29、生物医学嵌入式系统通用架构解析

生物医学嵌入式系统通用架构解析

1. 引言

近年来，生物医学应用领域对嵌入式系统的关注度与日俱增。像临床分析中的生化操作（如葡萄糖/乳酸分析）、临床诊断的DNA分析和蛋白质组学分析，以及实时的患者监测等应用，都对计算和通信能力提出了较高要求，同时还需保证系统的便携性和自主性。

为满足便携性和计算能力的需求，嵌入式系统开始集成无线设备，以便与通用计算系统进行通信，并构建分布式计算平台。然而，现有的生物医学嵌入式系统存在一些问题，一方面要配备低功耗通信系统，另一方面要能轻松集成到更广泛的分布式计算平台中，同时还需考虑计算和通信层面的可靠性与安全性。由于传感器和医疗设备种类繁多，因此需要开发通用的计算/通信架构，以支持分布式嵌入式系统在不同应用和环境中的部署。

本文提出了一种用于实现分布式平台的通信架构，该架构涵盖硬件和软件组件，能够借助现有技术开发出自主且协作的嵌入式系统。此外，还展示了该架构在开发基于集成磁阻生物芯片的手持式生物分子识别微系统中的应用。实验结果表明，该架构具有灵活性，可直接应用于多种不同应用的嵌入式系统设计，并能轻松调整以满足每个生物医学实验的特定需求。

2. 架构设计

2.1 硬件架构

下图展示了所提出架构的硬件组件框图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[Data Transfer Manager]:::process --> B[Acquisition/Processing Platform (APP) [11]]:::process
    C[Power Manager]:::process --> B
    D[PDA / Laptop]:::process --> E[Software Interface]:::process
    E --> F[Autonomous Communication Platform (ACP) [11]]:::process
    F --> G[Emitter/Receiver]:::process
    F --> H[Cryptographic Engine]:::process
    B --> F
    I[APP [1N]]:::process --> J[ACP [1N]]:::process
    J --> K[C. Module]:::process
    L[Master [1]]:::process --> M[Internet]:::process
    N[Master [M]]:::process --> M
    O[APP [M1]]:::process --> P[ACP [M1]]:::process
    P --> Q[C. Module]:::process
    R[APP [MN]]:::process --> S[ACP [MN]]:::process
    S --> T[C. Module]:::process
    K --> L
    Q --> N
    T --> N

在自主通信平台（ACP）的核心部分，有一个通信管理器，负责与本地采集/处理平台（APP）进行数据和命令的通信。这两个平台通过串行外设接口（SPI）紧密耦合，该接口采用简单协议但具有较大带宽。它们共同构成一个嵌入式系统，通过通信模块与更通用的计算设备（如笔记本电脑或个人数字助理（PDA））进行通信。这些通信模块实现了所有必要的协议，并为串行标准协议（有线或无线）提供电气接口，如通用串行总线（USB）、蓝牙或Wi-Fi。

多个便携式通信/处理平台可通过通信标准的组网能力连接到单个主设备。例如，蓝牙可在设备距离在10米以内时通过无线电链路建立连接。主设备还可通过IEEE 802.11标准直接构建无线局域网（LAN），形成第二层通信网络。为了开发分布式环境，使不同主设备能够通过广域网（WAN）连接，建议使用超文本传输协议（HTTP）和Web服务。出于安全考虑，可在安全套接层（SSL）或传输层安全（TLS）之上实现HTTP，即HTTPS。

ACP中还有两个重要模块：电源管理器和加密引擎。由于平台是自主的，需要配备电池。电源管理器负责监控电池状态，并在必要时进行充电。当使用某些总线（如USB）时，控制器还可为其他设备提供电力，这些电能也可供应给通常也需自主运行的采集/处理平台。

加密引擎确保数据传输到主设备时的隐私和完整性。在本应用中，可采用公钥或对称加密系统，如椭圆曲线密码学（ECC）和高级加密标准（AES）。这些算法所需的密钥尺寸较小，且每比特强度较高。对于ECC，还有一些针对计算能力有限的便携式和自主设备的优化实现。如果需要极低功耗运行，也可考虑其他计算资源需求较少的加密算法。

2.2 实际实现

下图展示了自主便携式通信平台的实际实现框图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[Microcontroller (PIC 18F4550)]:::process --> B[Bluetooth]:::process
    A --> C[Acquisition/Processing Platform (APP)]:::process
    D[AC / DC Power Adapter]:::process --> E[USB Bus Power]:::process
    E --> F[USB UART]:::process
    F --> A
    E --> G[Voltage Converters]:::process
    G --> H[Analog Power Supply]:::process
    G --> I[Digital Power Supply]:::process
    J[PDA / Laptop (Master)]:::process --> A
    C --> A
    K[Charger and Battery]:::process --> A

平台核心是一个集成了USB堆栈和收发器的现成微控制器（PIC）。该PIC通过SPI简单协议管理与ACP的所有通信，传输速率可达30 Mbps，用于在采集和处理平台之间传输数据和命令。PIC还提供通用异步接收器/发送器协议，可直接用于连接平台，也可作为接口将数据传输到蓝牙通信模块。不同的通信模块可实现不同的传输速率和距离，例如USB可达12 Mbps，蓝牙在10米范围内可达2 Mbps。此外，USB还可为通信和采集/处理平台提供电能。

与APP的通信采用简单协议，仅使用两种类型的数据数据包。首先，使用固定长度数据包发送命令，随后跟上要传输的数据值数量。然后，接收器解释命令并发送确认信号。最后，发送器使用可变长度数据包传输指定数量的数据值。命令可分为配置和采集两类，尽管数据包结构相同，但采集命令会使APP额外发送一个可变长度数据包。主设备与ACP之间的通信也采用类似协议，但确认信号的实现方式不同。当需要向主设备进行安全数据传输时，PIC负责实现加密算法。

电源管理器模块由带有电压感应的电池充电电路组成，可从USB主设备获取能量，也可从外部电源获取能量。感应电路用于在软件层面应用低功耗技术，并动态调整微控制器的工作频率。平台组件所需的电源电压通过高效开关电压转换器获得。

2.3 软件架构

通信平台的软件大部分用C语言编写，部分关键部分用汇编语言编码。加密引擎是一个可选的软件模块，用于在将消息发送到主设备之前对其进行加密，该模块可由电源管理器关闭。

主设备所需的软件采用微软操作系统和工具进行开发，使用C++编写类，用于解密、通信和通用用户界面设计。主设备之间的通信通过基于简单对象访问协议（SOAP）的Web服务交换请求或回复来实现。Web服务使用基于可扩展标记语言（XML）的文件提供请求接受和回复服务。当主设备需要发送请求时，请求接受服务只需将请求XML文件写入服务器机器的指定目录，并返回请求ID。回复服务则在服务器机器的回复目录中查找与请求ID相关的XML文件，并返回其内容。因此，主设备只需交换请求/回复数据。

3. 架构应用

该架构被应用于开发基于磁性粒子标记目标生物分子的手持式生物分子识别微系统。标记目标由固定在芯片传感位点表面的生物分子探针识别，磁传感器检测标记物的边缘磁场。这种微系统的主要优点是能够通过读取每个探针位点下方传感器检测到的磁场，直接检测生物分子识别（如DNA杂交）。采用电测量而非光学测量，可显著降低读出系统的复杂性并提高灵敏度。

下图展示了生物分析微系统的采集/处理平台框图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[Acquisition/Processing Platform (APP)]:::process --> B[Autonomous Communication Platform (ACP)]:::process
    C[Heater control (PWM)]:::process --> D[MC/DSP]:::process
    D --> E[Temperature Control]:::process
    D --> F[Current line control (PWM)]:::process
    F --> G[Driver]:::process
    G --> H[Row address]:::process
    G --> I[Magnetic Field Generator]:::process
    J[Serial link]:::process --> K[VSens]:::process
    J --> L[VRef]:::process
    M[Current Generator]:::process --> N[Switch]:::process
    N --> O[Biochip]:::process
    P[Switch]:::process --> O
    Q[Serial link]:::process --> O
    R[Serial link]:::process --> S[Column address]:::process
    O --> T[VADC]:::process
    T --> U[Signal Acquisition]:::process
    U --> V[Measure type]:::process
    U --> W[Sensor Addressing and Readout]:::process

采集/处理平台通过SPI与ACP相连，负责生成驱动传感器阵列所需的所有电信号，对每个传感器进行单独寻址和信号读出。此外，还负责利用生物芯片的电流线和薄膜二极管（TFD）的电压 - 温度特性，对生物芯片的子区域进行单独的温度测量和控制。

传感器寻址基于集成TFD的换向矩阵，每个TFD既作为温度传感器，又作为与磁阻隧道结（MTJ）串联的开关。微控制器通过数模转换器（DAC）为传感器读取提供行/列地址，并定义所需的驱动电流。这使得可以使用单个DAC和单个仪表放大器来驱动和读取矩阵阵列中的所有传感器，这些是唯一的模拟电路，控制和信号处理由与1 Mbit内存相关联的数字处理器执行，用于存储所有采集和处理的数据。

TFD作为温度传感器的校准通过在每个传感位点的串行电路终端放大电压来进行。此校准阶段在设置时进行，以实验方式提取TFD的参数，从而实现电压 - 温度特性的表征。使用生物芯片上的参考传感器测量的绝对和差分电压为每个传感器填充校准表。为了测量MTJ由于磁场变化引起的电阻变化，采用交流激励，通过放置在生物芯片下方的线圈产生外部磁场，该磁场的产生由数字控制。这种交流分析通过差分放大模式允许测量小的相对电阻变化（小于1%）。必要的参考信号可由微控制器生成，或在特定操作条件下从传感器本身记录。

在这个特定应用中，使用了具有英特尔XScale PXA 272 520 MHz处理器、128 MB RAM内存、蓝牙1.2和USB 1.1主机功能的Pocket Loox 720作为主设备，主设备也可使用笔记本电脑，只需对软件进行最小改动。主设备可以执行所有必要的数据分析，也可以将数据发送到其他主设备进行进一步处理。主设备提供的图形用户界面中的一个菜单允许配置要执行的实验，定义生物芯片的几何形状（如16×16矩阵），激活/停用某些传感器，并提取其主要特征。还有其他更详细的子菜单可用于定义应用于传感器的激励类型，以及选择要收集和记录的测量值。

生物医学嵌入式系统通用架构解析

4. 原型实现与实验结果

所描述的通信平台架构在传统的两层印刷电路板（PCB）上实现，该电路板预留了蓝牙模块的空间。由于生物分析平台测量的信号变化缓慢，因此选择了传输速率较低但功耗较小的蓝牙模块。实现的电路板呈方形，面积约为32平方厘米，小于信用卡大小。通信板和采集板尺寸相同，可堆叠在一起，使系统更加紧凑。以下是嵌入式微系统的原型图：
|原型类型|描述|
| ---- | ---- |
|生物分析平台|用于生物分子识别微系统的采集和处理部分|
|通信平台|实现与主设备通信的部分|

根据对ACP功耗的实验结果，当平台以全速连续运行并使用约700 mAh的电池时，其续航时间约为30小时。如果通过电源管理器适当调整工作频率，续航时间可显著增加。对于预期应用，采集采样率较低，为了节省电量，蓝牙传输速率设置为9600 kbit/s。由于通信开销，实际数据传输速率降至7000 kbit/s，但仍能满足生物分析系统的要求。

在加密引擎方面，原型中使用了16字节密钥大小的AES算法对16字节数据块进行加密，因为有针对目标微控制器的优化实现。由于这种编码方法每字节仅需367个指令周期，因此仍可用于实时数据采集的安全保障。

嵌入式系统原型使用了浓度为2.3×10⁹个粒子/ml、直径为1.5 µm的磁性纳米颗粒溶液进行测试。数模转换器（DAC）通过10 kΩ的磁阻隧道结（MTJ）驱动5 µA的直流电流。电压信号经过合适的抗混叠滤波器后，由模数转换器（ADC）以6 Hz的采样率进行测量，测量时间约为80秒。约20秒后，将溶液滴在传感器上，再过30秒后用蒸馏水清洗传感器。采集的数据记录在个人数字助理（PDA）上，并使用简单对象访问协议（SOAP）发送到桌面计算机。去除47 mV的直流信号后，数据以网页形式图形化展示，该网页使用托管在Apache 2.0 Web服务器上的PHP 5.0生成，通过JpGraph面向对象的图形创建库绘制图形，生成可由Web浏览器解释的PNG文件。实验结果清晰地显示出由于纳米颗粒存在而产生的190 µV信号，证明了所开发的嵌入式系统可用于粒子检测。

5. 总结

本文提出了一种用于设计生物医学嵌入式系统的新型通用模块化架构。由于生物医学可编程系统涉及硬件和软件组件，因此两者都至关重要。所开发的平台能够适应特定采集平台的需求。通过实现生物分子识别系统的原型，验证了该架构的有效性。该嵌入式系统基于磁阻传感器检测磁性标记物，并使用现成的组件实现。原型包含与主系统通信所需的所有设备，并提供基于数据加密的安全机制。实现的数据传输速率为7000 kbit/s，可满足采集平台的需求，如有需要还可提高。此外，该原型的低功耗特性使其能够以全速自主运行超过30小时。这些实验结果表明，该架构在开发分布式生物医学嵌入式系统方面具有重要价值。

以下是该架构的优势总结：
1. 灵活性 ：可直接应用于多种不同应用的嵌入式系统设计，并能轻松调整以满足每个生物医学实验的特定需求。
2. 安全性 ：通过加密引擎确保数据传输的隐私和完整性。
3. 低功耗 ：电源管理器可有效管理功耗，延长系统续航时间。
4. 可扩展性 ：支持多个便携式通信/处理平台连接到单个主设备，构建分布式系统。

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A[架构优势]:::process --> B[灵活性]:::process
    A --> C[安全性]:::process
    A --> D[低功耗]:::process
    A --> E[可扩展性]:::process

综上所述，这种通用架构为生物医学嵌入式系统的设计和开发提供了一种有效的解决方案，有望在生物医学领域得到广泛应用。