便攜式醫療電子在近幾年出現可觀的成長，獲業界廣泛的采納，市場許多新設立的企業持續推出新的衍生產品。目前需要的是更好的可量產設計，提供較低的復雜度與可接受的效能水平，讓業者能壓低裝置的成本。在設計醫療裝置時，業者要考慮的一些重要因素，包括選擇正確的部件來因應規格、功耗、成本、尺吋等方面的要求，以及通過美國食品及藥物管理局(FDA)的檢驗。

　　典型的便攜式醫療電子系統，內含的部件包括用來擷取數據的模擬前端部件、用來調節信號的放大器與濾波器、模擬對數字轉換器、收集使用者回饋的按鈕、用來演算的微控制器以及用來連結液晶屏幕與USB連結端口的各種接口。傳統的設計方法，是把所有需要的部件置于電路板，然而這種方式會增加整體材料清單、PCB的復雜度以及設計周期。由于外界可輕易對解決方案進行逆向工程，因此這些模擬部件會降低模擬IP的防護力。便攜式醫療電子產品的設計與制造，由美國食品及藥物管理局(FDA)監管，這意謂產品的設計與制造必須準確依循明文規定的流程，其效能必須符合嚴格的紀錄、開發測試、產品測試以及現場維護等規定。FDA的條文中有一項就規定，便攜式醫療電子使用的部件，其生產線在未來5年不得中斷。研發業者因此可更容易減少BOM表部件數量，以通過FDA的檢驗。住家看護與診所經常用到的一些便攜式醫療電子裝置，包括血壓計、免接觸數字溫度計、血糖計、脈搏血氧濃度計。圖1與圖2顯示一個典型的血壓計以及一個運用傳統方法制造的免接觸數字溫度計。

　　傳統方法

　　典型的血壓計采用一個壓差傳感器來量測手腕或手臂的血壓，這個傳感器的輸出信號僅有數微伏特(30μV～50μV)。輸出的血壓信號必須用一個有理想CMRR(共模拒斥比)的高增益儀表放大器加以放大。通常理想的增益與CMRR分別為150dB 與100 dB。血壓信號的振蕩脈沖頻率，介于0.1Hz～11Hz之間，幅度為數百微伏特。這些信號振蕩可運用帶通濾波器來擷取出來，濾波器的增益約為200，截止頻率為0.3Hz～11Hz。一個速度達50Hz的10位模擬數字轉換器，可用來對血壓傳感器與振蕩器的信號進行數字化。產品會用兩個定時器來計算心跳，以及建置安全定時器功能，安全定時器會讓受測者的血壓維持穩定一段時間，遵循美國醫療器材促進發展協會(AAMI)的規范。微控制器核心會運用振蕩算法來計算收縮壓與舒張壓的值，血壓計腕帶是利用脈沖調變部件驅動馬達來進行充氣與放氣。

　　典型的免接觸數字溫度計使用一個內含嵌入在薄膜上微機器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來量測熱電隅的溫度，并利用熱敏電阻來量測環境溫度。熱電隅會產生一個直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關系，熱電隅的輸出信號僅有數V。熱電隅輸出的信號會透過這些低噪聲精準放大器來加以放大，運用熱敏電阻與外部精準參考電壓，做出一個分壓器。分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數值，轉換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來計算熱電隅與周圍溫度。系統會運用傳感器制造商提供的多項式函數，或根據有預存讀數的查表，從電壓推算出溫度，周圍溫度加入到熱電隅溫度，就能算出最終溫度。

　　Segment LCD 驅動器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM以及USB，是上述應用所需的其它外圍部件。

　　微控制器以外，包括傳感器、ADC、液晶屏幕驅動器/控制器、USB控制器、濾波器、放大器等，都屬于外圍部件。這些部件透過GPIO或專屬針腳連結至微控制器。使用這些外圍部件會遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的復雜性、FDA要求檢驗每個部件因而增加設計/開發時間、降低模擬IP的防護力。

　　系統單芯片模式

　　系統單芯片提供一個設計便攜式醫療電子裝置的新方法，運用這些系統單芯片來設計產品，帶來許多加值功能。圖3與圖4顯示運用系統單芯片所開發的血壓計與免接觸數字溫度計。

　　在血壓計中運用系統單芯片(SoC)能大幅簡化設計流程，一個SoC整合了產品需要的高增益儀表放大器。運用整合式模擬/數字濾波器，就能擷取出振蕩脈沖信號。SoC內的可調式ADC可用來執行數據數字化，內建的CPU核心提供必要的處理功能，能執行程序代碼更長的算法。這種部件還整合了分段式LCD數字屏幕來顯示訊息； 紀錄數據的EERPROM內存；紀錄時戳的實時頻率； 連結PC接口的全速USB；從CPU取得數據的DMA，以及取代按鈕的觸控部件。SoC內的定時器能用來計算心跳速度，以及處理安全功能。SoC亦支持大范圍的運作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC內的脈沖調變器可用來控制馬達。

　　SoC整合必要的放大器與ADC，在紅外線溫度計內用來偵測微伏特等級的變化。SoC內部有精準的參考電壓，能為傳感器提供一個穩定且精準的參考訊源。SoC內建的其它功能包括Segment LCD 數字屏幕驅動器、EEPROM內存、RTC、USB 接口、以及觸控感測等。

　　如上所述，SoC整合了大多數的外圍部件。如此業者可立即省掉為數可觀的部件。使用這種芯片還能保護模擬IP，因為所有模擬部件都已整合在芯片內。較少的部件數量，意謂PCB更加簡化、開發時間與上市時程亦更為縮短。芯片內各種外圍部件的功耗，可透過不同模式來單獨管理，電源管理的工作變得簡單且有效率。這些芯片的可調整彈性，在重新設計或變換解決方案時，能協助降低成本與作業時間。更重要的是運用系統單芯片，由于減少使用材料，因此讓FDA檢驗的程序更為簡單。血糖計、脈動測氧器、便攜式ECG心電圖裝置等，這些便攜式醫療電子設備都可采用SoC。

　　舉例來說，Cypress的PSoC 3/5產品(可編程系統單芯片)是針對各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計、血糖計、以及脈動測氧器等。PSoC3/5 結合 8051/ARM cortex M3核心，速度分別為33MIPS與100 DMIPS，還有放大器、專屬數字濾波器模塊、可設式Delta Sigma模擬數字轉換器、整合式LCD驅動器，最高能驅動736個數字段、能偵測接觸按鈕/手指接近的電容感測部件、2KB 的EEPROM、全速式USB 2.0、以及許多其它功能，因此建構出真正單芯片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對每項功能提供預先編程的可調式IP模塊，為產品設計師提供所有必要的工具，開發出微型化、高度可編程的最終產品，并達到極短的設計周期。PSoC 3/5部件的低功耗特性，更適合支持掌上型醫療/生活休閑等電子產品。

　　結論

　　整體而言，采用SoC的便攜式醫療電子設備讓設計工作更為簡化、保護IP智產，并提供許多嶄新與獨特的方法來解決問題，并讓FDA檢驗的流程更簡單。上述的解決方案范例顯示系統單芯片如何能簡化設計流程。在這些優勢下，運用系統單芯片的設計不僅更誘人，對于許多便攜式醫療裝置而言亦是更好的替代方案。