胰島素泵的設計

　　第2部分：RTC(實時時鐘)和EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)

　　我們可以使用SoC的內部RTC模塊在內部EEPROM中存儲當前日期和時間。這樣即使設備斷電也可以存儲日期和時間。系統(tǒng)還可以存儲儲存器/儲存盒需要進行重新灌注時的日期和時間(因為系統(tǒng)知道胰島素泵入人體的速度，所以可以確定此信息)，以及儲存器的容量。系統(tǒng)還可以驅動報警器(即由內置DAC驅動的喇叭)，用以指示儲存器何時耗盡。

　　如上所述，系統(tǒng)需要了解何時將電機切換至適于單次劑量模式的速度，以及何時將電機切換至適于基準劑量模式的速度。為此，可將PSoC 3和5中的計數(shù)器模塊與極低頻率的時鐘源(大約1 Hz)一起使用。1 Hz時鐘來自用于驅動RTC 的32.768晶體。

　　第3部分：避免路徑堵塞

　　作為安全預防措施，應監(jiān)控胰島素是否正常注入體內或者是否出現(xiàn)路徑堵塞的情況，這一點非常重要。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，則儲存盒內的壓力會增加。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，并將輸出結果反饋至處理器。與應變儀傳感器類似，壓力傳感器可以將壓力轉換為相應的電阻變化。為了檢測電阻變化，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進一步處理。

　　同樣，進入人體的胰島素必須保持在適當?shù)臏囟确秶鷥纫悦庾冑|?？衫门cSoC連接的傳感器(如熱敏電阻)監(jiān)視儲存器或套管中胰島素的溫度得以實現(xiàn)。

　　最后，分別來自壓力傳感器和溫度傳感器的兩個模擬輸入被送入SoC，并通過集成式ADC監(jiān)視其當前狀態(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，并可通過相同ADC進行多路信號復用。產生的信號值可以與存儲的閾值相比較，以檢測是否存在堵塞(當壓力傳感器讀數(shù)超出閾值時)或者胰島素是否變質(當熱敏電阻讀數(shù)超出閾值)。當出現(xiàn)堵塞時，SoC會發(fā)出警報或閃爍LED燈。當電池電量耗盡時，該警報也會出現(xiàn)。

　　第4部分：便攜式設備的電源管理

　　便攜式醫(yī)療設備所使用的堿性電池(不可充電)的電壓一般為1.5V。SoC的內部升壓調節(jié)器可以將電壓提升至運行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。

　　因為對于這種手持便攜式設備，能耗在高效運行中起著重要作用，這就意味著電池不能經常充電或更換。因此，SoC需要支持多種低功率模式，包括設備在不使用時進入睡眠/休眠狀態(tài)，以避免耗費電池電量。

　　PSoC 3和5提供被稱為交替活動模式的附加低功率模式，即當CPU關閉時某些數(shù)字和模擬模塊仍然運行。這種結構下，胰島素泵在大多數(shù)運行時間里都不需要CPU工作。這意味著只有在切換單次劑量和基準劑量模式時才需要CPU運行(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劑量的持續(xù)時間需要更改，或者固定時間段內的濃度需要更改，則無需重新設置整個系統(tǒng)。用戶只需按按鈕即可調節(jié)系統(tǒng)。賽普拉斯提供的這種觸摸感應解決方案是PSoC內置的一種功能，其可以取代目前還在使用的傳統(tǒng)機械按鈕。由于可以直接控制高質量圖形或分段LCD圖像，因此顯示器不僅可用于顯示當前狀態(tài)和下次灌輸時間等信息，還可以在LCD顯示屏頂部出現(xiàn)一個電阻式觸摸屏，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話，以便記錄胰島素注射時間和劑量持續(xù)時間等重要信息。還可以通過USB端口用電腦為設備的電池充電。

　　其他方面：

　　從以上內容可以看出：

　　1. 每種堵塞感應方法(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需要多個分立部件才能進行必要的輸入測量，這會增加系統(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備，因此有效功耗和睡眠電流是要重點考慮方面。另外，傳統(tǒng)MCU的運行電壓較高，而電池的輸入電壓比運行MCU所需的電壓低，因此需要提高電壓。SoC架構的高集成性正好解決了這些問題。

　　3. 胰島素泵通過顯示器顯示當前狀態(tài)。處理器模塊支持LCD直接驅動或LCD控制，簡化了系統(tǒng)設計。

　　4. 胰島素泵需要使用存儲器來存儲劑量歷史以及一些用于后期對比的閾值。因此，需要具備EEPROM或者其他永久性存儲技術，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、簡單的界面。另外，取消了容易老化的機械按鈕。

　　7. 需要適當?shù)碾娐穪砜刂齐姍C，通過電機推進活塞并將胰島素注入人體。

　　8. 某些胰島素泵還需要了解當前體內的血糖狀態(tài)以調節(jié)流速。傳統(tǒng)的MCU不適用于這種閉環(huán)系統(tǒng)，因為其需要其他外部模擬IC才能實施。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]《電子設備在醫(yī)療應用中的重要性》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針對醫(yī)療設備設計方面的規(guī)定： http://www.fda.gov/MedicalDevices/DeviceRegulationandGuidance/Standards/default.htm.
　　[3]《應用PSoC的血糖監(jiān)視器》： http://www.cypress.com/?rID=43661&source=header
　　[4]《使用SoC設計電機控制系統(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