胰島素泵的設(shè)計(jì)

　　第2部分：RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)和EEPROM(電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)

　　我們可以使用SoC的內(nèi)部RTC模塊在內(nèi)部EEPROM中存儲(chǔ)當(dāng)前日期和時(shí)間。這樣即使設(shè)備斷電也可以存儲(chǔ)日期和時(shí)間。系統(tǒng)還可以存儲(chǔ)儲(chǔ)存器/儲(chǔ)存盒需要進(jìn)行重新灌注時(shí)的日期和時(shí)間(因?yàn)橄到y(tǒng)知道胰島素泵入人體的速度，所以可以確定此信息)，以及儲(chǔ)存器的容量。系統(tǒng)還可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警器(即由內(nèi)置DAC驅(qū)動(dòng)的喇叭)，用以指示儲(chǔ)存器何時(shí)耗盡。

　　如上所述，系統(tǒng)需要了解何時(shí)將電機(jī)切換至適于單次劑量模式的速度，以及何時(shí)將電機(jī)切換至適于基準(zhǔn)劑量模式的速度。為此，可將PSoC 3和5中的計(jì)數(shù)器模塊與極低頻率的時(shí)鐘源(大約1 Hz)一起使用。1 Hz時(shí)鐘來(lái)自用于驅(qū)動(dòng)RTC 的32.768晶體。

　　第3部分：避免路徑堵塞

　　作為安全預(yù)防措施，應(yīng)監(jiān)控胰島素是否正常注入體內(nèi)或者是否出現(xiàn)路徑堵塞的情況，這一點(diǎn)非常重要。例如，如果插入針頭的位置出現(xiàn)血塊或組織發(fā)育，并阻止了胰島素流入，則儲(chǔ)存盒內(nèi)的壓力會(huì)增加。我們可以用壓力傳感器(硅壓力傳感器位于注釋[5]中)圍繞套管，并將輸出結(jié)果反饋至處理器。與應(yīng)變儀傳感器類似，壓力傳感器可以將壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻變化。為了檢測(cè)電阻變化，傳感器可以放置在惠斯登電橋上，用以生成差分電壓，并將該電壓送到SoC進(jìn)一步處理。

　　同樣，進(jìn)入人體的胰島素必須保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)以免變質(zhì)?？衫门cSoC連接的傳感器(如熱敏電阻)監(jiān)視儲(chǔ)存器或套管中胰島素的溫度得以實(shí)現(xiàn)。

　　最后，分別來(lái)自壓力傳感器和溫度傳感器的兩個(gè)模擬輸入被送入SoC，并通過(guò)集成式ADC監(jiān)視其當(dāng)前狀態(tài)。例如，PSoC 3和5具有高精度的模擬前端執(zhí)行此操作，具有最高20位的分辨率，并可通過(guò)相同ADC進(jìn)行多路信號(hào)復(fù)用。產(chǎn)生的信號(hào)值可以與存儲(chǔ)的閾值相比較，以檢測(cè)是否存在堵塞(當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)超出閾值時(shí))或者胰島素是否變質(zhì)(當(dāng)熱敏電阻讀數(shù)超出閾值)。當(dāng)出現(xiàn)堵塞時(shí)，SoC會(huì)發(fā)出警報(bào)或閃爍LED燈。當(dāng)電池電量耗盡時(shí)，該警報(bào)也會(huì)出現(xiàn)。

　　第4部分：便攜式設(shè)備的電源管理

　　便攜式醫(yī)療設(shè)備所使用的堿性電池(不可充電)的電壓一般為1.5V。SoC的內(nèi)部升壓調(diào)節(jié)器可以將電壓提升至運(yùn)行SoC所需的水平，這里PSoC 3/5所需的電壓為1.8 V。該升壓調(diào)節(jié)器甚至可以將電壓從0.5 V提升至1.8 V。如果使用可充電電池，則推薦使用鋰電池。

　　因?yàn)閷?duì)于這種手持便攜式設(shè)備，能耗在高效運(yùn)行中起著重要作用，這就意味著電池不能經(jīng)常充電或更換。因此，SoC需要支持多種低功率模式，包括設(shè)備在不使用時(shí)進(jìn)入睡眠/休眠狀態(tài)，以避免耗費(fèi)電池電量。

　　PSoC 3和5提供被稱為交替活動(dòng)模式的附加低功率模式，即當(dāng)CPU關(guān)閉時(shí)某些數(shù)字和模擬模塊仍然運(yùn)行。這種結(jié)構(gòu)下，胰島素泵在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間里都不需要CPU工作。這意味著只有在切換單次劑量和基準(zhǔn)劑量模式時(shí)才需要CPU運(yùn)行(中斷操作)。

　　第5部分：顯示屏和輸入/輸出接口

　　如果單次劑量和基準(zhǔn)劑量的持續(xù)時(shí)間需要更改，或者固定時(shí)間段內(nèi)的濃度需要更改，則無(wú)需重新設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)。用戶只需按按鈕即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)。賽普拉斯提供的這種觸摸感應(yīng)解決方案是PSoC內(nèi)置的一種功能，其可以取代目前還在使用的傳統(tǒng)機(jī)械按鈕。由于可以直接控制高質(zhì)量圖形或分段LCD圖像，因此顯示器不僅可用于顯示當(dāng)前狀態(tài)和下次灌輸時(shí)間等信息，還可以在LCD顯示屏頂部出現(xiàn)一個(gè)電阻式觸摸屏，以便作為用戶界面使用。

　　第6部分：USB功能：

　　胰島素泵可利用USB等通訊端口與電腦對(duì)話，以便記錄胰島素注射時(shí)間和劑量持續(xù)時(shí)間等重要信息。還可以通過(guò)USB端口用電腦為設(shè)備的電池充電。

　　其他方面：

　　從以上內(nèi)容可以看出：

　　1. 每種堵塞感應(yīng)方法(壓力傳感器、溫度傳感器等)都需要高精度的模擬前端 (AFE)。傳統(tǒng)的MCU需要多個(gè)分立部件才能進(jìn)行必要的輸入測(cè)量，這會(huì)增加系統(tǒng)尺寸和成本，相比之下，SoC具有集成式模擬前端，支持將多種不同的傳感器與CPU相連。

　　2. 胰島素泵是由電池供電的設(shè)備，因此有效功耗和睡眠電流是要重點(diǎn)考慮方面。另外，傳統(tǒng)MCU的運(yùn)行電壓較高，而電池的輸入電壓比運(yùn)行MCU所需的電壓低，因此需要提高電壓。SoC架構(gòu)的高集成性正好解決了這些問(wèn)題。

　　3. 胰島素泵通過(guò)顯示器顯示當(dāng)前狀態(tài)。處理器模塊支持LCD直接驅(qū)動(dòng)或LCD控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4. 胰島素泵需要使用存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)劑量歷史以及一些用于后期對(duì)比的閾值。因此，需要具備EEPROM或者其他永久性存儲(chǔ)技術(shù)，而且最好與處理器或SoC整合。

　　5. 串行通訊接口(例如USB)支持定期將數(shù)據(jù)錄入電腦中。

　　6. 觸摸屏用戶界面提供了更加直觀、簡(jiǎn)單的界面。另外，取消了容易老化的機(jī)械按鈕。

　　7. 需要適當(dāng)?shù)碾娐穪?lái)控制電機(jī)，通過(guò)電機(jī)推進(jìn)活塞并將胰島素注入人體。

　　8. 某些胰島素泵還需要了解當(dāng)前體內(nèi)的血糖狀態(tài)以調(diào)節(jié)流速。傳統(tǒng)的MCU不適用于這種閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)槠湫枰渌獠磕MIC才能實(shí)施。相比之下，SoC中的元件能夠以低成本的方式創(chuàng)造閉環(huán)系統(tǒng)。

　　參考資料：

　　[1]《電子設(shè)備在醫(yī)療應(yīng)用中的重要性》第一章： http://www.eetimes.com/design/medical-design/4407326/Electronics-in-medical-apps-Part-I--Fertility-monitor-design-?Ecosystem=medical-design.
　　[2] FDA針對(duì)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)方面的規(guī)定： http://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/Standards/default.htm.
　　[3]《應(yīng)用PSoC的血糖監(jiān)視器》： http://www.cypress.com/?rID=43661&source=header
　　[4]《使用SoC設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)》：http://www.embedded.com/design/mcus-processors-and-socs/4405205/1/Trade-offs-between-programmable-SoCs-vs--dedicated-MCUs-in-motor-control.
　　[5] 硅壓力傳感器：http://www.mouser.com/catalog/645/usd/2049.pdf