Trådlösa systemkretsar för uppkopplade hälsovårdsenheter

Under de senaste årtiondena har digital teknik blivit allt vanligare inom hälso- och sjukvård. Pandemin Covid-19 bidrog till att påskynda denna utveckling. Den fjärråtkomst till sjukvård som pandemin krävde belyste flera andra fördelar, som exempelvis effektivare leverans av hälso- och sjukvård samt kontinuerlig patientövervakning. Tekniska framsteg har gett upphov till Internet of Medical Things (IoMT), där nätverk av patienter med bärbar och/eller bärbar medicinteknisk utrustning och sensorer, och motsvarande vårdsystem och vårdgivare, är anslutna via internet. Kontinuerliga övervakning av blodsockernivåer och hjärtövervakning är exempel på enheter som har fått stor spridning. IoMT-enheter gör det lättare att automatisera dataöverföringen och minskar därmed risken för den mänskliga faktorn. Framsteg inom prediktiv dataanalys och artificiell intelligens (AI) gör IoMT-enheter ännu kraftfullare genom att möjliggöra datadriven diagnostik med tidig upptäckt av avvikelser, ökat patientengagemang och minskade sjukvårdskostnader.

Viktiga krav för IoMT-enheter

• Säkerhet: Den känsliga karaktären hos medicinska uppgifter som överförs kräver en hög säkerhetsnivå. Advanced Encryption Standard (AES) och Elliptical Curve Cryptography (ECC) kan kryptera och dekryptera dataöverföring med hjälp av säkra nycklar och därmed autentisera data. Nycklar baserade på en TRNG (äkta slumptalsgenerator) i enheten bidrar till en säker generering av dessa nycklar. Attacker med identitetskapning kan minimeras med hjälp av enhetsidentifiering med unika fysiskt okopierbara funktioner (PUF) i halvledarenheten. Säkra hårdvaruprotokoll vid start samt sabotagesäkra mekanismer som förhindrar åtkomst till skyddade områden i enhetens minne bidrar till att öka enhetens säkerhet.
• Strömförbrukning: Bärbara och portabla enheter drivs vanligtvis med batteri. Kommunikationsprotokoll med låg strömförbrukning som Bluetooth LE 5.x, energisparlägen när enheten inte är aktiv och en effektiv arkitektur som optimerar driftprestanda kontra strömförbrukning är några viktiga funktioner som kan maximera batteritiden.
• Många funktioner i liten storlek: Små och lätta enheter gör att de kan användas i bärbara och portabla medicintekniska tillämpningar. Nya tillämpningar som t.ex. smarta tandimplantat kräver mycket små format. Systemkretskonceptet (SoC) ger en hög nivå av flerfunktionell integration i en enda krets. Detta kan omfatta en uppsättning kringutrustningsfunktioner som ger analog och digital avkänning, mätning, dataomvandling och kommunikation med hög hastighet. Andra viktiga krav är trådlös anslutning, databehandling i hög hastighet med stora flash- och RAM-minnen, klockor med låg frekvens och timers med låg effekt, DC/DC-spänningsreglering etc.

Systemkretsfamiljen EFRBG27 Wireless Gecko från Silicon Labs för IoMT-tillämpningar

I mars 2023 tillkännagav Silicon Labs lanseringen av en ny familj av säkra, energisnåla enheter som utökar deras sortiment Wireless Gecko. Detta inkluderar systemkretsserien BG27 för Bluetooth LE som är perfekt för IoMT-tillämpningar.

I figur 1 visas ett blockdiagram över den stora uppsättning funktioner som ingår i systemkretsarna BG27. Några detaljer om de viktigaste funktionerna listas nedan:

Figur 1: Funktionsuppsättning för familjen EFR32BG27 Wireless Gecko. (Bildkälla: Silicon Labs)

Processor och minne:ARM Cortex® M33 RISC-kärna med 76,8 MHz och 32-bitar, DSP-instruktioner och flyttalsenhet ger högeffektiv signalbehandlingskapacitet vid 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Den innehåller säkerhetstekniken ARM TrustZone. Flashminnet är på 768 kB, medan RAM-minnet för data är på 64 kB. LDMA-styrenheten (Linked Direct Memory Access Controller) gör att systemet kan utföra minnesoperationer oberoende av programmet, vilket minskar energiförbrukningen och programmets arbetsbelastning.

Lägen för låg strömförbrukning: EFR32BG27 innehåller en energihanteringsenhet (EMU) som hanterar övergångar mellan systemkretsens energilägen (EM0 till EM4). Med EMU kan tillämpningar minimera energiförbrukningen dynamiskt vid körning av program. Läget EM0 har flest funktioner, som t.ex. att CPU, radio och kringutrustning kan arbeta med den högsta klockfrekvensen. Kringutrustningsenheter kan inaktiveras i de aktiva lägena för låg effekt EM2, EM3. Spänningsskalning används av EMU vid övergång mellan energilägen för att optimera energieffektiviteten genom att arbeta med lägre spänningar när så är möjligt. EM4 är ett inaktivt läge med lägsta effekt som gör att systemet kan vakna upp i läget EM0.

DC/DC-omvandling: Familjen EFR32BG27 innehåller omvandlare i kretsen för både buck- och boost-läge som kan leverera de interna 1,8 V som krävs. Boost mode-enheterna, som t.ex. EFR32BG27C230F768IM32-B kan arbeta ned till 0,8 V, vilket möjliggör drift med alkaliska, silveroxid- och andra lågspänningsbatterier med en enda cell. Boostomvandlaren kan stängas av med hjälp av ett dedikerat BOOST_EN-stift, för att spara på batteriets ström vid lagring och transport. I detta läge är den maximala strömförbrukningen endast 20/50 nA, beroende på strömförsörjningen av vissa stift. I buck mode-enheter, som EFR32BG27C140F768IM40-B kan maximalt 3,8 V matas externt. En inbyggd strömförsörjningsövervakning signalerar när matningsspänningen är för låg för att regulatorn ska kunna förbikopplas och utökar området till 1,8 V. Förbikopplingsläget gör det även möjligt för systemet att gå in i energisparläget EM4. Ett block med Coulomb-räknare är inbyggt i DC/DC-omvandlaren. Detta inkluderar två 32-bitars räknare som används för att mäta det antal laddningspulser som levereras av DC/DC-omvandlaren, för att möjliggöra noggrann mätning av batterivnivå, för att förbättra användarens säkerhet.

Nätverk med Bluetooth 5.x: Systemkretsfamiljen har stöd för det trådlösa protokollet Bluetooth Low Energy (LE). Radiomottagaren använder en arkitektur med låg IF som består av en förstärkare med lågt brus och en I/Q-nedkonvertering. Modulen för automtisk förstärkningsstyrning (AGC) justerar mottagarens förstärkning för att undvika mättnad och därmed förbättra selektiviteten och blockeringsegenskaperna. 2,4 GHz-radion kalibreras vid tillverkningen för att förbättra bildavvisningen. Familjen omfattar en rad olika sändareffekter från 4 till 8 dBm. För att minska RF-störningarna arbetar DC/DC-omvandlaren i mjukt switchningsläge vid uppstart och med DC/DC-reglering till förbikopplingsövergångar för att begränsa den maximala stig-/falltiden och dämpa strömrusning. Blocket RFSENSE gör att enheten kan vara kvar i energisparlägena EM2, EM3 eller EM4 och aktiveras när RF-energi över ett visst gränsvärde detekteras.

Säkerhet: Systemkretsfamiljen EFR32BG27 innehåller en rad säkerhetsfunktioner, som framgår av figur 2.

Figur 2: Säkerhetsfunktioner i familjen EFR32BG27 Wireless Gecko. (Bildkälla: Silicon Labs)

Säker start med Root Of Trust och Secure Loader (RTSL) autentiserar betrodd firmware och startar från oföränderligt ROM-minne (skrivskyddat minne). Den kryptografiska acceleratorn har stöd för AES- och ECC-kryptering samt dekryptering. Den innehåller även DPA-motåtgärder (Differential Power Analysis) för att skydda nycklarna. TRNG skördar entropi från en termisk källa och inkluderar statuskontroller vid start av denna källa, enligt kraven i standarderna NIST SP800-90B och AIS-31, samt statustester online enligt kraven i NIST SP800-90C. Gränssnittet för felsökning, som låses när komponenten släpps ut på fältet, har en säker upplåsningsfunktion som ger autentiserad åtkomst baserad på kryptografi med publika nycklar. På hårdvarusidan finns en modul för detektering av externt sabotage (ETAMPDET) som gör det möjligt att upptäcka externt sabotage, som t.ex. obehörigt öppnande av kapslingen. Den kan generera ett avbrott för att varna programmet och göra det möjligt att vidta åtgärder på systemnivå.

Stor uppsättning kringutrustning: Systemkretsarna innehåller hybrida analog- till digitalomvandlare som kombinerar teknikerna SAR och Delta-Sigma. Läget med 12 bitar kan arbeta med hastigheter på upp till 1 Msps, medan omvandlaren för 16-bitar kan arbeta med hastigheter på upp till 76,9 ksps. Den analoga komparatormodulen kan använda interna eller externa referenser och kan även användas för att känna av matningsspänningen. Stöd för seriell kommunikation med SPI, USART och I2C. RTCC-modulen (Real Time Clock and Capture) har en 32-bitars klocka ner till strömläge EM3 och kan klockas med den interna lågfrekvensoscillatorn. Timern för låg strömförbrukning (LETIMER) har 24-bitars upplösning och kan användas för timing och generering av utdata när större delen av enheten är avstängd, vilket gör att enkla uppgifter kan utföras med minimal strömförbrukning. Det perifera reflexsystemet (PRS) är ett nätverk för signalöverföring som möjliggör direkt kommunikation mellan kringutrustningsmodulerna utan att blanda in processorn. Detta minskar programmets belastning och strömförbrukningen.

Kapsling i litet format: En av enheterna i familjen EFR32BG27 är EFR32BG27C320F768GJ39-B. Enheten levereras i en WLCSP-kapsling (Wafer Level Chip Scale Package) med måtten 2,6 x 2,3 mm och kan köras i antingen buck- eller boost-regulatorläge. Resten av familjen levereras i antingen en QFN32-kapsling på 4 x 4 mm eller en QFN40-kapsling på 5 x 5 mm med specifika regulatorlägen för antingen buck eller boost.

Sammanfattning

EFR32BG27 har en branschledande energieffektiv processorkapacitet och Bluetooth-anslutning med låg energiförbrukning. Systemkretsarna med litet format och en mängd olika säkerhetsfunktioner är perfekta för IoMT-tillämpningar.