　　模拟

　　TFP410是一款DVI 1.0标准数字发射器，其支持许多显示分辨率，从VGA到24位、真彩色像素格式的UXGA。这种通用接口的优点包括可选总线宽度、可调节信号电平和差分及单端时钟频率。1.1V到1.8V可调节数字接口提供一条低EMI、高速总线，其与12位或者24位接口无缝连接。

　　当LCD显示器用于系统时，应考虑LCD功耗、LED背光和触摸屏控制器。TSC2046是一种带有片上2.5V基准电压的四线触摸屏控制器，它可以用于辅助输入、电池监控和温度测量模式。TPS61042是一种具有恒流输出的高频增压转换器，其驱动LCD背光的白色LED。

　　DVI聚合管理器系统

图8 DVI AM结构图

　　DVI AM主要IC组件

 

　　低功耗聚合管理器系统

图9 低功耗AM结构图

 

　　低功耗AM主要IC组件

 

——本文选自电子发烧友网2月《可穿戴技术特刊》“Change the world”栏目，转载请注明出处，违者必究！