隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，消費(fèi)類、便攜式醫(yī)療設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)大，越來(lái)越完善，極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性、連接性和易用性，同時(shí)保證了用戶健康信息的安全性，價(jià)格也合理。

這些全新的高級(jí)功能需要更強(qiáng)的處理能力、安全性和連接性。日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性也要求固件/軟件代碼擴(kuò)展，反過(guò)來(lái)不僅增加了代碼，而且還提升了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器需求。這些增強(qiáng)功能，增加了系統(tǒng)的功耗預(yù)算，矛盾的是，緊湊外型的便攜式醫(yī)療設(shè)備要求超長(zhǎng)電池壽命，需要降低功耗。

 

系統(tǒng)架構(gòu)師面臨的首要挑戰(zhàn)是，確定合適的片上系統(tǒng)（SoC）或MCU作為系統(tǒng)的核心。它必須能夠提供所需的性能，還要降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗預(yù)算。此外，外部存儲(chǔ)器、傳感器和遙測(cè)接口等外設(shè)也要考慮進(jìn)來(lái)，因?yàn)橥庠O(shè)性能不佳，可能對(duì)系統(tǒng)總體性能產(chǎn)生負(fù)面影響，抵消高性能內(nèi)核的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。外設(shè)的性能必須與SoC/MCU的性能相當(dāng)，還必須能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的外型和高效的能量供應(yīng)。

 

SoC/MCU通常集成兩種類型的存儲(chǔ)器：閃存和SRAM。閃存是一種寫(xiě)入相對(duì)緩慢的非易失性存儲(chǔ)器，支持有限的寫(xiě)入周期數(shù)。它用于保存固定或緩慢變化的數(shù)據(jù)，如應(yīng)用代碼、系統(tǒng)信息和/或后處理的用戶數(shù)據(jù)日志。相比之下，SRAM是一種快速訪問(wèn)的易失性存儲(chǔ)器，提供無(wú)限的寫(xiě)入周期耐久度。它用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

 

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，包括多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)和算法的復(fù)雜代碼也隨之增加，片上存儲(chǔ)器內(nèi)存容量可能不足。因此，便攜式醫(yī)療系統(tǒng)通常需要額外的存儲(chǔ)空間，以便設(shè)計(jì)人員使用外部存儲(chǔ)器來(lái)增加內(nèi)部存儲(chǔ)器的空間。圖1所示的原理圖顯示了醫(yī)療刺激裝置如何使用外部存儲(chǔ)器來(lái)支持高級(jí)功能。

圖1：使用外部存儲(chǔ)器來(lái)支持高級(jí)功能的醫(yī)療刺激裝置原理圖

低功耗外部存儲(chǔ)器可用于RAM擴(kuò)展，通常是具有極低工作電流和待機(jī)電流的SRAM。非易失性存儲(chǔ)器的主要選項(xiàng)包括串行閃存、EEPROM、MRAM和F-RAM。串行閃存具有低成本和高密度的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于非易失性程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展。

然而，閃存的能耗較高，極大地降低了電池供電設(shè)備的工作壽命。為了節(jié)約能源，一些應(yīng)用將部分閃存替換成EEPROM。然而，這種方法仍然對(duì)電池不利，尤其是在涉及對(duì)EEPROM的大量寫(xiě)入操作時(shí)。此外，這種方法還使應(yīng)用代碼設(shè)計(jì)復(fù)雜化。磁阻RAM（MRAM）具有無(wú)限寫(xiě)入耐久度，是非易失性存儲(chǔ)器的另一種替代方案。然而，MRAM的工作電流和待機(jī)電流非常高，并且易受磁場(chǎng)的影響，會(huì)損壞存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此，MRAM不能用于電池供電的醫(yī)療設(shè)備。

F-RAM的效率與可靠性

在便攜式醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中，與EEPROM和閃存等其他非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)相比，鐵電RAM（F-RAM）具有以下幾大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

1、高寫(xiě)入周期耐久度

EEPROM和閃存寫(xiě)入周期耐久度有限，而一些醫(yī)療設(shè)備需要可靠地存儲(chǔ)隨時(shí)更新的數(shù)據(jù)日志。閃存的耐久度水平為1E+5， EEPROM的耐久度水平是1E+6。相比之下，F(xiàn)-RAM的寫(xiě)入周期耐久度是1E+14（100萬(wàn)億），高出EEPROM和閃存若干個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的耐久度使設(shè)備能夠記錄更多的數(shù)據(jù)，無(wú)需執(zhí)行復(fù)雜的損耗均衡算法，無(wú)需提供過(guò)多的額外容量。

2、低功耗運(yùn)行

與閃存或EEPROM等存儲(chǔ)器件相比，F(xiàn)-RAM的工作能耗低幾個(gè)數(shù)量級(jí)（參見(jiàn)表1）。將它與即時(shí)非易失性相結(jié)合，有助于延長(zhǎng)電池使用壽命。利用低功耗待機(jī)模式，設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步優(yōu)化功耗。例如，賽普拉斯推出的Excelon F-RAM可支持三種低功耗待機(jī)模式，分別是：待機(jī)模式、深度待機(jī)模式和休眠模式。將上述待機(jī)模式實(shí)施到應(yīng)用中，與功耗較低的工作模式相結(jié)合，可以將功耗降低大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3、即時(shí)非易失性

即時(shí)非易失性是F-RAM技術(shù)的另一大重要特征。EEPROM和閃存需要額外的頁(yè)面編程/頁(yè)面寫(xiě)入周期，增加了系統(tǒng)寫(xiě)入操作的時(shí)間。F-RAM的即時(shí)非易失性允許便攜式和植入式醫(yī)療系統(tǒng)以及其它的電池供電系統(tǒng)完全關(guān)閉電源，或更快地將系統(tǒng)切換至低功耗待機(jī)模式。工作時(shí)間的縮短和工作電流的減小，可顯著延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池使用壽命。此外，在有精確時(shí)序要求的應(yīng)用中，它們還有助于增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性，因?yàn)樗粦峙码娫垂收稀?/span>

4、可靠性提高

可靠性對(duì)于醫(yī)療設(shè)備至關(guān)重要。F-RAM單元對(duì)包括X射線和伽瑪輻射在內(nèi)的各種輻射具有高度的耐受性。F-RAM還對(duì)磁場(chǎng)免疫，從而確保記錄的數(shù)據(jù)安全可靠。此外，F(xiàn)-RAM器件（如賽普拉斯的Excelon LP）還提供片上錯(cuò)誤校正碼（ECC）技術(shù)。ECC可以檢測(cè)并糾正每個(gè)64位數(shù)據(jù)字中的單個(gè)位錯(cuò)誤，從而提高關(guān)鍵系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。與此同時(shí)，F(xiàn)-RAM還支持受控峰值電流（即浪涌電流控制≤1.5mA)，以防止電池過(guò)度放電，幫助系統(tǒng)可靠運(yùn)行，并延長(zhǎng)電池使用壽命。

5、緊湊的外型

F-RAM可以采用節(jié)省空間的封裝。例如，賽普拉斯的Excelon LP密度高達(dá)8Mb，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8引腳SOIC封裝和微型8引腳GQFN封裝，吞吐量最高可達(dá)50MHz SPI I/O和108MHz QSPI（Quad-SPI）I/O。

高輻射耐受性、數(shù)據(jù)可靠性、低功耗和緊湊的外型這些關(guān)鍵特性，使得F-RAM成為便攜式和植入式醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。

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