Trådløse SoC-er for tilkoblede helseenheter

Helsevesenet har innført større bruk av digital teknologi de siste tiårene. COVID-19-pandemien bidro til å akselerere denne utviklingen. Den eksterne tilgangen til helsetjenester som ble nødvendiggjort av pandemien, fremhevet flere andre fordeler, for eksempel mer effektiv levering av helsetjenester og kontinuerlig pasientovervåking. Teknologiske fremskritt har skapt medisinske tingenes Internett (IoMT – Internet of Medical Things), der nettverk av pasienter med bærbare og/eller kroppsbårne medisinske enheter og sensorer, og tilknyttede helsevesen og leverandører, er koblet til via Internett. Kontinuerlige blodsukkernivåer og hjertemonitorer (pulsmålere) er eksempler på enheter som har blitt populære. IoMT-enheter bidrar til å automatisere dataoverføring, og dermed redusere menneskelige feil. Fremskritt innen prediktiv dataanalyse og kunstig intelligens (AI) gjør IoMT-enheter enda kraftigere ved å muliggjøre datadrevet diagnostikk med tidlig påvisning av abnormiteter, større pasientengasjement og reduserte helsetjenestekostnader.

Viktige krav til IoMT-enheter

• Sikkerhet: Den sensitive karakteren til den medisinske informasjonen som overføres, krever et høyt sikkerhetsnivå. AES (Advanced Encryption Standard) og ECC (Elliptical Curve Cryptography) kan kryptere og dekryptere dataoverføring ved hjelp av sikre nøkler, og dermed godkjenne dataene. Nøkler basert på en sann generator av tilfeldige tall (TRNG – true random number generator) i enheten bidrar til sikker generering av disse nøklene. Spoofingangrep (svindelmanipulasjon – forfalskning av avsender i digital kommunikasjon) kan minimeres ved å bruke enhetsidentifikasjon som bruker unike fysisk uklonbare funksjoner (PUF – physically unclonable functions) i halvlederenheten. Sikker oppstart av maskinvareprotokoller, samt mekanismer som sikrer mot inngrep og hindrer tilgang til beskyttede områder i enhetsminnet, bidrar til å forbedre enhetssikkerheten.
• Strømforbruk: Bærbare og kroppsbårne enheter drives vanligvis av batteristrøm. Kommunikasjonsprotokoller med lavt strømforbruk, for eksempel Bluetooth LE 5.x, strømsparingsmoduser når enheten ikke er aktiv og en effektiv arkitektur som optimaliserer driftsytelsen kontra strømforbruket, er noen viktige funksjoner som kan maksimere batterilevetiden.
• Funksjonsrikt sett i liten størrelse: Små og lette enheter gjør det mulig å bruke dem i bærbare og kroppsbårne medisinske utrustninger. Nye utrustninger, for eksempel smarte tannimplantater, krever små formater. SoC-konseptet (SoC – System on Chip) gir et høyt nivå av flerfunksjonell integrasjon på én enkel brikke. Dette kan inkludere et periferifunksjonssett som gir høyhastighets analog og digital deteksjon, måling, datatransformasjon og kommunikasjon. Andre grunnleggende krav inkluderer trådløs tilkobling, høyhastighets databehandling med stort flash- og RAM-minne, presisjonsklokker med lav frekvens og lavt strømforbruk, DC–DC-spenningsregulering osv.

Silicon Labs trådløs EFRBG27 Gecko SoC-familie for IoMT-utrustninger

I mars 2023 annonserte Silicon Labs lanseringen av en ny familie med sikre enheter med lavt energiforbruk, som utvider sortimentet med trådløse Gecko-enheter. Dette inkluderer BG27-serien med Bluetooth LE SoC-enheter som er ideelle for IoMT-utrustninger.

Et blokkskjema som viser det omfattende funksjonssettet som er inkludert i BG27 SoC-en, vises i figur 1. Nedenfor finner du noen detaljer om de viktigste funksjonene:

Figur 1: Funksjonssett for den trådløse EFR32BG27 Gecko SoC-familien. (Bildekilde: Silicon Labs)

Prosessor og minne:76,8 MHz, 32-bits ARM Cortex® M33 RISC-kjerne med DSP-instruksjon og flytetallsenhet gir mulighet for signalbehandling med høy ytelse ved 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Den inkluderer ARM TrustZone-sikkerhetsteknologi. Flash-minnet er på 768 kB, mens dataminnet er på 64 kB RAM. LDMA-styring (Linked Direct Memory Access Controller) gjør det mulig for systemet å utføre minneoperasjoner uavhengig av programvaren, og dermed reduseres energiforbruket og programvarens arbeidsbelastning.

Laveffektmoduser: EFR32BG27 inkluderer en energistyringsenhet (EMU – Energy Management Unit) som styrer overgangene til energimodusene (EM0 til EM4) i SoC-en. Med EMU-en kan utrustninger dynamisk minimere energiforbruket under programkjøring. EM0-MODUS gir det høyeste antallet funksjoner, for eksempel aktivering av CPU, radio og periferienheter ved den høyeste klokkefrekvensen. Periferiutstyr kan deaktiveres i de aktive lavenergimodusene EM2, EM3. Spenningsskalering brukes av EMU-en når det er en overgang mellom energimoduser for å optimalisere energieffektiviteten ved å fungere ved lavere spenninger når det er mulig. EM4 er en inaktiv tilstand med lavest strøm, noe som gjør det mulig for systemet å våkne opp i EM0-modus.

DC–DC-omforming: EFR32BG27-familien inkluderer både opp- og nedtransformeringsomformere på brikke (buck and boost mode on-chip converters) som kan levere den nødvendige interne spenningen på 1,8 V. De opptransformerende omformerne (boost mode converters), for eksempel EFR32BG27C230F768IM32-B, er i stand til å fungere ned til 0,8 V, noe som muliggjør enkeltcellet alkalisk sølvoksid og annen lavspent batteridrift. Den opptransformerende omformeren kan slås av ved hjelp av en dedikert BOOST_EN-pinne, noe som sparer systemets batteristrøm under lagring og frakt. I denne modusen er det maksimale strømforbruket bare 20/50 nA, avhengig av strømtilførselen til visse pinner. I de nedtransformerende omformerne (buck mode devices), for eksempel EFR32BG27C140F768IM40-B, kan maksimalt 3,8 V forsynes eksternt. En integrert strømforsyning overvåker signaler når forsyningen er lav nok til at regulatoren kan forbikobles (bypass) og utvide området til 1,8 V. Forbikoblingsmodusen gjør det også mulig for systemet å gå inn i EM4-energisparingsmodus. En Coulomb-tellerblokk er integrert i DC–DC-omformeren. Dette inkluderer to 32-bits tellere som brukes til å måle antall ladepulser levert av DC-DC-omformeren, noe som muliggjør nøyaktig batterinivåsporing for å forbedre brukersikkerheten.

Bluetooth 5.x-nettverk: Protokoll for trådløs lavenergi-Bluetooth (Bluetooth LE) støttes av denne SoC-familien. Radiomottakeren bruker en lav-IF-arkitektur som består av en lavstøy-forsterker og en I/Q-nedomforming. Den automatiske forsterkningsstyringsmodulen (AGC – automatic gain control) justerer mottakerforsterkningen for å unngå metning og gi forbedret selektivitet og blokkeringsytelse. 2,4 GHz-radioen kalibreres ved produksjon for å forbedre bildeavvisningsytelsen. Familien omfatter en rekke sendereffekter, fra 4 dBm til 8 dBm. RF-støydemping inkluderer drift av DC–DC-omformeren i myk svitsjemodus ved oppstart og DC–DC-regulering-til-forbikobling-overganger (DC/DC regulating-to-bypass transitions) til å begrense maksimal stigehastighet for forsyningen og redusere innkoblingsstrømstøt. RFSENSE-blokken gjør det mulig for enheten å forbli i EM2-, EM3- eller EM4-energisparingsmodus og våkne når RF-energi over en spesifisert terskel detekteres.

Sikkerhet: EFR32BG27-familien med SoC-er inkluderer en rekke sikkerhetsfunksjoner, som vist i figur 2.

Figur 2: Sikkerhetsfunksjoner for den trådløse EFR32BG27 Gecko SoC-familien. (Bildekilde: Silicon Labs)

Sikker oppstart med RTSL (Root Of Trust / Secure Loader) autentiserer pålitelig fastvare som starter fra uforanderlig ROM-minne (ROM – Read Only Memory). Den kryptografiske akseleratoren støtter AES- og ECC-kryptering og -dekryptering. Den inkluderer også DPA-mottiltak (DPA – Differential Power Analysis) for å beskytte nøkler. TRNG høster entropi fra en termisk kilde og inkluderer oppstartshelsetester for denne kilden, som kreves av NIST SP800-90B- og AIS-31-standardene, samt helsetester på nett som kreves for NIST SP800-90C. Feilsøkingsgrensesnittet, som er låst når delen er frigjort i feltet, har en sikker opplåsingsfunksjon som muliggjør autentisert tilgang basert på offentlig nøkkel-kryptografi. På maskinvaresiden muliggjør en ETAMPDET-modulen (ETAMPDET – external tamper detect) deteksjon av ekstern sabotasje, for eksempel uautorisert åpning av kabinettet. Den kan generere et avbrudd (interrupt) for å varsle programvaren og gjøre det mulig å utføre handlinger på systemnivå.

Omfattende periferisett: SoC-ene inkluderer hybride analog-til-digital-omformere som kombinerer både SAR- og Delta-Sigma-teknikker. 12-bits-modusen kan fungere med hastigheter på opptil 1 Ms/s, mens 16-bits-omformeren kan fungere med opptil 76,9 ks/s. Den analoge komparatormodulen kan bruke interne eller eksterne referanser, og kan også brukes til å detektere forsyningsspenningen. Både SPI-, USART- og I2C-seriekommunikasjonsmoduser støttes. RTCC-modulen (RTCC – Real Time Clock and Capture) gir 32-bits tidtaking ned til EM3-strømmoduser, og kan klokkes med den interne lavfrekvente oscillatoren. Lavenergitimeren (LETIMER – Low Energy Timer) gir 24-bits oppløsning og kan brukes til timing og utgangsgenerering når mesteparten av enheten er slått av, slik at enkle oppgaver kan utføres med minimalt strømforbruk. PRS-systemet (PRS – Peripheral Reflex System) er et signalrutingsnettverk som muliggjør direkte kommunikasjon mellom periferimodulene uten å involvere CPU-en. Dette reduserer programvarekostnader og strømforbruk.

Kapslinger med lite format: En av enhetene i EFR32BG27-familien er EFR32BG27C320F768GJ39-B. Denne enheten kommer i en WLCSP-kapsling (WLCSP – wafer-level chip scale package) med dimensjoner på bare 2,6 mm x 2,3 mm, og de kan kjøres i regulatormoduser med enten opp- eller nedtransformering. Resten av familien kommer i enten QFN32-kapsling på 4 mm x 4 mm eller QFN40-kapsling på 5 mm x 5 mm i spesifikke regulatormoduser med enten opp- eller nedtransformering (buck eller boost).

Konklusjon

EFR32BG27 har bransjeledende energieffektive prosesseringsegenskaper og konnektivitet med lavenergi-Bluetooth. Disse SoC-ene med liten formfaktor, som inkluderer en rekke sikkerhetsfunksjoner, er ideelle for IoMT-utrustninger.