醫(yī)療電子USB隔離解決方案

通用個(gè)人電腦(PC)的廣泛普及正在重塑醫(yī)療系統(tǒng)的構(gòu)建方式。這些醫(yī)療系統(tǒng)的核心就是PC，只是采用專門的軟件和針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用定制的功能對(duì)其進(jìn)行了配置。這種方法降低了成本，縮短了開發(fā)時(shí)間，因?yàn)樵S多PC組件的價(jià)格已經(jīng)很低。這種技術(shù)還能與其它系統(tǒng)(如服務(wù)技術(shù)人員的筆記本電腦)和外設(shè)(如打印機(jī)、鍵盤和鼠標(biāo))實(shí)現(xiàn)更好的互操作。然而，由于標(biāo)準(zhǔn)PC接口缺少直接、具有成本效益的隔離方案，這種技術(shù)的應(yīng)用有時(shí)會(huì)很受到阻礙。

這是ADI公司的單芯片USB隔離器，利用內(nèi)部穩(wěn)壓器可以在5V USB電源或系統(tǒng)提供的3.3V電源下工作。

RS-232是一種很容易隔離的PC通信端口，但正在被逐步淘汰，讓位于一種更具魯棒性、更高速度的接口USB，而且?guī)н@種接口的外設(shè)已經(jīng)相當(dāng)多。然而，這種接口與RS-232不同，很難進(jìn)行隔離，因?yàn)樗遣罘趾碗p向接口。直到最近，USB隔離還需要使用多個(gè)USB控制器、隔離器和其它元件，不僅增加了成本，而且延長(zhǎng)了開發(fā)時(shí)間?，F(xiàn)在，新的USB隔離技術(shù)已出現(xiàn)，它可將隔離醫(yī)療設(shè)備中USB所需的全部功能集成在一起，不需要額外的元件，無(wú)需修改主機(jī)或外設(shè)軟件就能直接將其插入到USB信號(hào)路徑中。

隔離式接口

醫(yī)療系統(tǒng)使用隔離來保護(hù)操作人員、病人或系統(tǒng)本身的安全。隔離也能將系統(tǒng)某個(gè)部件產(chǎn)生的噪聲與另一個(gè)對(duì)噪聲更敏感的部件隔離開來。凡需要安全性的應(yīng)用場(chǎng)合，隔離器件都要受到像UL和IEC等組織設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)約束，所適用的標(biāo)準(zhǔn)取決于具體應(yīng)用。例如，IEC 60601規(guī)定了對(duì)醫(yī)療設(shè)備的安全性要求，而IEC 60950適用于信息技術(shù)設(shè)備。

下面介紹在安全性標(biāo)準(zhǔn)中與醫(yī)療系統(tǒng)的隔離等級(jí)或質(zhì)量有關(guān)的一些特定術(shù)語(yǔ)：

隔離額定值。隔離額定值通常規(guī)定為交流電壓，是指隔離器能夠承受的瞬時(shí)過電壓。典型值是2.5kV rms、1分鐘，但有更高隔離要求的醫(yī)療系統(tǒng)可能規(guī)定為5kV rms、1分鐘。

工作電壓。工作電壓是指連續(xù)加在隔離上的電壓。與隔離額定值一樣，工作電壓通常也規(guī)定為交流電壓，但隔離阻障需要能夠在整個(gè)工作壽命期間承受這個(gè)電壓。工作電壓典型值約400V rms。

增強(qiáng)型隔離。增強(qiáng)型隔離通常是醫(yī)療系統(tǒng)提出的要求，它規(guī)定的隔離值等效于兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的隔離。這種等效性需要通過確保隔離阻障能夠承受比如10kV的短時(shí)持續(xù)浪涌電壓來確定。增強(qiáng)型隔離常見于IEC標(biāo)準(zhǔn)，例如針對(duì)醫(yī)療應(yīng)用的IEC 60601-1。

爬電距離。爬電距離是指沿著隔離阻障兩側(cè)的兩導(dǎo)體之間封裝表面的最短距離。

空隙?？障妒侵竷蓚€(gè)導(dǎo)體之間的最短空氣距離。特定應(yīng)用要求的爬電距離和空隙取決于許多因素，包括安全標(biāo)準(zhǔn)、隔離類型(基本/單或者增強(qiáng)/雙)、工作電壓等。

與病人安全有關(guān)的醫(yī)療設(shè)備一般要求增強(qiáng)型隔離，工作電壓為125V rms或250V rms，爬電距離和間隙為至少8mm。

隔離等級(jí)取決于系統(tǒng)是如何劃分的。圖1給出了帶各種接口的一般醫(yī)療設(shè)備框圖，并標(biāo)出了可以實(shí)現(xiàn)隔離的位置。病人必須與主系統(tǒng)隔離，因此在B、C或D點(diǎn)要求對(duì)病人進(jìn)行安全性隔離。在很多情況下，D點(diǎn)是不需要隔離的，因?yàn)閭鞲衅骰蚱渌O(shè)備必須直接連接病人。在其它情況下，如超聲波設(shè)備，D點(diǎn)的隔離由傳感器頭部的塑料外殼提供。C點(diǎn)的信息仍處于模擬域，因此又要隔離又要保持精度很不經(jīng)濟(jì)。這樣，醫(yī)療設(shè)備中的隔離通常在B點(diǎn)實(shí)施，但這會(huì)使操作人員和外設(shè)處于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，因此還需要在其它接口處實(shí)施隔離。

圖1：一般醫(yī)療設(shè)備的框圖，圖中標(biāo)示了可以實(shí)施隔離的接口位置。
　　
醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)允許兩種類型的隔離：病人保護(hù)型(MOPP)和操作人員保護(hù)型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601規(guī)定，MOOP則遵守嚴(yán)格程度較低的規(guī)定，如IEC 60950。在上述例子中，系統(tǒng)可以被劃分為要求接口B通過IEC 60601認(rèn)證，而接口A、E、F和G可能只要求通過IEC 60950認(rèn)證。
　　
一些醫(yī)療系統(tǒng)為了確保最高安全等級(jí)，所有接口都要求符合IEC 60601，因?yàn)檫@些系統(tǒng)可能允許病人接觸外圍設(shè)備。另外，系統(tǒng)中與病人連接的部分可能被認(rèn)為是一個(gè)外設(shè)，會(huì)連接到圖中所示E、F和G接口中的任何一個(gè)。IEC 60601還規(guī)定了使用高電壓除顫器時(shí)的安全性。與病人連接的任何設(shè)備只要沒經(jīng)過IEC 60601認(rèn)證，那么在除顫期間必須被移走，不管有沒有時(shí)間這樣做。
　　
USB的采用
　　
系統(tǒng)內(nèi)部接口，如圖1中的A、B和C點(diǎn)，通常為UART、SPI和I2C，具體取決于成本、性能和尺寸要求。而系統(tǒng)架構(gòu)師還要根據(jù)互操作性選擇外部連接端口。過去，PC系統(tǒng)依賴于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特別是筆記本上越來越少，帶RS-232的外設(shè)數(shù)量也在急劇減少。
　　
相反，USB卻快速增長(zhǎng)，部分原因是USB接口的迅速普及和大量外設(shè)的支持。USB的即插即用特性還能降低開發(fā)費(fèi)用和減少對(duì)專用軟件的需求。在醫(yī)療設(shè)備中，USB的使用不只限于受過專業(yè)訓(xùn)練的操作人員，病人也可以在家里使用USB設(shè)備將數(shù)據(jù)下載到USB存儲(chǔ)器，然后帶到醫(yī)院供醫(yī)生診斷時(shí)使用。USB還能用來將傳感器或其它測(cè)量設(shè)備連接到主系統(tǒng)。USB的優(yōu)勢(shì)之一是允許多達(dá)127個(gè)設(shè)備在一條總線上工作，因此即使只有一個(gè)USB端口也能使用多個(gè)外設(shè)。相反，RS-232串行通信端口只能處理一個(gè)設(shè)備。
　
USB隔離
　　
總之，USB與RS-232相比具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：可擴(kuò)展到127個(gè)外設(shè)；即插即用操作；熱插拔能力；高數(shù)據(jù)速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)；兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；在PC上廣泛普及。
　　
盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但USB在醫(yī)療系統(tǒng)中的普及速度沒有像在其它消費(fèi)類應(yīng)用中那么快。醫(yī)療領(lǐng)域與其它領(lǐng)域的區(qū)別在于隔離要求。盡管USB與RS-232相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但事實(shí)表明，隔離USB接口并不像隔離其它接口那樣簡(jiǎn)單。
　　
USB難以隔離，因?yàn)樗遣罘?、雙向接口，并且需要配置(通過上拉和下拉)電阻指示總線速度。僅雙向這一特性就具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸仨氁媚撤N方法來確定數(shù)據(jù)傳送的方向。在隔離型USB接口中，這個(gè)信息必須能穿越過隔離阻障。控制流由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)決定，而不是控制信號(hào)。
　　
USB接口由4根線組成：VDD、D+、D–、VSS。
　　
VDD是5V電源，VSS是參考地，D+和D-是差分信號(hào)。使事情變得更復(fù)雜的是，D+和D-還能用來發(fā)送單端數(shù)據(jù)，并且能用來判斷總線狀態(tài)?？偩€外設(shè)側(cè)的上拉和下拉電阻用于設(shè)置USB接口的速度和空閑狀態(tài)。根據(jù)定義，數(shù)據(jù)能按以下三種速率中的一種進(jìn)行傳送：1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)。
　　
USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持全部三種數(shù)據(jù)速率(USB 1.1只支持低速和全速數(shù)據(jù)速率)。值得注意的是，一個(gè)器件即使不支持480Mbps也可以稱為USB 2.0兼容器件。
　　
因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)光耦天生就是單向器件，因此使用光耦或其它單向隔離器的隔離接口必須先把USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組單向信號(hào)，如圖2所示(圖中沒有畫出EEPROMS，但它常被用來存儲(chǔ)用于信號(hào)轉(zhuǎn)換的代碼)。在這個(gè)例子中，來自微控制器的D+/D-線被轉(zhuǎn)換成單端、單向的SPI信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)隔離后再使用USB串行接口引擎或USB控制器轉(zhuǎn)換回USB信號(hào)。這個(gè)控制器增加了多個(gè)元件，并增加了走線數(shù)量，而不再是簡(jiǎn)單的雙線總線。這種方法不僅代價(jià)高，占用相當(dāng)大的電路板面積，并且需要額外的設(shè)計(jì)時(shí)間，部分原因是微控制器需要軟件配置。這種實(shí)現(xiàn)方式的復(fù)雜性是造成醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)師對(duì)USB的采納較遲緩的主要原因。

　　
圖2：隔離USB接口的可選方式。其中左圖給出了使用微控制器和串行接口引擎將D+/D-信號(hào)轉(zhuǎn)換成單向單端SPI的配置方法。右圖是更簡(jiǎn)單的方法，ADuM4160 USB隔離器可被插入D+/D-信號(hào)路徑中，不需要另外的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。

單封裝USB隔離

更簡(jiǎn)單、在成本和面積方面更具效益的USB隔離方法是使用專門的USB隔離器，這種隔離器可以直接插入到D+/D- USB信號(hào)路徑。這樣的隔離技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)存在，能提供高達(dá)5kV rms的增強(qiáng)型隔離，并支持低速和全速數(shù)據(jù)速率。

與光耦不同，光耦使用LED和光敏晶體管并通過光傳輸將數(shù)據(jù)送過隔離阻障，而基于更新技術(shù)的隔離器使用平面變壓器將數(shù)據(jù)送過20μm厚的聚酰亞胺絕緣層，這個(gè)絕緣層能承受6kV rms電壓。數(shù)據(jù)發(fā)送是靠從一個(gè)線圈到另一個(gè)線圈的感應(yīng)完成的。圖3是這種變壓器的結(jié)構(gòu)。圖4說明了數(shù)據(jù)流的上升和下降沿分別是如何編碼為兩個(gè)或單個(gè)1ns脈沖的。這些脈沖在接收器側(cè)經(jīng)過解碼來還原發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖3：平面變壓器示意圖。線圈被20μm厚的聚酰亞胺絕緣層所隔離，這種絕緣層的隔離額定值可高達(dá)6kV rms、1分鐘。

圖4：將數(shù)據(jù)送過隔離物的方法。上升和下降沿分別被編碼為兩個(gè)和單個(gè)脈沖。接收器通過解碼這些脈沖在隔離物另一側(cè)再生數(shù)據(jù)流。刷新電路不斷地每隔1ms重傳一次數(shù)據(jù)，以確保直流電壓正確性。

與光耦相比，使用單個(gè)封裝的專用USB隔離器有很多好處。使用變壓器允許數(shù)據(jù)透過隔離物進(jìn)行雙向傳送。雖然這種技術(shù)使用專用變壓器進(jìn)行發(fā)送和接收信號(hào)，但所有線圈都是相同的，并包含在一個(gè)封裝內(nèi)。這種方法用光耦是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。采用光耦的類似設(shè)置需要使用獨(dú)立的器件處理每個(gè)方向的通信。

變壓器的速度本來就比光耦中使用的LED-光敏晶體管組合要快，因此允許隔離器支持USB所要求的更快數(shù)據(jù)速率和更短傳播延時(shí)。同時(shí)，這種隔離器的功耗較低，能夠滿足USB嚴(yán)格的待機(jī)功耗需求。

這種隔離技術(shù)的最關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能夠在隔離器產(chǎn)品中集成額外的功能。這種集成帶來的空間節(jié)省效果如圖2所示，與USB收發(fā)器加光耦的多IC配置相比，USB隔離器占用的電路板面積可以減少75%。

借助于這種在成本和面積方面更具效益且很容易實(shí)現(xiàn)的USB隔離技術(shù)，醫(yī)療設(shè)備就可以充分利用USB的優(yōu)勢(shì)。例如在醫(yī)療系統(tǒng)中，家用病人監(jiān)護(hù)儀上的隔離型USB端口可以實(shí)現(xiàn)家中病人與醫(yī)院醫(yī)生之間的實(shí)時(shí)連接，從而提供更好更準(zhǔn)確的健康護(hù)理。采用隔離型USB后，這種家用病人監(jiān)護(hù)儀可以連接到PC，然后通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到醫(yī)院。只要經(jīng)過IEC 60601醫(yī)療等級(jí)安全認(rèn)證，帶隔離型USB的系統(tǒng)甚至能在電擊除顫過程中保持與病人的連接。
本文小結(jié)

USB的廣泛使用對(duì)想要充分利用USB優(yōu)勢(shì)的醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)師提出了挑戰(zhàn)。隔離這些系統(tǒng)中的USB相當(dāng)困難，代價(jià)也很高，而且不能有損于使用USB所帶來的功能增強(qiáng)和最終成本效益。幸運(yùn)的是，新型的USB隔離器已被開發(fā)出來解決這個(gè)問題。這種技術(shù)可以直接隔離差分、雙向的D+/D- USB信號(hào)線。