Abbildung 1: Blockschaltbild eines medizinischen Stimulationsgeräts mit externem Speicher, um die erweiterte Funktionalität zu unterstützen
Die erste Herausforderung für Systemarchitekten ist es, das richtige System auf Chip (SOC) oder Mikrocontroller zu identifizieren, um als Herz des Systems zu dienen. Es muss in der Lage sein, die gewünschte Leistung bereitzustellen, während gleichzeitig das Strombudget des Gesamtsystems reduziert wird.
Peripheriegeräte, wie beispielsweise externe Speicher, Sensoren und Telemetrie-Schnittstellen, müssen mit der Soc / Microcontroller-Leistung vergleichbar sein, während auch einen kompakten Formfaktor und einen effizienten Stromverbrauch unterstützt.
Speicherauswahl
Das ausgewählte Gerät integriert im Allgemeinen zwei Arten von Erinnerungen, Flash und SRAM.
Flash ist ein relativ langsamer, nichtflüchtiger Speicher, der eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen unterstützt. Es wird verwendet, um feste oder langsam wechselnde Daten wie Anwendungscode, Systeminformationen und / oder postverarbeitete Benutzerdatenprotokolle festzuhalten.
SRAM ist ein schneller, volatiler Gedächtnis, der unbegrenzte Write-Zyklusdauer bietet. Es wird verwendet, um temporäre Laufzeitsystemdaten zu speichern.
Da die Systemkomplexität zunimmt, steigt der Codekomplexität für die mehreren mathematischen Funktionen und Algorithmen. Die interne An-Chip-Speicherkapazität kann nicht ausreichend sein. Tragbare medizinische Systeme benötigen häufig zusätzlichen Speicher, wodurch Konstrukteure erforderlich ist, um den internen Speicher mit externem Speicher zu erhöhen (Abbildung 1).
Ein externer Speicher mit niedrigem Leistung kann für die RAM-Expansion verwendet werden, typischerweise ein SRAM mit extrem niedrigem aktiven und Bereitschaftsstrom. Die Optionen für die nichtflüchtige Speicherung umfassen Flash, EEPROM, MRAM und F-RAM.
Der serielle Flash-Speicher wird aufgrund der geringen Kosten und der Verfügbarkeit von hohen Dichten verwendet. Es hat jedoch einen relativ hohen Energieverbrauch, der die Betriebsdauer von batteriebasierten Geräten verringert.
Einige Anwendungen ersetzen einen Teil des Speichers mit einem EEPROM, dies ist jedoch noch nicht batteriefreundlich, insbesondere wenn Operationen umfangreiche Schreibvorgänge in den EEPROM beinhalten. Es kompliziert auch das Anwendungscode-Design.
Magneto-Resistive RAM (MRAM) hat unbegrenzte Schreibdauer. Sein Nachteil ist jedoch, dass er sehr hohe aktive und Standby-Ströme verbraucht, und ist anfällig für Magnetfelder, die gespeicherte Daten beschädigen können. Diese Eigenschaften machen es daher in batteriebetriebenen medizinischen Geräten ungeeignet.
Ferroelektrischer RAM (F-RAM), hat mehrere wichtige Vorteile in tragbaren medizinischen Geräten und verfügt über eine hohe Write-Cycle-Ausdauer.
Medizinische Komplikationen
Abbildung 2: Energieverbrauch pro 4 MB Schreiben (μJ) für nichtflüchtige Speichertechnologien
Die begrenzte Schreibdauer von EEPROM und FLASH erstellt potenzielle Probleme für medizinische Geräte, die Datenprotokolle speichern müssen, die ständig aktualisiert werden. Flash bietet Ausdauer in der Größenordnung von 1E + 5 und EEPROM ist 1e + 6. Der F-RAM-Schreibzyklusdauer ist 1e + 14 (oder 100 Billionen). Dadurch können Geräte mehr Daten protokollieren, ohne komplexe Verschleißnivellieralgorithmen und überrangige zusätzliche Kapazität umsetzen zu müssen (Abbildung 3).
Ein zweiter Vorteil ist, dass die interne Architektur von F-RAM Aufträge von Größenversorgung mit niedrigerer Wirkungen verbraucht als ladungsbasierte Blitz- oder EEPROM-Speichervorrichtungen (Abbildung 2).
Beispielsweise von Excelon F-RAMs von Cypress-Stütz-Standby-Modus, tiefen Einschalt- und Ruhezustand. Die Implementierung dieser in eine Anwendung kann den Stromverbrauch um etwa zwei Größenordnungen in Kombination mit dem unteren aktiven Leistungsmodus reduzieren.
Abbildung 3: Leistungszyklusvergleich für nichtflüchtige Speichertechnologien
EEPROM und Flash erfordern zusätzliche Seitenprogramm- / Seitenschreibzykluszeiten, wodurch die Systemaktivzeit für Schreibvorgänge zunimmt. Mit der unmittelbaren Nicht-Volatilität von F-RAM können batteriebetriebene Systeme die Stromversorgung vollständig ausschalten oder das System schneller in einen niedrigen Energie-Leerlaufmodus ablegen, um sowohl den aktiven Zeit als auch den aktiven Strom zu reduzieren.
Dies verbessert auch die Zuverlässigkeit in Anwendungen, die genaue Zeitbedarf aufweisen, wenn Daten während eines Leistungsfehlers gefährdet sind. F-RAM-Zellen sind auch sehr tolerant für verschiedene Strahlentypen, einschließlich Röntgenstrahlen und Gammastrahlung und sind immun auf Magnetfeldern, um aufgezeichnete Daten zu schützen.
Einige F-RAM-Geräte, wie beispielsweise Excelon LP, liefern den Fehlerkorrekturcode (ECC), der Einzelbitfehler in jedem 64-Bit-Datenwort erkennen und korrigieren kann, wodurch die Erhöhung der kritischen Systemdatenprotokolle zu erhöhen. F-RAM unterstützt auch den gesteuerten Spitzenstrom (dh Einschaltstromsteuerung von weniger als 1,5 mA), um übermäßige Abgabe der Batterie zu verhindern.
F-RAM kann in der Verpackung untergebracht werden, die raumeffizient ist. Zum Beispiel bietet die Excelon LP bis zu 8 MBit und ist in der Industriestandard-acht-poligen Soic und Miniatur-acht-poliger GQFN-Pakete mit einem Durchsatz von bis zu 50 MHz SPI E / A und 108 MHz QSPI (Quad-SPI) E / A verfügbar.
Die praktisch unendliche Ausdauer von F-Ram, sofortige Nichtvolatilität und niedriger Stromverbrauch ermöglichen es Systemdesigner, sowohl ram- als auch rom-basierte Daten als auch Funktionen in einem einzigen Speicher zu kombinieren.
Rom-basierte Technologien, einschließlich Mask-ROM, OTP-EPROM und NOR-FLASH, sind nicht volatil und orientieren sich an Codespeicheranwendungen.
NAND-Flash und EEPROM können auch als nichtflüchtiger Datenspeicher dienen. Diese benötigen alle etwas Kompromisse, da sie im Vergleich zu alternativen Erinnerungen sowohl den Code als auch den Datenspeicher mit niedriger Leistung ausführen.
Diese Technologien konzentrieren sich auf niedrigere Kosten, was ein Kompromiss der Nutzungsfreundlichkeit und / oder der Leistung erfordert.
RAM-basierte Technologien dienen als Datenspeicher und auch als Arbeitsraum für die Codeausführung, wenn er beim Ausführen von Flash ausführt, erweist sich zu langsam. RAM bietet eine Mischung aus Code- und Datenfunktionen, aber seine volatile Natur begrenzt seine Verwendung auf temporäre Speicherung.
Tragbare Anwendungen erfordern eine optimierte Leistung in nur wenigen Komponenten wie möglich.
Die Verwendung mehrerer Speichertypen kann zu Ineffizienzen führen, Codesdesign kompliziert und in der Regel mehr Energie verbraucht.
Die Effizienz und Zuverlässigkeit des F-RAM ermöglicht es, eine einzelne Memory-Technologie für beide Code und Daten zu behandeln.
Es hat die Ausdauer, die Hochfrequenzdatenprotokollierung zu unterstützen, während die Systemkosten senkt, die Systemeffizienz steigern und die Systemkomplexität reduzieren.
