可穿戴醫療設備選基于wi-fi模塊的電路設計解決方案優(yōu)勢

　　連接技術(shù)正經(jīng)歷著(zhù)爆炸式發(fā)展，給人們的健康和保健帶來(lái)深遠影響。對于入門(mén)者來(lái)說(shuō)，醫療設備已不必再把病人禁錮到醫院病床上，或者甚至是一臺醫療設施中;醫生現在可遠程監控放置在病人身上的設備，即使在飛機上也能進(jìn)行調整。

　　這種進(jìn)步在很大程度上歸功于手機、電腦、可穿戴外設和個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的不斷融合。從經(jīng)濟角度來(lái)看，具有成本意識的保險公司正大力推動(dòng)可穿戴醫療設備，因為對即將發(fā)生的情況提前進(jìn)行探測和預測能夠減少病人的治療費用。

　　本文介紹利用現成Wi-Fi模塊進(jìn)行可穿戴醫療設備的原型開(kāi)發(fā)。這些設備可以加快實(shí)際醫療傳感器和電路的開(kāi)發(fā)，并在需要時(shí)作為OEM解決方案，或者如果用作參考設計，在產(chǎn)品發(fā)布前將其吸納到電路板中。

 

　　為什么選基于wi-fi模塊?

　　在PAN中有多種相互競爭的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)協(xié)議可供使用。無(wú)線(xiàn)解決方案包括Wi-Fi、ZigBee、藍牙、ANT+、6LoWPAN和Z-Wave。雖然這些協(xié)議都具有諸如功耗更低、協(xié)議復雜性和開(kāi)銷(xiāo)更小、流量更少等實(shí)實(shí)在在的競爭優(yōu)勢，但鑒于多方面的原因，Wi-Fi在占領(lǐng)醫療設備市場(chǎng)上處于最有利的地位。

　　其中一個(gè)原因就是相比其它幾個(gè)協(xié)議，Wi-Fi部署極為廣泛?，F在，咖啡廳、飯店，甚至是公共場(chǎng)所都安裝了Wi-Fi，這對于需要通過(guò)公共基礎設施直接連接云和專(zhuān)業(yè)醫療人員的醫療設備來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)理想的連接通道。采用可穿戴醫療設備時(shí)，這種直接通道在可穿戴主機電腦故障時(shí)可用作備用通道。

　　另一個(gè)原因是所有智能手機都普遍地支持Wi-Fi。也就是說(shuō)，智能手機已成為可穿戴設備的計算和通信功能聚合器，為我們的醫療設備提供了一條通過(guò)3G/4G/5G等服務(wù)連接云的低功耗、不間斷鏈路。

　　另外，Wi-Fi具有基本的安全和加密功能。除了不希望任何人截取您的醫療數據或者入侵您的心臟起搏器外，例如采用IPv6時(shí)就會(huì )有足夠的IP地址用于唯一地識別每個(gè)人的設備。尋址已不是問(wèn)題。

　　最后，目前有多種很好的現成Wi-Fi解決方案可直接用在芯片和模塊化形式的產(chǎn)品中。這樣，您就能充分利用這種技術(shù)，而不必深陷于技術(shù)本身的各種錯綜復雜的深奧理論中?，F已有各種現成的樣例方案、代碼、布局和應用支持。

 

　　醫療設備考慮模塊

　　對于設計人員來(lái)說(shuō)，把一個(gè)參考設計復制、粘貼到PCB上似乎是相當瑣屑的事情。畢竟這些設計的制造、測試和特征化過(guò)程已完成。會(huì )出現什么問(wèn)題?

　　然而在現實(shí)世界中，因為影響RF性能的因素如此之多，所以即使是RF芯片制造商也可能不得不對其PCB演示板和開(kāi)發(fā)板進(jìn)行多次迭代處理。此外，欲使PCB通過(guò)測試就需要經(jīng)過(guò)耗時(shí)、費錢(qián)的認證過(guò)程，每一次與RF無(wú)關(guān)的改動(dòng)都可能導致需要重做PCB的風(fēng)險。這會(huì )極大提高成本和風(fēng)險，延長(cháng)產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　為原型開(kāi)發(fā)和初始生產(chǎn)指定模塊是一個(gè)不錯的選擇。這些模塊最初提供FCC、TUV認證以及多個(gè)特定頻率，以求全球適用。此外，可對這些模塊進(jìn)行測試，也可拋開(kāi)其它系統元件對其單獨開(kāi)發(fā)。這樣，尤其在因為各種材料非?？拷炀€(xiàn)而影響RF性能時(shí)，您就能測試外殼、間距、元件放置情況以獲得最高性能。

　　使用模塊的最大優(yōu)勢之一是能夠同步進(jìn)行設計。在RF模塊進(jìn)行幕后開(kāi)發(fā)的同時(shí)，即可進(jìn)行主應用的設計、原型開(kāi)發(fā)和測試。這會(huì )減輕一些壓力，因為即使初期產(chǎn)品生產(chǎn)也可利用OEMWi-Fi模塊進(jìn)行，且這些模塊的成本非常合理。

 

　　發(fā)現模式

　　數據速率有助于確定哪種模塊最適合您。不是每一種應用都需要高速和大量電力。我們以支持11-Mbit/標準的MikroElectronika3.3V通用型MIKROE-1135Wi-Fi模塊為例。這種集成式PCB板天線(xiàn)的覆蓋距離為400m，且固件編碼式協(xié)議棧允許您的嵌入式微處理器通過(guò)標準UART與其通訊。這種咬接安裝式模塊可插入插座中，方便快速升級和裝配(圖1)，同時(shí)配備參考示意圖和代碼樣例。MikroElectronika還提供其模塊化Click™系列的其它RF模塊。

　　H&DWireless的HDG104-DN-2增加了54Mbit/s數據速率支持能力，是一款同時(shí)支持和g協(xié)議的模塊。工作電壓為，整個(gè)模塊采用類(lèi)似于QFN44引腳SMT芯片的封裝，所占電路板面積僅。

　　該模塊的一個(gè)亮點(diǎn)是不需要進(jìn)行RF調整，且設備利用已分配的MAC地址經(jīng)過(guò)預校準。該模塊基于具有內部導引ROM的AtmelAVR處理器，可從主機系統獲取一個(gè)40MHz時(shí)鐘(或者如果為其增加一個(gè)本地振蕩器，可提供一個(gè)同樣的時(shí)鐘)，以使主機系統與所有必要的內部微處理器和RF頻率同步。該模塊還可為低功耗模式采用時(shí)鐘，這種情況下采用軟關(guān)斷段模式時(shí)的功耗為15mW。該器件確實(shí)使用一個(gè)外部天線(xiàn)并通過(guò)SPI進(jìn)行串行通訊。該器件還具有數字式I/O(圖2)。

　　TexasInstruments也提供了一些可直接使用的54Mbit/sWi-Fi模塊，如WL1831MODGBMOCT模塊，這些模塊組合了Wi-Fi/g/n收發(fā)器與藍牙收發(fā)器。該模塊屬于WiLink™系列，基于TI的Sitara微處理器，并預先將支持Linux、Android、Wi-Fi和藍牙的堆棧和軟件與AM335x開(kāi)發(fā)套件集成在一起。

　　其它幾個(gè)可以直接使用的競爭產(chǎn)品如Microchip的RN171XVS-I/RM通用型54Mbits/sWi-Fi模塊、采用表面貼裝電路板的54Mbit/sH&DSPB800-BCP1。此處最值得注意的是，能使具有UART或RS-232連接功能的任何設備以無(wú)線(xiàn)方式連接互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)。

 

　　速度更快

　　Murata推出一款稍快的器件——數據速率為65Mbit/s的TN型/g/n和藍牙組合模塊LBEE5ZSTNC-523。Murata還有一個(gè)能將醫療設備與藍牙以及甚至是與900MHz無(wú)線(xiàn)電連接的RF模塊，可實(shí)現更大的覆蓋范圍和更強的穿墻能力(圖3)。

　　Inventek提供一款很吸引人的UART饋入式ISM43362-M3G-L44-E-C2..2模塊，用于/g/nWi-Fi且帶有微帶天線(xiàn)，也能連接外部天線(xiàn)(圖4)。該器件也可進(jìn)行簡(jiǎn)單的串行通訊，但憑借多個(gè)SPI、UART和USB端口，該器件本身就可作為一個(gè)微型集線(xiàn)器(注意，也可作為模塊上的A/D轉換器，用于混合信號功能)。

　　BlueGiga有一個(gè)WF111和WF121Wi-Fi模塊系列，這些器件帶或不帶外部天線(xiàn)，如72Mbit/sWF111-E帶外部天線(xiàn)，而WF121-A采用內部天線(xiàn)。擁有更快的數據速率，達到了150Mbit/s，是一款采用外部天線(xiàn)的通用型/g/n/模塊。集成式RT3070單芯片解決方案使用接口，集成了一個(gè)150Mbit/s的PHY，且完全符合草案和特性集要求。請注意，為使該零件發(fā)揮全部性能，需要采用300或400-MIPS進(jìn)程進(jìn)行充分驅動(dòng)。到目前為止，32位ARM和x86架構已利用該模塊通過(guò)測試，就像64位x86處理器一樣。

　　總結

　　醫療設備方案服務(wù)商在病人使用和醫生使用的健康產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域是專(zhuān)家，但未必同樣精通無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。這就是為什么模塊化解決方案能讓這些制造商更輕松地設計其無(wú)線(xiàn)版醫療傳感器或治療系統。在一個(gè)團隊在努力開(kāi)發(fā)最優(yōu)醫療解決方案同時(shí)，另一個(gè)團隊就可開(kāi)發(fā)必要的低成本RF鏈路。這樣就能提供一個(gè)風(fēng)險最低、成本可能更低且更快速面市的解決方案，在需要重復進(jìn)行FCC認證測試時(shí)尤其如此。