互联医疗系统的集合管理器三种不同系统解决方案介绍

　　随着慢性病发病率的不断增长，控制医疗保健成本与人口老化需求的不断提升，互联医疗技术的重要性也越来越高。Continua 集合管理器（AM）将成为互联医疗系统中的重要器件，可帮助个人医疗设备将数据录入到远程电子健康记录 （EHR） 中，使家人和医生能够复查。AM 可以是手机和个人计算机，也可以是专用设备的形式。

　　本文将介绍适用于 AM 的三种不同系统解决方案，包括高性能数字可视界面（DVI）AM（包括硬件加速的高清（HD）音频／视频（AV）编解码器和3D加速型用户界面UI）、降低成本的 DVI AM（包括基于软件的标清（SD）AV 编解码器）以及低功耗AM（支持软件音频编解码器）。

　　Continua 的互操作性

　　Continua Health Alliance 是一个由医疗设备原始设备制造商（OEM）、服务供应商以及硅芯片厂商组成的团体，各个厂商协调工作，共同为个人医疗设备与集合管理器 （AM） 制定互用性指南。尽管该指南的 1.0 版将蓝牙 （Bluetooth） 与通用串行总线 （USB） 确定为标准接口，然而今后的新版指南还将包括蓝牙低能耗 （BLE） 技术与 ZigBee，分别作为低功耗个人局域网 （PAN） 和局域网 （LAN） 接口。OEM 厂商目前使用包括以太网、Wi-Fi 以及蜂窝接口（如适用于AM WAN 的 GSM 等）的组合。成为 Continua 认证的 AM，器件必须集成至少一个 PAN 或低功耗 LAN 接口以及一个 WAN 或因特网协议接口。由于许多厂商都希望同尽可能多的设备实现互操作性，因此通常会集成多个低功耗 LAN/PAN 和 WAN 接口。

　　Continua AM 可采用不同形态因数。在某些情况下，其可能为 PC 或手机，有时又可能是连接到已有显示屏或集成显示屏的媒体设备。就低功耗型设备而言，AM 也可能是一种低功耗的可佩戴型设备。由于许多厂商都会选择实施以媒体为中心的设备和低功耗的可佩戴型设备，因此本白皮书将介绍以媒体为中心的 AM 和低功耗 AM 预集成设计方案。

图 1 医疗产业环境中的 AM（数据：Continua 概览演示）

　　DVI 集合管理器的媒体处理器

　　德州仪器 （TI） 推出的 DVI AM 媒体处理器是一款采用 ARM  Cortex-A8 架构的处理器，可提供音频、摄像机以及视频媒体接口。支持高清视频流需求的设备厂商可采用整合了高清视频加速器的 TI OMAP3530 媒体处理器。不需要高清 （720p） 视频流的设备厂商可使用更低成本的 AM3517，通过 DVI 接口支持高清 （720p/1080i）UI，但不提供高清视频加速器。这两种媒体处理器都配套提供最新的 Linux 发行版（可支持 Ubuntu/Android UI），并实现了代码兼容。设备厂商如果需要支持全高清 1080p 标准的视频性能，可使用 OMAP4430 处理器，这是一款 ARM Cortex-A9 双核处理器。

　　高清视频流

　　OMAP3530 高性能低功耗移动应用处理器高度集成 ARM  Cortex-A8 处理器、TI C64x+  DSP 硬件加速视频处理器以及相关外设。

　　OMAP35x 评估板不但包含开源 Linux 和驱动器，而且还包含 Code Sourcery 工具和数字视频软件开发套件 （DVSDK）。DVSDK 中包含简单易用的生产就绪型音视频编解码器，可充分满足基于 TI 达芬奇技术的硬件加速视频处理器的需求。这些编解码器与 Linux 和网络外设实现了预集成，可支持实时 720p 视频流。TI 免费提供 SD 编解码器， TI 第三方网络则提供高清编解码器。

　　OMAP4430 处理器将 ARM  Cortex-A9 双内核与硬件加速视频处理器进行完美集成，可支持全高清 1080p 视频流（或 720p 双向视频电话会议）以及其它丰富的多媒体特性。

　　低功耗集合管理器处理器

　　TI 基于 Stellaris ARM Cortex-M3 的微处理器可实现更低功耗/成本的设计方案（系统框图如图2所示）。除同时支持以太网 MAC/PHY 和 移动USB等多个接口之外，LM3S9B96 开发套件还新增了几个可提高整体用户体验的特性，支持集成型 3.5 英寸彩色 QVGA LCD 和电阻触摸界面、姆指控轮电位计（用于菜单导航）、用户 LED 与按钮、MicroSD 卡槽以及 1 MB 串行闪存存储器等。LM3S9B96 开发套件配套提供扩展板，能够与 TI CC2530 ZigBee SoC、CC2540 蓝牙低能耗 SoC 以及 CC2570 ANT 网络处理器 （NWP） 协同工作。该套件提供的软件工具套件选择包括：

　　● ARM 的 RealView 微处理器开发套件评估版；

　　●  IAR针对ARM的嵌入式工作台；

　　●  Code Red Technologies 的 Red Suite；

　　●  CodeSourcery Sourcery G++ GNU 工具。

图 2  低功耗 AM 方框图

　　集合管理器的连接性

　　TI的 AM 参考设计包括 2 个Continua WAN 接口（以太网和 Wi-Fi）、1 个低功耗 LAN 接口 （ZigBee）以及 4 个 PAN 接口（USB、蓝牙、蓝牙低能耗和 ANT）。

　　Wi-Fi

　　TI的WiLink 6.0 （WL127x） 解决方案（图3）是高度集成的 65 纳米技术，在真正意义上的单芯片上集成了 WLAN、蓝牙以及 FM 内核。WiLink 6.0 解决方案支持包括 802.11 a/b/g/n 和各种不同蓝牙技术在内的最新标准，该解决方案适用于智能电话以及其它电池供电设备等移动设备，可满足低功耗、高稳健性连接需求。

　　WiLink 6.0 配套提供现成的外部开关模式电源 （SMPS） 与前端模块。该前端模块包括 PA、平衡转换器以及三向射频开关。WiLink 6.0 解决方案是一款可使用特殊技术解决无线电共存问题的三路无线电设计。WLAN 和蓝牙集成时要特别注意，因为这两种技术使用的是相同的频带。一系列专利算法可解决该问题，可采用统一天线满足 WLAN 和蓝牙对 2.4-GHz 频带的共享需求。整体解决方案尺寸对移动设备而言有时非常重要，由于 WiLink 6.0 解决方案核心器件外形较小，从而可实现不足 80 毫米的总体尺寸。

图 3  WiLink 6.0 解决方案方框图

　　WiLink 6.0 解决方案配套提供综合软件套包，可满足器件核心功能的开发与集成需求，名为 MCP（移动连接套件）包括运行产品所需的所有相关软件内容。套件中提供的 WLAN 驱动器具有各种功能，支持（STA、AP、P2P）和相关连接管理功能、安全性（客户端接口）、服务质量，以及扫描与漫游支持等，并提供了针对最终用户应用的外接机制等。

　　TI 通过 LS Research 在经过全面认证的模块中提供了 WL127x。TiWi 模块是一款高性能 2.4-GHz IEEE 802.11 a/b/g/n 和 Bluetooth 2.1+EDR 无线电产品，采用预认证的低成本封装。该模块可提供通过 SDIO/WSPI 界面与主机处理器共同支持 WLAN 应用所需的 PHY/MAC 层。此外，模块还可通过 HCI 传输层提供蓝牙平台，WLAN 与蓝牙都使用相同的天线端口。

　　蓝牙技术

　　WL1271 上的蓝牙接口支持 Bluetooth 1.2 （1 Mbps） 和 Bluetooth 2.0 + EDR （2-3 Mbps）。采用开源 Blue-Z 协议栈是 OMAP3530 处理器和 AM3517 Linux 基础端口的一部分。图4显示了标准的蓝牙协议栈。

　　Continua PAN 接口需要称作 HDP（健康器件配置文件）的新配置文件，目前可通过开源方式集成，该配置文件在新增的 MCAP 抽象层上建立。由于蓝牙刚开始设计时并未考虑到采用低成本的钮扣电池，因此蓝牙 SIG 将推出一种新的衍生蓝牙标准，即蓝牙低能耗技术 （BLE）。

图 4  标准蓝牙协议栈

　　蓝牙低能耗技术

　　与蓝牙不同的是，蓝牙低能耗技术是一种无连接协议，可显着缩短无线电打开所需的时间，充分满足极低成本的低功耗无线连接应用的要求。蓝牙低能耗技术将为广泛的新市场提供蓝牙技术，包括医疗、体育健身、安全、移动及 PC 附件以及家庭娱乐等。

　　蓝牙低能耗技术将集成于现有的蓝牙芯片组，也就是提供双模支持，此外也可在单模式下仅以低能耗解决方案提供。在许多（不是全部）使用案例中，双模式器件用于手机、PC、汽车或其他对功耗要求不是很严格的设备，这些设备往往已经采用了蓝牙技术，或者需要添加蓝牙支持。

　　这些设备将支持现有的蓝牙产业环境（例如，手机支持免提耳机功能），而且通过双模式支持，还可实现单模式低能耗传感器与设备的连接。

　　单模式芯片将用于能耗要求非常严格的设备（例如，需要工作一年左右的纽扣电池设备），从而支持低功耗 RF 领域的不同市场与应用。

　　作为蓝牙低功耗技术领域的积极参与者和领导者，TI在 2010 年规范最终批准后不久就推出了单模式和双模式芯片。TI的BLE 单模式解决方案 CC2540 经过优化，可支持蓝牙低能耗技术。CC2540 可提供高达 5dBm 的输出功率和 - 93dBm 的接收灵敏度，具有高度灵活的存储器选项，并配套提供包括电源 5 通道 DMA、21 个 GPIO、2 个 USART、全速 USB 2.0、板载 AES 加密／解密引擎以及定时器等各种外设支持。CC2540 采用 40 引脚 6 x 6 QFN 封装，并支持闪存可编程性。

　　作为总体解决方案供应商，TI 不仅提供硬件，而且还提供全面符合标准的软件协议栈，以满足单模式蓝牙低能耗技术的需求，包括主从产品以及所有必要配置文件功能。该协议栈不但针对所有应用实现最佳性能进行了功率优化，还包含工具、应用代码示例、配置文件支持、驱动器、开发板、文档以及便捷开发单模式蓝牙低能耗解决方案所需的全部要素。

　　ZigBee 接口

　　ZigBee 医疗保健产品将用于多种不同环境，包括家庭、私人诊所、娱乐中心、退休社区以及幼儿园等。Continua Alliance 之所以选择 ZigBee，是因为该技术可满足电池供电低功耗设备的需求。低功耗传感和监控应用是 802.15.4 无线电最有优势的领域，其功耗更低，可为医疗设备延长电池使用寿命。

　　ZigBee 医疗保健 （ZHC） 技术工作组为早期技术采用者发布了 ZHC 应用配置文件。这一规范提供了不同厂商之间的互操作性。这种高稳健特性不但可使其能够与其他无线电协议共存，而且还可提供安全的低数据包故障率传输功能。CC2530 ZigBee 片上系统方框图如图5 所示。

图 5  CC2530 ZigBee 片上系统方框图

　　USB

　　AM 媒体及低功耗处理器都集成了能支持多达 3 个客户端的 USB，如图 6 所示的 PHDC 配置文件是 Continua 协议栈的重要组成部分。所需的 IEEE-11073 层可与 S3 或 Lamprey Networks 等合作伙伴产品共同实施。

图6  医疗设备配置文件

　　ANT

　　与蓝牙低能耗技术类似，ANT 也是一种无连接协议。ANT 上市已有一段时间，目前市场上有不少产品，主要用于体育健身。ANT 由私营企业中的小型团队开发，目标比较明确。ANT 协议栈比较小型化，具有可扩展性、高灵活性、明确的目标，经过市场实践验证，目前有数百万产品采用 ANT。

　　ANT+ 对 ANT 进行了扩展，可通过成员公司定义的公共配置文件支持互操作性，在利益相关方达成协议后 6 个月内就可实现互操作。作为一款专利协议，ANT 主要针对特定的解决方案，因此可降低功耗与复杂性。尽管 ANT 目前尚未通过 Continua 认证，但 TI 也提供 ANT 解决方案，不但支持市场上现有医疗设备的互操作性，同时还可支持未来引脚兼容的蓝牙低能耗设备。

　　电源管理

　　TPS65950 模拟配套芯片设计旨在同 OMAP35x 协同工作，该器件高度集成了降压转换器、低压降稳压器 （LDO）、充电器模块、具有数字滤波器的完整音频模块、输入放大器以及输出 D 类放大器。TPS65950 IC 可提供几种额外功能，包括高速 USB 物理层 （PHY） 收发器。功能包括：

　　● 系统时钟管理器

　　- 通过晶体或外部正弦波生成 32 kHz 时钟，可为整个系统提供数字方波形；

　　- 收集系统所有的高频时钟请求，将命令转发至系统时钟源；

　　- 对时钟源的高频时钟进行缓冲，向整个应用系统提供数字方波形。

　　● 上电与电源复位管理

　　- 按钮去抖动启动状态机制（主配置）；

　　- 控制 OMAP3530 处理器的复位释放；

　　- OMAP3530 处理器或用户发出指令时控制热复位步骤；

　　- 可控制辅助子系统的上电序列。

　　● 电源管理；

　　- 集成数个电源（DC/DC、SMPS 或 LDO 类型），可满足系统的电流与电压要求；

　　- 处理器电源配套产品，可为 OMAP3530 处理器提供所有必需的电源与电源管理功能（动态电压缩放、SmartReflex技术）。SmartReflex 技术通过专用高速跨集成电路 （I2C） 链接进行控制；

　　- 控制更多功率资源的激活（外部 LDO）。

　　● 系统管理

　　TPS65950 的工作模式和状态通过高速 I2C 配置接口的寄存器存取完全控制。此外，TPS65950 还可实施：

　　- 几个函数中断，能路由到一两个目标；

　　- 内外部信号监控，软件或硬件可发出模数转换请求；

　　- 数字权利管理的安全软件访问协议。

　　模拟

　　TFP410 是一款符合 DVI 1.0 标准的数字发送器（DVI AM 方框图如图7所示），支持 VGA 到 UXGA 的 24 位真彩像素格式显示分辨率。这种通用接口的优势包括：可选总线宽度、可调信号大小以及差动和单端时钟等。电压在 1.1V ～ 1.8V 之间调节的数字接口可提供低 EMI 与高速总线，与 12 位或 24 位接口实现无缝连接。如果系统中使用 LCD 显示屏，则应考虑 LCD 电源、LED 背光以及触摸屏控制器等问题。TSC2046 是一款具有 2.5V 片上参照电压的四线触摸屏控制器，可用作辅助输入、电池监控以及温度测量模式。TPS61042 是一款提供常量电流输出的高频率升压转换器，为 LCD 背光驱动白光 LED。

图 7  DVI AM 方框图