通用個(gè)人電腦(PC)的廣泛普及正在重塑醫療系統的構建方式。這些醫療系統的核心就是PC，只是采用專(zhuān)門(mén)的軟件和針對醫療應用定制的功能對其進(jìn)行了配置。這種方法降低了成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，因為許多PC組件的價(jià)格已經(jīng)很低。這種技術(shù)還能與其它系統(如服務(wù)技術(shù)人員的筆記本電腦)和外設(如打印機、鍵盤(pán)和鼠標)實(shí)現更好的互操作。然而，由于標準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，利用內部穩壓器可以在5V USB電源或系統提供的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，而且帶這種接口的外設已經(jīng)相當多。然而，這種接口與RS-232不同，很難進(jìn)行隔離，因為它是差分和雙向接口。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(cháng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間�，F在，新的USB隔離技術(shù)已出現，它可將隔離醫療設備中USB所需的全部功能集成在一起，不需要額外的元件，無(wú)需修改主機或外設軟件就能直接將其插入到USB信號路徑中。 隔離式接口 醫療系統使用隔離來(lái)保護操作人員、病人或系統本身的安全。隔離也能將系統某個(gè)部件產(chǎn)生的噪聲與另一個(gè)對噪聲更敏感的部件隔離開(kāi)來(lái)。凡需要安全性的應用場(chǎng)合，隔離器件都要受到像UL和IEC等組織設立的標準約束，所適用的標準取決于具體應用。例如，IEC 60601規定了對醫療設備的安全性要求，而IEC 60950適用于信息技術(shù)設備。 下面介紹在安全性標準中與醫療系統的隔離等級或質(zhì)量有關(guān)的一些特定術(shù)語(yǔ)： 隔離額定值。隔離額定值通常規定為交流電壓，是指隔離器能夠承受的瞬時(shí)過(guò)電壓。典型值是2.5kV rms、1分鐘，但有更高隔離要求的醫療系統可能規定為5kV rms、1分鐘。 工作電壓。工作電壓是指連續加在隔離上的電壓。與隔離額定值一樣，工作電壓通常也規定為交流電壓，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。 增強型隔離。增強型隔離通常是醫療系統提出的要求，它規定的隔離值等效于兩個(gè)獨立系統的隔離。這種等效性需要通過(guò)確保隔離阻障能夠承受比如10kV的短時(shí)持續浪涌電壓來(lái)確定。增強型隔離常見(jiàn)于IEC標準，例如針對醫療應用的IEC 60601-1。 爬電距離。爬電距離是指沿著(zhù)隔離阻障兩側的兩導體之間封裝表面的最短距離。 空隙�？障妒侵竷蓚�(gè)導體之間的最短空氣距離。特定應用要求的爬電距離和空隙取決于許多因素，包括安全標準、隔離類(lèi)型(基本/單或者增強/雙)、工作電壓等。 與病人安全有關(guān)的醫療設備一般要求增強型隔離，工作電壓為125V rms或250V rms，爬電距離和間隙為至少8mm。 隔離等級取決于系統是如何劃分的。圖1給出了帶各種接口的一般醫療設備框圖，并標出了可以實(shí)現隔離的位置。病人必須與主系統隔離，因此在B、C或D點(diǎn)要求對病人進(jìn)行安全性隔離。在很多情況下，D點(diǎn)是不需要隔離的，因為傳感器或其它設備必須直接連接病人。在其它情況下，如超聲波設備，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。這樣，醫療設備中的隔離通常在B點(diǎn)實(shí)施，但這會(huì )使操作人員和外設處于無(wú)保護狀態(tài)，因此還需要在其它接口處實(shí)施隔離。
圖1：一般醫療設備的框圖，圖中標示了可以實(shí)施隔離的接口位置。 醫療安全標準允許兩種類(lèi)型的隔離：病人保護型(MOPP)和操作人員保護型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601規定，MOOP則遵守嚴格程度較低的規定，如IEC 60950。在上述例子中，系統可以被劃分為要求接口B通過(guò)IEC 60601認證，而接口A(yíng)、E、F和G可能只要求通過(guò)IEC 60950認證。 一些醫療系統為了確保最高安全等級，所有接口都要求符合IEC 60601，因為這些系統可能允許病人接觸外圍設備。另外，系統中與病人連接的部分可能被認為是一個(gè)外設，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備只要沒(méi)經(jīng)過(guò)IEC 60601認證，那么在除顫期間必須被移走，不管有沒(méi)有時(shí)間這樣做。 USB的采用 系統內部接口，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。而系統架構師還要根據互操作性選擇外部連接端口。過(guò)去，PC系統依賴(lài)于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特別是筆記本上越來(lái)越少，帶RS-232的外設數量也在急劇減少。 相反，USB卻快速增長(cháng)，部分原因是USB接口的迅速普及和大量外設的支持。USB的即插即用特性還能降低開(kāi)發(fā)費用和減少對專(zhuān)用軟件的需求。在醫療設備中，USB的使用不只限于受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓練的操作人員，病人也可以在家里使用USB設備將數據下載到USB存儲器，然后帶到醫院供醫生診斷時(shí)使用。USB還能用來(lái)將傳感器或其它測量設備連接到主系統。USB的優(yōu)勢之一是允許多達127個(gè)設備在一條總線(xiàn)上工作，因此即使只有一個(gè)USB端口也能使用多個(gè)外設。相反，RS-232串行通信端口只能處理一個(gè)設備。 USB隔離 總之，USB與RS-232相比具有一些明顯的優(yōu)勢，包括：可擴展到127個(gè)外設；即插即用操作；熱插拔能力；高數據速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)；兼容工業(yè)標準；在PC上廣泛普及。 盡管有這些優(yōu)勢，但USB在醫療系統中的普及速度沒(méi)有像在其它消費類(lèi)應用中那么快。醫療領(lǐng)域與其它領(lǐng)域的區別在于隔離要求。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，因為它是差分、雙向接口，并且需要配置(通過(guò)上拉和下拉)電阻指示總線(xiàn)速度。僅雙向這一特性就具有很大的挑戰性，因為必須要用某種方法來(lái)確定數據傳送的方向。在隔離型USB接口中，這個(gè)信息必須能穿越過(guò)隔離阻障�？刂屏饔蓴祿Y構決定，而不是控制信號。 USB接口由4根線(xiàn)組成：VDD、D+、D–、VSS。 VDD是5V電源，VSS是參考地，D+和D-是差分信號。使事情變得更復雜的是，D+和D-還能用來(lái)發(fā)送單端數據，并且能用來(lái)判斷總線(xiàn)狀態(tài)�？偩�(xiàn)外設側的上拉和下拉電阻用于設置USB接口的速度和空閑狀態(tài)。根據定義，數據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標準支持全部三種數據速率(USB 1.1只支持低速和全速數據速率)。值得注意的是，一個(gè)器件即使不支持480Mbps也可以稱(chēng)為USB 2.0兼容器件。 因為標準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信號轉換成一組單向信號，如圖2所示(圖中沒(méi)有畫(huà)出EEPROMS，但它常被用來(lái)存儲用于信號轉換的代碼)。在這個(gè)例子中，來(lái)自微控制器的D+/D-線(xiàn)被轉換成單端、單向的SPI信號。這些信號經(jīng)隔離后再使用USB串行接口引擎或USB控制器轉換回USB信號。這個(gè)控制器增加了多個(gè)元件，并增加了走線(xiàn)數量，而不再是簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)總線(xiàn)。這種方法不僅代價(jià)高，占用相當大的電路板面積，并且需要額外的設計時(shí)間，部分原因是微控制器需要軟件配置。這種實(shí)現方式的復雜性是造成醫療系統架構師對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-信號轉換成單向單端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-信號路徑中，不需要另外的信號轉換元件。 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(zhuān)門(mén)的USB隔離器，這種隔離器可以直接插入到D+/D- USB信號路徑。這樣的隔離技術(shù)現在已經(jīng)存在，能提供高達5kV rms的增強型隔離，并支持低速和全速數據速率。 與光耦不同，光耦使用LED和光敏晶體管并通過(guò)光傳輸將數據送過(guò)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據送過(guò)20μm厚的聚酰亞胺絕緣層，這個(gè)絕緣層能承受6kV rms電壓。數據發(fā)送是靠從一個(gè)線(xiàn)圈到另一個(gè)線(xiàn)圈的感應完成的。圖3是這種變壓器的結構。圖4說(shuō)明了數據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經(jīng)過(guò)解碼來(lái)還原發(fā)送的數據。
圖3：平面變壓器示意圖。線(xiàn)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6kV rms、1分鐘。
圖4：將數據送過(guò)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(guò)解碼這些脈沖在隔離物另一側再生數據流。刷新電路不斷地每隔1ms重傳一次數據，以確保直流電壓正確性。 與光耦相比，使用單個(gè)封裝的專(zhuān)用USB隔離器有很多好處。使用變壓器允許數據透過(guò)隔離物進(jìn)行雙向傳送。雖然這種技術(shù)使用專(zhuān)用變壓器進(jìn)行發(fā)送和接收信號，但所有線(xiàn)圈都是相同的，并包含在一個(gè)封裝內。這種方法用光耦是無(wú)法實(shí)現的。采用光耦的類(lèi)似設置需要使用獨立的器件處理每個(gè)方向的通信。 變壓器的速度本來(lái)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所要求的更快數據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(mǎn)足USB嚴格的待機功耗需求。 這種隔離技術(shù)的最關(guān)鍵優(yōu)勢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(lái)的空間節省效果如圖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)現的USB隔離技術(shù)，醫療設備就可以充分利用USB的優(yōu)勢。例如在醫療系統中，家用病人監護儀上的隔離型USB端口可以實(shí)現家中病人與醫院醫生之間的實(shí)時(shí)連接，從而提供更好更準確的健康護理。采用隔離型USB后，這種家用病人監護儀可以連接到PC，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數據實(shí)時(shí)傳送到醫院。只要經(jīng)過(guò)IEC 60601醫療等級安全認證，帶隔離型USB的系統甚至能在電擊除顫過(guò)程中保持與病人的連接。 本文小結 USB的廣泛使用對想要充分利用USB優(yōu)勢的醫療系統架構師提出了挑戰。隔離這些系統中的USB相當困難，代價(jià)也很高，而且不能有損于使用USB所帶來(lái)的功能增強和最終成本效益。幸運的是，新型的USB隔離器已被開(kāi)發(fā)出來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這種技術(shù)可以直接隔離差分、雙向的D+/D- USB信號線(xiàn)。 作者：Analog Device公司iCoupler獨立產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)理 David Krakauer Email：david.krakauer@analog.com |
