充分發(fā)揮未來可穿戴醫(yī)療設(shè)備的技巧

總有一天，可佩戴的便攜式醫(yī)療設(shè)備將在我們的日常生活中隨處可見。事實(shí)上，我們不會再將它們視為“設(shè)備”，而是更在意它們提供的各種服務(wù)。隨著無線連接的持續(xù)發(fā)展，以及醫(yī)療行業(yè)向門診服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變，設(shè)備開發(fā)者如果能夠提前預(yù)測到未來需求并充分加以利用，則將迎來真正的機(jī)遇。

當(dāng)然，設(shè)備開發(fā)者必須滿足非常嚴(yán)格的制造要求。可穿戴醫(yī)療設(shè)備必須外形小巧，能夠持續(xù)保持連接，并且具有較長的電池續(xù)航時間。它們將能在設(shè)備內(nèi)提供更多計(jì)算資源。市場競爭日趨復(fù)雜且日益激烈，而設(shè)備開發(fā)者必須在這樣的市場中生存下來。為了達(dá)到這個目標(biāo)，設(shè)備開發(fā)者必須構(gòu)建快速、靈活、輕巧而又具成本效益的平臺(圖 1)。

圖 1： 軟件平臺必須覆蓋所有非應(yīng)用程序特定代碼。

設(shè)備外形

可穿戴醫(yī)療設(shè)備分為兩大類：一次性設(shè)備以及可重復(fù)使用設(shè)備。一次性設(shè)備屬于相對較新的市場領(lǐng)域，由于這些設(shè)備的產(chǎn)品壽命相對較短，因此其發(fā)展較為快速。相反，可重復(fù)使用設(shè)備則要求更長的產(chǎn)品壽命和更高的安全性，以及很高的可靠性系數(shù)。

驅(qū)動一次性設(shè)備發(fā)展的模式是薄利高產(chǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，一次性設(shè)備必須讓資源最有限的處理器提供最多的功能。為了最大程度提高收入，設(shè)備開發(fā)者通常會針對最終用戶群體提供一系列產(chǎn)品，以價格換取功能。為產(chǎn)品的每項(xiàng)功能編寫應(yīng)用程序的做法不太合算。

因此，必須構(gòu)建一個通用軟件環(huán)境，既可支持單種應(yīng)用程序，也能夠在各種計(jì)算資源之間無縫遷移。此類環(huán)境必須能夠壓縮到最精簡的系統(tǒng)，它們通常只提供很少的存儲器資源，但能夠進(jìn)行擴(kuò)展以支持更加豐富的功能。

可重復(fù)使用設(shè)備市場向設(shè)備開發(fā)者提出了一系列不同的挑戰(zhàn)。設(shè)備制造商向市場提供的主要增值是最終客戶使用的處理器不再是臨時性質(zhì)的。半導(dǎo)體供應(yīng)商支持的設(shè)備生命周期存在很大差異。醫(yī)療行業(yè)客戶通常不希望產(chǎn)品更換周期達(dá)到十年甚至更長。要消除這種沖突，并且維持必要的應(yīng)用程序代碼生命周期以保持盈利，就要設(shè)計(jì)穩(wěn)定的編程 API，而不是特定的處理器設(shè)備。

連接選項(xiàng)

我們一直都有能力制造出足夠小巧、便于佩戴的設(shè)備。當(dāng)前設(shè)備與以往設(shè)備的區(qū)別在于是否能提供全球連接——包括直接連接到互聯(lián)網(wǎng)或云，或者連接到本地中間設(shè)備(可穿戴醫(yī)療設(shè)備與用戶的智能手機(jī)配對)，再通過中間設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種連接可能是間斷的(使用無線連接或臨時的有線連接)，也可能是持續(xù)的(使用某一種無線選項(xiàng))。

有線選項(xiàng)是成本最低的連接方式，但卻最不靈活。不過，對于低成本設(shè)備而言，它們?nèi)匀皇强尚械慕鉀Q方案。當(dāng)通過有線鏈路連接到可穿戴系統(tǒng)供應(yīng)商提供的另一部設(shè)備時，可以使用極其簡單的連接方法，例如 SPI 和 I2C。相反，當(dāng)連接到通用的計(jì)算設(shè)備時，則需要使用更為開放的標(biāo)準(zhǔn)，例如 USB。使用過這些不同連接方法的工程師知道，USB 和其他簡單連接方法的協(xié)議復(fù)雜性相差很遠(yuǎn)。連接選項(xiàng)很可能在設(shè)備生命周期內(nèi)變化，甚至在開發(fā)周期內(nèi)變化。操作環(huán)境應(yīng)該能夠最有效地將應(yīng)用程序?qū)优c底層連接方法隔離開。

然而，未來的可穿戴醫(yī)療設(shè)備的趨勢是使用無線連接方式。雖然 USB 是比 SPI 更加復(fù)雜的協(xié)議，但各種不同的無線連接選項(xiàng)遠(yuǎn)比 USB 復(fù)雜得多，特別是在涉及安全性時。無線連接方法包括近場無線電、藍(lán)牙/BLE、Wi-Fi，以及蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)(圖 2)。在這些無線連接方面，技術(shù)、協(xié)議和選項(xiàng)都在快速變化。更加重要的是，這些系統(tǒng)的成本也會發(fā)生變化，雖然在當(dāng)前看來，這些解決方案似乎過于昂貴，但在今后很可能成為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)哟a可以維持很長的生命周期時。

圖 2：無線連接選項(xiàng)豐富多樣而又在不斷變化。

實(shí)時操作系統(tǒng) (RTOS) 環(huán)境具有 SPI 級別接口，當(dāng)前能夠應(yīng)用于最精簡的設(shè)備中，并且能夠?qū)崿F(xiàn)向全蜂窩連接的遷移(無論是整個產(chǎn)品系列還是產(chǎn)品生命周期)，它們無疑能夠讓可佩戴醫(yī)療設(shè)備 OEM 廠商適應(yīng)可能出現(xiàn)的任何形勢。

電源要求

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的電池續(xù)航時間顯然是一大關(guān)鍵要素。對于人們隨身攜帶或佩戴的任何設(shè)備而言，重量始終都是一個倍受關(guān)注的指標(biāo)，而電池又是所有便攜式設(shè)備中的最笨重部件。最大程度地減少功耗可以延長電池續(xù)航時間，但對于整天甚至夜間都要使用設(shè)備的用戶來說，光做到這一點(diǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在大幅降低電源需求的同時，還要最大程度地減小電池尺寸。智能手機(jī)等設(shè)備采用特定尺寸的電池，由電池提供特定的電量。而這一參數(shù)通常是固定不變的，因此只需達(dá)到一定的電池充電續(xù)航時間，就能滿足客戶的需求。但可穿戴醫(yī)療設(shè)備并非如此。當(dāng)電池充電續(xù)航時間確定之后，必須不斷地降低功耗，因?yàn)槊看谓档凸亩寄苓M(jìn)一步減小電池尺寸和重量。

當(dāng)前的現(xiàn)代處理器提供了一系列有效的節(jié)能功能。遺憾的是，這些功能非常復(fù)雜，不僅功能之間通常具有很高的相互依賴性，而且其還要依賴與要實(shí)施的特定節(jié)能模式不相關(guān)的系統(tǒng)部件。例如，更改器件時鐘頻率會影響通信時鐘速率，即便通信外圍設(shè)備沒有更改它們的電源狀態(tài)也是如此。所有這些因素累加起來，也就讓應(yīng)用程序開發(fā)人員更加不堪重負(fù)，因?yàn)樗麄冊揪统袚?dān)了完成目標(biāo)應(yīng)用的重任。能否讓電池提供更高的電量，將決定設(shè)備在市場上的競爭力。設(shè)備開發(fā)者面臨著雙重壓力，既要讓軟件達(dá)到或超出應(yīng)用程序要求，又要兼顧項(xiàng)目的外圍設(shè)備的尺寸，這樣才能在市場上立足。

圖 3：功率優(yōu)化涉及到所有可穿戴設(shè)備元器件。

要解決這個問題，就需要在集成了電源管理功能并將其作為環(huán)境必不可少的一部分的軟件平臺上開發(fā)應(yīng)用程序(圖 3)。大部分大型通用操作系統(tǒng)都包括一系列非常先進(jìn)的電源管理功能;但是，這些操作系統(tǒng)在面向便攜式醫(yī)療設(shè)備的處理設(shè)備中并不能發(fā)揮作用。大部分實(shí)時操作系統(tǒng)都提供某種形式的電源管理，最常見的是 Tick 抑制，當(dāng)沒有計(jì)劃運(yùn)行的任務(wù)時，它將中斷內(nèi)核周期性定時器 Tick，直至下一個定時器事件。可穿戴設(shè)備需要其他更為復(fù)雜的方法，而這樣的方法在 RTOS 中非常罕見。目前只有Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS 可提供對所有器件節(jié)能功能的內(nèi)置支持，包括動態(tài)電壓頻率調(diào)整 (DVFS)，以及對外圍設(shè)備之間所有交互的外圍設(shè)備功率級別的完全控制和對內(nèi)核操作時鐘周期的完全控制(圖 4)。

圖 4： 結(jié)構(gòu)化電源框架優(yōu)化開發(fā)工作。

尺寸限制

為了適應(yīng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的物理外形參數(shù)，電子設(shè)備能夠容納元器件的空間很小，散熱能力也比較有限。散熱問題和功耗問題一直都是我們在努力解決的兩大問題。由于物理尺寸限制，導(dǎo)致我們通常選擇MCU 片上系統(tǒng) (SoC) 作為內(nèi)核處理引擎。雖然這些設(shè)備可以容納很多不同尺寸的外圍設(shè)備，但由于存儲器容量問題，我們無法控制存儲器的幾何形狀。每個應(yīng)用程序都需要更多存儲空間。而小型設(shè)備中的存儲器，包括易失性和非易失性存儲器，更是如此。設(shè)備開發(fā)者最不希望看到的就是應(yīng)用程序與 RTOS 爭奪資源。正是這個問題妨礙了通用操作系統(tǒng)進(jìn)入可穿戴醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。考慮采用某個 RTOS 時，它必須能夠在代碼和數(shù)據(jù)需求方面都壓縮到最小，以完美貼合 2K 精簡內(nèi)核，如此就更能夠在最為低端的設(shè)備領(lǐng)域中經(jīng)久不衰。這個 RTOS 還必須能夠擴(kuò)展，以運(yùn)行功能最全面的服務(wù)，例如蜂窩移動通信。如果做不到，設(shè)備開發(fā)者必須嘗試支持跨越多個操作系統(tǒng)環(huán)境的應(yīng)用程序。

實(shí)施與產(chǎn)品

有些人還記得，在 PC 革命興起初期，廣告商、營銷人員和科技雜志關(guān)注的焦點(diǎn)是時鐘速度、總線大小和其他技術(shù)細(xì)節(jié)?，F(xiàn)代設(shè)備的唯一判定標(biāo)準(zhǔn)是終端用戶體驗(yàn)。有些開發(fā)者在工程方面取得了重大突破，讓腕帶能夠運(yùn)行大量指令，這可能是在同行之間夸耀的資本，但并非決定性的因素。這就迫使設(shè)備開發(fā)者必須用最少的硬件提供最豐富的功能。無論是最小的存儲器、最慢的時鐘(設(shè)備限制或?qū)嶋H使用)，還是體積最小的電池，工程師都能夠在設(shè)備中(很多情況下是一次性設(shè)備)提供神奇的功能。

結(jié)論

當(dāng)今的市場需要更為復(fù)雜多樣、物超所值而又先進(jìn)的底層硬件，要在這樣的市場上生存下來，應(yīng)用程序必須在功能強(qiáng)大且非常靈活的平臺上運(yùn)行。這種平臺必須非常精簡，同時還能夠優(yōu)化特定硬件特性。這種平臺不再完全取決于處理架構(gòu)或外圍設(shè)備集合，還要取決于它為開發(fā)者提供的編程環(huán)境。滿足這些條件的標(biāo)準(zhǔn)平臺，例如 Windows、Android、iOS、Linux 等操作系統(tǒng)，超出了最低硬件要求的底限。一旦超出這些底限，則無法滿足可穿戴醫(yī)療設(shè)備在價格、電源和物理限制方面的要求。因此，我們需要具有高適應(yīng)性和可擴(kuò)展性的 RTOS 環(huán)境，用以取代裸機(jī)系統(tǒng)，滿足對功能全面的低端操作系統(tǒng)的需求。