德州仪器MSP430FR59的便携式无线医疗健康监测电路设计
本文探讨了便携式医疗系统中无线监控的挑战性要求。在设计高可靠性医疗设备时需要权衡各种工程环节，从超低功耗收发器和各种协议，到高效电源管理和传感器接口。便携式医疗器件的开发人员和用户越来越要求增强连接性、延长电池寿命，因此安全性正成为关键问题
目前有多种应对方式，包括在智能蓝牙等协议中增加安全特性，以使家庭监控更加安全。
IMS Research 预测，纽扣电池供电型医疗器件中使用的智能蓝牙将成为未来几年的热门，仅 2016 年的系统发货量就能超过 470 万套。智能蓝牙中有三分之一以上将提供无线连接，部分程度上是由于连接安全性的推动作用这说明了设计安全性和可靠性、微控制器、无线收发器之间的紧密联系，以及不同因素之间的平衡。
智能蓝牙越来越受欢迎，它可将智能手机用作便携式医疗器件的接口。手机发送的数据既可在本地处理，也可通过蜂窝网络或本地 Wi-Fi 网络发送到云端进行存储和分析。如此一来，对设备设计人员的要求显著降低了，但确保数据在传输链中的安全性变却得愈发重要，传输链中的智能蓝牙应用尤其流行。
其中一种方式便是使用蓝牙技术联盟 (SIG) 开发的 Health Device Profile (HDP)。此方法可优化电池较低漏极的无线链接性能，而且针对特定应用增加了多种格式，尤其是医疗设备。这意味着医疗产品设计人员可以根据特定应用选择相应的规范，从而降低存储器和电源开销。HDP 支持医疗和健身应用，如体温测量、血压、体重计、血糖、脉搏血氧饱和度、心率、计步器、速度、距离、周期节奏、简单遥控和电池状态。
除数据安全外，智能蓝牙还增加了隐私保护，尤其是当用户在进行户外活动时。这限制了通过频繁改变的器件随机地址追踪传输器件的能力。
在电子医疗记录和远程医疗日益盛行的趋势之下，医疗从业人员同样有职责像保护传统纸质记录那样，保护患者医疗记录，维护患者治疗隐私。由于电子文档更容易被复制和传播，电子文件、图像、音频和视频的存储需要更高层次的安全。因此，在开发任何便携式医疗器件时需要认真考虑数字安全问题。
TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用铁电存储器 (FRAM) 实现低功耗存储，在与无线产品结合时，通过智能蓝牙个人保健器件类 (PHDC) 协议，能用于血压监视器、血糖仪、体重秤、脉搏血氧计等。
将传统蓝牙的 AES 加密技术应用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中，以便保持尽可能低的功耗。256 位 AES 引擎可用于 128、196 和 256 位密钥，并且不同类型的加密方式对应不同的 DMA 支持，如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。这样可将数据直接传输到 AES 引擎上，无需使用无线收发器的中央内核，进而降低功耗。
收发器连接也尽可能保持低功耗，带有 12 位模数转换器 (ADC)，200 ksps 时耗电 75 μA，支持最多八通道差分输入。每个输入还有窗口比较器功能，可以简化数据比较，以便仅捕获显著改变，从而进一步降低医疗应用的功耗。
让无线固件更容易更新，为时间敏感的数据存储提供更快速的响应，控制器中的 FRAM 存储器可由此节省 12-15% 的电池寿命。此外，FRAM 续航时间长，不需要外部 EEPROM，因为代码存储在内部，所以设计更加安全，并可降低功耗、物料清单和制造复杂度。器件还包括 IP 防护、器件 ID、篡改检测和安全数据记录，以进一步保护无线系统中运行的数据。
超低功耗模式对此类型的设计也至关重要，该平台可支持七种低功耗模式，可在 6 μs 内快速唤醒。
这些微控制器用于配合无线收发器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541 蓝牙收发器。包括名为 BLE 堆栈的免费固件，它能实现便携式设计的空中 (OTA) 下载，让升级更加容易。控制器、主机和应用处理器全部集成到一个 6 mm x 6 mm 的封装中。收发器 18.5 mA 传输电流的低功耗设计意味着，它能靠单颗纽扣电池工作一年以上。
Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。这是一款全集成无线电收发器和智能蓝牙基带处理器。它可用作独立应用处理器，或者作为带有单独微控制器的托管型系统的数据泵。
DA14580 支持存储蓝牙规范和自定义应用代码的灵活存储架构，可以通过 OTA 更新。智能蓝牙协议堆栈存储在专门的 ROM 中，通过简单调度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 处理器上运行。
智能蓝牙固件包括 L2CAP 服务层协议、安全管理器 (SM)、属性协议 (ATT)、通用规范 (GATT) 以及通用访问规范 (GAP)，128 位 AES 加密处理器支持这些协议，可确保数据流安全。
为了简化设备设计，收发器一端直接连接天线，另一端有链路层专用加速器，可提供 93 dB 链路预算。设计中的所有 RF 代码块均通过片载低压差稳压器 (LDO) 提供，可按代码块编程，并经过最小功耗优化。
DA14580 搭载 Dialog 的 SmartSnippets 蓝牙软件平台，包括符合要求的片载智能蓝牙单模式堆栈。其配有各种消费者健康、运动、健身、安全和近端应用的标准智能蓝牙规范，其它用户规范可以轻松开发并加入到堆栈中。SmartSnippets 软件开发环境是基于 Keil 的 uVision 工具，其中包括嵌入式和托管模式的范例代码。
编辑：ls 最后修改时间：2023-03-27
