CC BY
371041
компоненты
микроконтроллеры
Применение процессоров с архитектурой ARM
в современной медицине
Сергей КОПЫТИН
tools@microcontroller.ru Михаил МАРКОВ
info@microcontroller.ru
Все возрастающая роль электроники в медицинском оборудовании привела к увеличению расходов на здравоохранение, но в то же время улучшилось и качество оказания медицинской помощи. Благодаря встроенным функциям, многочисленным интерфейсам и примерам специализированных приложений процессоры на базе архитектуры ARM получили большое распространение и значение в медицинском секторе рынка.
В современных условиях разработчики сложных медицинских устройств сталкиваются с рядом серьезных проблем, среди которых наиболее критичными являются ограничения в сроках разработки и продвижения на рынок новых продуктов, вопросы оптимизации стоимости конструкции, значительный рост требований к функциональности. К этому следует добавить очень актуальное требование к современным мобильным и стационарным устройствам — низкое энергопотребление.
Существует несколько общих для всех медицинских устройств функций: информация о результатах исследования должна быть записана, преобразована, проанализирована и отображена.
Строгие требования к современным медицинским устройствам
Кардиомониторы должны контролировать все жизненно важные параметры, такие как частота сердечных сокращений, ЭКГ, насыщение крови кислородом и температура тела человека. Также крайне важно, чтобы мониторинг параметров мог быть настроен для каждого пациента в зависимости от наблюдаемых у него симптомов.
В современных устройствах все это может быть сделано непосредственно с помощью встроенного сенсорного экрана или, к примеру, через сеть (дистанционное управление). Такая функциональность повышает качество управления диагностикой, улучшает уровень комфорта для пациента, а также экономит время, что в свою очередь может спасти жизнь человека в экстренной ситуации.
Данные мониторинга часто необходимо отправлять в головной офис, а доступ к ним нужно осуществлять из разных мест. Они долж-
Рис. 1. Блок-схема устройства для мониторинга состояния пациента
ны быть сохранены и защищены в течение определенного периода времени. Эти критически важные функции устройства должны быть гарантированно исполнены вне зависимости от условий его эксплуатации в каждой конкретной ситуации, например при транспортировке больных или во время перебоев в подаче электроэнергии.
В некоторых системах устанавливают портативные модули мониторинга, которые способны передавать данные измерений состояния пациентов в случае тревоги, но они не имеют той расширенной функциональности, которая есть в отдельных устройствах.
Все приведенные примеры демонстрируют обширность и сложность требований к аппаратному и программному обеспечению (рис. 1). Чтобы реализовать названные функции за разумную цену, необходим процессор с нужным количеством функциональных блоков. А его использование в переносных мобильных устройствах добавляет ключевое требование — энергоэффективность. Поэтому современные медицинские устройства целесообразно создавать на основе процессоров с архитектурой ARM, которые имеют лучшие показатели в мире по энергопотреблению в комбинации с разумной производительностью.
Технологии ARM:
специально для медицинской техники
Большинство процессоров на базе архитектуры ARM способно выполнять практически все перечисленные функции. Производители процессоров предусматривают такие интерфейсы, как графический, Ethernet, CAN, USB, АЦП, PWM, цифровые входы и выходы, сенсорные контроллеры, а также оказывают необходимую поддержку программного обеспечения.
Некоторые производители ARM-процессоров обеспечивают глубокую интеграцию в области медицины, предоставляя примеры различных медицинских приложений с блок-схемами и рекомендациями. Кроме того, на рынке есть аппаратные модули, созданные с учетом специфичных требований, например с поддержкой специализированных интерфейсов для конкретного медицинского оборудования. Все это значительно облегчает и ускоряет деятельность разработчиков. К тому же есть широкий выбор операционных систем — Linux, Windows CE, а также Android.
Быстрее со встроенными модулями
Важным фактором при создании сложной инновационной продукции является определение времени ее выхода на рынок. Медицинские технологии становятся все более сложными, а функции устройств —
более обширными, что увеличивает время разработки и повышает затраты на создание медицинских устройств.
Ключевые компетенции производителей медицинских устройств лежат в применении этих устройств и понимании специфики медицинской области, а не в знакомстве со специализированными процессорами, на которых базируется их продукция. Поэтому во многих случаях им целесообразно использовать готовый встроенный модуль, «заточенный» под специфику области. Благодаря этому происходит снижение затрат ресурсов и времени. Например, модули TQ Group имеют сертификаты DIN EN ISO 9001 (Quality Management), DIN EN ISO 14001 (Environmental management), EN 9100 (Civil aviation) DIN EN ISO 1348 (Medical technology) и ISO/TS 16949 (Automotive) [4].
Как правило, экономически эффективно использовать встроенные модули, если количество производимых устройств находится в пределах десятка тысяч штук. Применение встроенных модулей снижает стоимость разработки, а также упрощает и делает единовременным процесс настройки программного обеспечения. Отдел разработки может сосредоточиться на специфике и требованиях конкретной системы аппаратного и программного обеспечения и тем самым достичь своей цели быстрее и эффективнее.
Устройства отличаются только основными платами и их интерфейсами, поэтому части разрабатываемого программного обеспечения могут быть повторно использованы в различных приложениях при подключении этого процессорного модуля. Еще одним преимуществом для пользователей является большое количество поставщиков модулей на рынке, что гарантирует выбор правильного модуля для специфичных задач каждого клиента.
В качестве примера можно привести мини-модули фирмы TQ: TQMa28 и TQMa53. Представленные модули TQ чрезвычайно компактны (рис. 2).
Мини-модуль TQMa28 на базе процессора Freescale i.MX28 имеет сбалансированное соотношение между вычислительной и графической производительностью. В основе этого — ядро ARM926 с быстродействием 450 МГц. Модуль наилучшим образом приспособлен для сложных измерений, простой визуализации и управляющих приложений. Он обеспечивает низкую цену при высоком уровне интеграции. Его основные отличия — малый физический размер 26x40 мм, расширенный температурный диапазон и низкое энергопотребление (1 Вт).
Технические характеристики модуля TQMa28:
• до 256 Мбайт DDR2-SDRAM;
• до 32 Гбайт eMMC flash;
• 0/64 кбит EEPROM;
• часы реального времени (RTC);
• температурный датчик;
• интерфейс JTAG;
• источник питания 5 В;
• операционная система Linux/Win/QNX/VxWorks;
• системные интерфейсы: 2xEthernet; 2xCAN; UART; USB; SPI; GPIO; АЦП; графический интерфейс и др.
Модули демонстрируют высокие возможности процессоров. Каждый модуль работает как независимая система и загружается самостоятельно при включении питания. Все функции, необходимые для надежной работы процессоров, реализованы на модулях. Например, они включают в себя ПЗУ, ОЗУ, часы реального времени RTC, а также датчики температуры и напряжения. Все выводы процессора выведены на разъемы модуля, что дает пользователю полный доступ ко всем функциям процессора. Мини-модули фирмы TQ вобрали все преимущества многоцелевых
ARM-контроллеров на базе Freescale i.MX287 (TQMa28) и i.MX537 (TQMa53), а также предлагают пользователю энергоэффективность, оптимизацию вычислительной мощности и «долгосрочное наличие» в течение 15 лет. Компания TQ Group обязуется производить и поддерживать представленные модули как минимум в течение указанного срока.
Новый мини-модуль TQMa53 на базе процессора i.MX537 сочетает возможность промышленного применения с качественным мультимедиа (рис. 3). Интегрированный графический контроллер поддерживает дисплеи с разрешением вплоть до UXGA. Таким образом, модуль лучше всего подходит для построения человеко-машинного интерфейса (HMI) и разработки приложений для сенсорных экранов. Тактовая частота до 1,2 ГГц процессора на базе ядра ARM Cortex A8 мо-
( N
Часы реального времени RTC
V J
Электро-I питание
g g g ftSB
240-контактный разъем подключения к плате-носителю
Рис. 3. Блок-схема модуля TQMa53
Cortex А8 (¡.МХ53) DDR3-I SDRAM
Процессорное ядро 800 МГц (до 1,2 ГГц) 32 кбайт i/d-кэш, 512 кбайт 1_2-кэш V У
Í eMMC Flash _
Модуль векторных вычислений с плавающей точкой EEPROM
Безопасная загрузка (НАВ), криптографические ускорители
/ N SDIO/ ММС CAN
l2S, 12С, SPI
UART
1061
компоненты I микроконтроллеры
дуля TQMa53 обеспечивает сбалансированное соотношение между производительностью и энергопотреблением.
Компания TQ предлагает стартовые комплекты Starter kit для каждого мини-модуля: STKa28 (для TQMa28) и STKa53 (для TQMa53). Компоненты, содержащиеся в стартовых комплектах, составляют модульную систему, позволяющую разработать собственный проект.
Разнообразие интерфейсов и широкий выбор операционных систем означает, что ARM-процессоры могут быть использованы для любых целей. Встроенные модули часто выбирают по соображениям существенного сокращения времени и затрат, а также принимая во внимание поддержку поставщика модулей, что делает разработку программ для модулей быстрой, безопасной и более эффективной. ■
Литература
1. Zopf K. Quicker Development to Advance Medical Care. Product Manager for ARM products and Complete Devices. ARM Medical Special.
2. http://www.tq-group.com/produkte/kategorie-browser/cat/arm-architecture/ extb/Main/index/
3. http://www.microcontroller.ru
4. http://www.tq-group.com/en/company/certificates/
