Bezdrátové systémy SoC pro připojená zdravotnická zařízení

Zdravotnictví v posledních několika desetiletích stále více využívá digitální technologie. Pandemie nemoci COVID-19 pomohla tento vývoj urychlit. Vzdálený přístup ke zdravotní péči, který si pandemie vyžádala, poukázal na několik dalších výhod, jako je efektivnější poskytování péče a nepřetržité sledování pacienta. Technologický pokrok přinesl Internet lékařských věcí (IoMT), ve kterém jsou sítě pacientů s přenosnými a/nebo nositelnými zdravotnickými přístroji a senzory, odpovídající systémy a poskytovatelé zdravotní péče propojeny prostřednictvím internetu. K příkladům zařízení, která si získala široké přijetí, patří monitory kontinuální hladiny glukózy v krvi a srdce. Zařízení IoMT pomáhají automatizovat přenos dat, čímž snižují lidskou chybu. Díky pokrokům v prediktivní analýze dat a umělé inteligenci (AI) se zařízení IoMT stávají ještě výkonnějšími, protože podporují diagnostiku založenou na datech s včasnou detekcí abnormalit, větším zapojením pacienta a snižují náklady na zdravotní péči.

Klíčové požadavky na zařízení IoMT

• Zabezpečení: Citlivá povaha přenášených lékařských informací vyžaduje vysokou úroveň zabezpečení. Standard pokročilého šifrování (AES) a šifrování eliptickou křivkou (ECC) dokáží šifrovat a dešifrovat přenos dat pomocí bezpečných klíčů - tedy provádět ověřování data. Klíče založené na generátoru skutečných náhodných čísel (TRNG) v zařízení pomáhají při bezpečném generování těchto klíčů. Spoofingové útoky lze minimalizovat pomocí identifikace zařízení používající jedinečné, fyzicky neklonovatelné funkce (PUF) v polovodičové součástce. Hardwarové protokoly zabezpečeného spouštění, jakož i mechanismy odolné proti neoprávněné manipulaci zabraňující přístupu do chráněných oblastí paměti zařízení, pomáhají zvýšit zabezpečení zařízení.
• Spotřeba energie: Nositelná a přenosná zařízení obvykle fungují na baterii. Komunikační protokoly s nízkou spotřebou, jako je Bluetooth LE 5.x, režimy úspory energie, když zařízení není aktivní, a efektivní architektura, která optimalizuje provozní výkon oproti spotřebě energie, jsou některé základní funkce, které mohou maximalizovat životnost baterie.
• Bohatá sada funkcí v malých rozměrech: Malá a lehká zařízení umožňují jejich využití v nositelných a přenosných lékařských aplikacích. Nové aplikace, jako jsou chytré zubní implantáty, vyžadují miniaturní tvarové faktory. Koncepce systému na čipu (SoC) poskytuje vysokou úroveň multifunkční integrace do jediného čipu. Takové řešení může zahrnovat sadu periferních funkcí poskytující vysokorychlostní analogové a digitální snímání, měření, transformaci dat a komunikaci. Mezi další zásadní požadavky patří bezdrátové připojení, vysokorychlostní zpracování dat s velkou pamětí flash a RAM, přesné nízkofrekvenční/nízkoenergetické hodiny a časovače, regulace DC/DC napětí atd.

Skupina bezdrátových systémů EFRBG27 Gecko SoC od společnosti Silicon Labs pro aplikace IoMT

V březnu 2023 oznámila společnost Silicon Labs uvedení nové skupiny bezpečných, energeticky šetrných obvodů, které rozšiřují její portfolio bezdrátových produktů Gecko. Tato skupina zahrnuje systémy Bluetooth LE SoC řady BG27, které jsou ideální pro aplikace IoMT.

Na obrázku 1 je znázorněno blokové schéma zobrazující bohatou sadu funkcí obsaženou v systému SoC BG27. Některé podrobnosti o klíčových funkcích jsou uvedeny níže:

Obrázek 1: sada funkcí skupiny bezdrátových systémů EFR32BG2 Gecko SoC. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Procesor a paměť : 76,8 MHz, 32bitové jádro ARM Cortex® M33 RISC s instrukcemi DSP a jednotkou s plovoucí desetinnou čárkou umožňuje vysoce výkonné zpracování signálu na frekvenci 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Procesor používá bezpečnostní technologii ARM TrustZone. Flash paměť má velikost 768 kB, datová paměť pak 64 kB RAM. Řadič (LDMA) umožňuje systému provádět operace s pamětí nezávisle na softwaru, čímž snižuje spotřebu energie a softwarovou zátěž.

Režimy nízké spotřeby: Obvod EFR32BG27 obsahuje jednotku řízení spotřeby energie (EMU), která spravuje přechody mezi energetickými režimy (EM0 až EM4) systému SoC. S jednotkou EMU mohou aplikace dynamicky minimalizovat spotřebu energie během provádění programu. Režim EM0 poskytuje nejvyšší počet funkcí, jako je aktivace CPU, rádia a periferií na nejvyšší taktovací frekvenci. V aktivních režimech nízké spotřeby EM2, EM3 lze deaktivovat periferie. Jednotka EMU používá při přechodu mezi energetickými režimy škálování napětí k optimalizaci energetické účinnosti provozem při nižším napětí, je-li to možné. Režim EM4 je neaktivní stav s nejnižší spotřebou, který umožňuje systému probudit se do režimu EM0.

Převod DC/DC: Skupina EFR32BG27 zahrnuje převodníky na čipu v režimu snižování i zvyšování, které mohou dodávat požadované interní napětí 1,8 V. Součásti v režimu zvyšování napětí, např. obvod EFR32BG27C230F768IM32-B, mohou pracovat s napětím sníženém až na 0,8 V, což umožňuje provoz s alkalickou, stříbro-oxidovou nebo jinou jednočlánkovou nízkonapěťovou baterií. Zvyšovací převodník lze deaktivovat pomocí vyhrazeného pinu BOOST_EN, aby se šetřila energie systémové baterie během skladování a přepravy. V tomto režimu systém v závislosti na napájení určitých pinů odebírá max. proud pouze 20/50 nA. U součástí pracujících v režimu snižování napětí, jako například obvod EFR32BG27C140F768IM40-B, lze přivádět externí napájecí napětí max. 3,8 V. Monitor napájení na čipu signalizuje, je-li napájení dostatečně nízké, aby bylo možné regulátor překlenout a rozšířit rozsah na 1,8 V. Režim bypass také umožňuje systému přechod do režimu úspory energie EM4. DC/DC měnič též obsahuje integrovaný blok Coulombova čítače. Tento blok obsahuje dva 32bitové čítače, které se používají k měření počtu nabíjecích impulsů dodávaných DC/DC převodníkem, což umožňuje přesné sledování úrovně baterie s cílem zvýšení bezpečnosti uživatele.

Bluetooth 5.x networking: Tato skupina systémů SoC podporuje bezdrátový protokol Bluetooth Low Energy (LE). Radiový přijímač využívá low-IF architekturu složenou z nízkošumového zesilovače a snižovacího převodu I/Q. Modul automatického řízení zisku (AGC) upravuje zesílení přijímače, aby se zabránilo saturaci pro lepší selektivitu a výkon blokování. 2,4GHz rádio je zkalibrováno při výrobě za účelem zlepšení potlačení zrcadlového kmitočtu. Tato skupina obvodů nabízí vysílací výkon v rozsahu 4 dBm až 8 dBm. Opatření na zmírnění vysokofrekvenčního šumu zahrnují provoz DC/DC převodníku v režimu měkkého spínání při startu a jeho přechody z regulace do bypassu za účelem omezení maximální rychlosti přeběhu napájecího napětí a potlačení náběhového proudu. Blok RFSENSE umožňuje součásti setrvat v energeticky úsporných režimech EM2, EM3 nebo EM4 a probudit se při detekci nárůstu vysokofrekvenční energie nad stanovenou prahovou hodnotu.

Zabezpečení: Skupina systémů SoC EFR32BG27 zahrnuje řadu bezpečnostních funkcí uvedených na obrázku 2.

Obrázek 2: bezpečnostní funkce skupiny bezdrátových systémů EFR32BG27 Gecko SoC. (Zdroj obrázku: Silicon Labs)

Bezpečné spouštění s kořenem důvěryhodnosti a bezpečným zavaděčem (RTSL) ověřuje důvěryhodný firmware, který začíná z neměnné paměti pouze pro čtení (ROM). Kryptografický akcelerátor podporuje šifrování a dešifrování AES a ECC. Zahrnuje také protiopatření diferenciální odběrové analýzy (DPA) na ochranu klíčů. Generátor TRNG sklízí entropii z tepelného zdroje a zahrnuje výchozí testy jeho zdraví podle požadavků norem NIST SP800-90B a AIS-31, a také online testy zdraví požadované pro normu NIST SP800-90C. Rozhraní pro ladění, které je uzamčeno při uvolnění součástky v provozu, je vybaveno funkci bezpečného odemknutí umožňující ověřený přístup na základě kryptografie veřejného klíče. Modul External Tamper Detect (ETAMPDET) na straně hardwaru umožňuje detekci vnější manipulace, například neoprávněného otevření krytu. Může vygenerovat přerušení, které upozorní software a umožní provedení akcí na úrovni systému.

Bohatá sada periferií: Systémy SoC zahrnují hybridní analogově-digitální převodníky kombinující techniky SAR i Delta-Sigma. 12bitový režim může pracovat rychlostí až 1 Msps, zatímco 16bitový převodník může pracovat rychlostí až 76,9 ksps. Modul analogového komparátoru může používat interní nebo externí reference a lze jej také používat ke snímání napájecího napětí. Podporovány jsou všechny režimy sériové komunikace SPI, USART a I2C. Modul reálného času (RTCC) poskytuje 32bitovou časomíru až do energetických režimů EM3 a může být taktován pomocí interního nízkofrekvenčního oscilátoru. Nízkoenergetický časovač (LETIMER) poskytuje 24bitové rozlišení a lze jej používat pro časování a generování výstupu v době vypnutí většiny zařízení, což umožňuje provádět jednoduché úkoly s minimální spotřebou energie. Systém PRS (Peripheral Reflex System) je síť směrování signálu, která umožňuje přímou komunikaci mezi periferními moduly bez zapojení jednotky CPU. Toto řešení snižuje softwarové nároky a spotřebu proudu.

Pouzdra s malým půdorysem: Jednou ze součástek skupiny EFR32BG27 je obvod EFR32BG27C320F768GJ39-B. Tato součástka je dodávána v pouzdru WLCSP (wafer-level chip scale package) o rozměrech pouhých 2,6 mm x 2,3 mm a lze ji provozovat v režimu snižování (buck) nebo zvyšování (boost) napětí. Ostatní součástky skupiny jsou dodávány v pouzdrech QFN32 4 mm x 4 mm, nebo QFN40 5 mm x 5 mm v konkrétních režimech regulátoru, tedy snižování napětí (buck) nebo zvyšování napětí (boost).

Závěr

Skupina systémů EFR32BG27 poskytuje špičkovou, energeticky účinnou schopnost zpracování s nízkoenergetické Bluetooth konektivitou. Tyto systémy SoC s malým tvarovým faktorem obsahující různé bezpečnostní funkce jsou ideální pro aplikace IoMT.