Figur 1: Blockschema över en medicinsk stimuleringsanordning med användning av externt minne för att stödja avancerad funktionalitet
Den första utmaningen för systemarkitekter är att identifiera rätt system på chip (SOC) eller mikrokontroller för att fungera som hjärtat av systemet. Det måste kunna tillhandahålla önskad prestanda samtidigt som det övergripande systemets kraftbudget minskar.
Perifera enheter, såsom externa minnen, sensorer och telemetrigränssnitt måste vara jämförbara med SOC / Microcontroller-prestanda, samtidigt som du stöder en kompakt formfaktor och effektiv strömförbrukning.
Minnesval
Den valda enheten integrerar i allmänhet två typer av minnen, Flash och SRAM.
Flash är ett relativt långsamt skrivande, icke-flyktigt minne som stöder ett begränsat antal skrivcykler. Den används för att hålla fast eller långsam ändring av data, såsom programkod, systeminformation, och / eller efterbehandlade användardata loggar.
SRAM är ett snabbtåtkomst, flyktigt minne som ger obegränsad skrivcykeluthållighet. Den används för att lagra tillfälliga körtidssystemdata.
När systemkomplexiteten ökar, så gör kodkomplexiteten för de multipla matematiska funktionerna och algoritmerna. Interna minneskapacitet med inre chip kan vara otillräcklig. Bärbara medicinska system behöver ofta ytterligare lagring, vilket kräver att designers ökar internt minne med externt minne (Figur 1).
Ett lågt externt minne kan användas för RAM-expansion, typiskt en SRAM med extremt låg aktiv och vänteläge. Alternativ för icke-volatil lagring inkluderar Flash, EEPROM, MRAM och F-RAM.
Serial Flash-minnet används för icke-flyktigt program och datalagringsexpansion på grund av dess låga kostnader och tillgängligheten av höga densiteter. Det har emellertid relativt hög energiförbrukning, vilket minskar batteribaserade enheter.
Vissa applikationer ersätter en del av minnet med en EEPROM, men det här är fortfarande inte batterilän, speciellt när operationer involverar omfattande skriver till EEPROM. Det komplicerar också applikationskoddesign.
MAGNETO-resistiv RAM (MRAM) har obegränsad skrivuthållighet. Dess nackdel är emellertid att den förbrukar mycket högaktiva och vänteläge och är mottaglig för magnetfält som kan korrumpera lagrade data. Dessa egenskaper gör det därför olämpligt i batteridrivna medicintekniska produkter.
Ferroelectric Ram (F-RAM), har flera viktiga fördelar i bärbara medicinska enheter och den har hög skrivningsuthållighet.
Medicinska komplikationer
Figur 2: Energiförbrukning per 4MB skriv (μJ) för icke-flyktig minneteknik
Den begränsade skriven uthållighet för EEPROM och Flash skapar potentiella problem för medicinsk utrustning som behöver lagra dataloggar som ständigt uppdateras. Flash erbjuder uthållighet i storleksordningen 1E + 5 och EEPROM är 1E + 6. F-RAM-skrivningscykeluthållningen är 1E + 14 (eller 100 trillion). Detta gör det möjligt för enheter att kunna logga in mer data utan att behöva genomföra komplexa slitningsalgoritmer och överfördelning av ytterligare kapacitet (Figur 3).
En andra fördel är att den interna arkitekturen av F-RAM förbrukar storleksordningar med lägre aktiv energi än laddningsbaserade Flash eller EEPROM-lagringsenheter (Figur 2).
Excelon F-RAMs till exempel från Cypress support vänteläge, djupa strömmen ner och viloläge tomgångslägen. Genomförandet av dessa i en applikation kan minska strömförbrukningen med cirka två storleksordningar i kombination med det nedre aktiva strömläget.
Figur 3: Uthållighetscykeljämförelse för icke-flyktig minneteknik
EEPROM och Flash kräver ytterligare sidoprogram / sidskrivningscykeltider, vilket ökar systemet aktiv tid för skrivoperationer. F-RAMs omedelbara icke-volatilitet gör det möjligt för batteridrivna system att helt stänga av strömförsörjningen eller snabbare släppa systemet i ett lågt ellägsläge för att minska både aktiv tid och aktiv ström.
Detta ökar också tillförlitligheten i applikationer som har exakta tidsbehov där data är i fara under ett strömfel. F-RAM-celler är också mycket toleranta mot olika typer av strålning, inklusive röntgenstrålar och gammastrålning och är immun mot magnetfält, för att skydda inspelade data.
Vissa F-RAM-enheter, såsom Excelon LP, tillhandahåller on-chip-felkorrigeringskod (ECC) som kan detektera och korrigera enstaka fel i varje 64-bitars datord, vilket ökar kritiska systemdata loggar lagringsäkerhet. F-RAM stöder också kontrollerad toppström (dvs inrushströmskontroll mindre än 1,5 mA) för att förhindra överdriven urladdning av batteriet.
F-RAM kan vara inrymt i förpackningar som är rymdig. Excelon LP erbjuder till exempel upp till 8mbit och är tillgänglig i industristandard åtta-pin soic och miniatyr åtta pin GQFN-paket med genomströmning upp till 50MHz SPI I / O och 108MHz QSPI (Quad-SPI) I / O.
F-RAMs praktiskt taget oändliga uthållighet, omedelbar icke-volatilitet och låg strömförbrukning tillåter systemdesigners att kombinera både RAM- och ROM-baserade data och funktioner inom ett enda minne.
ROM-baserad teknik, inklusive mask-ROM, OTP-EPROM och Nor-Flash, är icke-volatila och är orienterade mot kodlagringsapplikationer.
NAND-Flash och EEPROM kan också fungera som icke-flyktigt dataminne. Dessa kräver alla en kompromiss, eftersom de utför både kod och datalagring med lågprestanda jämfört med alternativa minnen.
Dessa tekniker fokuserar på lägre kostnad, vilket kräver en avvägning av användarvänlighet och / eller prestanda.
RAM-baserad teknik fungerar som dataminne och även som ett arbetsutrymme för kodutförande vid exekvering från Flash visar sig för långsamt. Ram ger en blandning av kod och datafunktionalitet, men dess flyktiga natur begränsar dess användning till tillfällig lagring.
Bärbara applikationer kräver optimerad prestanda i så få komponenter som möjligt.
Att använda flera minnestyper kan leda till ineffektivitet, komplicerar koddesign och förbrukar vanligtvis mer energi.
F-RAM: s effektivitet och tillförlitlighet gör det möjligt för en enda minneteknik att hantera både kod och data.
Den har uthållighet att stödja högfrekventa dataloggning samtidigt sänka systemkostnad, vilket ökar systemeffektiviteten och minska systemkomplexitet.
