除了如血糖和血压监视器、心电图监测器等这些用于一般保健和身体监控的可穿戴医疗设备之外,一些新的特殊设备也开始涌现,从辅助手术的谷歌眼镜、康复保健用的无线传感鞋垫、监测心率和呼吸的内衣到测量个体应力水平的夹式装置。

 

虽然用于基本保健功能的检测手段看似微不足道,但一些更复杂的设备可以通过编程来测量和生成一些无法简单实现的更细致的图案报告。

 

 

你的设备有哪些基本功能?

你的新设备是否有通信模式或者它仅是一个独立组件?取决于它的通信需求,你可能需要把你软件开发的模式从裸机形式转向采用某种操作系统上。

 

是否存在确定性的实时需求?对于一些便携式医疗设备,不存在对实时行为的任何需求,如果你在中断发生100ms后才处理它,结果也许仅是延迟了100ms而已,而不会引起任何失效问题。

 

再或者,这个设备是仪器中的一个关键单元,所以它的成本敏感度最低。与此相反,一个将要销售数以千计的产品对成本敏感度很高。

 

这些决定直接影响到物料成本最小化的要求,反过来说,则很可能最小化系统的内存空间以有效构建完整的应用同时留有余量。

 

可穿戴设备的操作系统

可穿戴设备,乃至更广泛意义上的便携式医疗设备,通常由某种类型的操作系统(OS)进行管理。

 

这种OS可以是简单的公司内独立开发的OS,也可以是从供应商那里购买的复杂OS。

 

Linux或Android这样的通用操作系统(GPOS),为应用开发提供了性能丰富的开发平台,但是由于它们需要消耗额外的不必要的内存,所以对于特定应用而言经常显得冗余。

 

对现代医疗设备而言,实时操作系统RTOS)是一种很好的选择。当系统的某些需求需要占先式内核提供的确定性和较小的代码尺寸时,RTOS就显得非常理想了。

 

 

通信接口需求

今天的医疗设备和几年前的比较,最大的不同在于提供全面的连接能力,可以直接连接以太网或者通过如智能手机这样的中继提供到互联网的连接路径。这种连通性可以是间歇性的,或者通过无线或者通过临时的有限连接,也可以是常态的,采用众多可用的无线技术中的一种。

 

有限连接方式是成本最低的一种路由,但它的灵活性最低。尽管如此,对低成本设备而言,它们仍然是切实可行的解决方案。

 

当通过一种有线链路连接到可穿戴系统供应商提供的设备时,很可能会借助于非常简单的连接接口,如SPI和I2C。

 

在设备整个生命周期内甚至在开发周期内改变连接方式是可能的。可以通过采用操作系统高效地实现让应用层级的行为和底层连接方法无关的设计。

 

可穿戴医疗设备的真正未来取决于无线连接能力。USB是比SPI更复杂的一种协议,但无线连接方式则比USB更加复杂,尤其是在涉及到安全性时。

 

无线连接方法的跨度很广,涉及范围从蓝牙/BLE、WiFi等近场通信到移动蜂窝网络。在无线技术领域,技术、协议、方案都在迅速升级换代。

 

更重要的是,这类系统成本的动态变化,使得当前显得过于昂贵的解决方案明天就可能变得非常经济。

 

设备的可伸展性

像大多数电子设备的市场那样,可穿戴和便携式医疗设备市场也是一个大而全的整体,既有小而便宜的产品,也有大而复杂的设备。即使是在某一特定设备类别内也是如此,比如IV泵,这种设备及其功能的范围相当广泛。所以,在开发环境中,保持软件在尽量宽的设备范围内的通用性,对产品创造的经济性非常重要。

 

实时操作系统环境的一个优点之一便是随着目标应用选择RTOS API并针对那种规范开发应用程序的能力。

 

在RTOS的底层,中间件和设备驱动组件的集成提供了针对物理硬件的适配。

 

经过适当设计的应用可以适应特定产品版本在基本实例之上增加的特定细节。这种适应可以通过在运行时对所包含特征的动态评估或者在编译及链接过程中选择性地进行编译来实现。

 

解决低功耗问题

对可穿戴和便携式移动设备而言,电池寿命显示是至关重要的一个因素,通常处理器都包含一系列有效的节电能力。

 

所有可穿戴设备都需要功率优化

 

但不幸的是,这些节电能力都比较复杂,通常彼此不相关,而且与要实现特定节电模式不相关的系统模块也不相关。所以这些特性加起来为完成目标应用的开发者带来相当大的负担。

 

从电池中榨取最后一点nA-Hr的能力将决定设备在市场上的竞争力。开发者的软件开发工作将陷入一种纠结,即在为追赶和超越竞争对手引入复杂性和必须执行该项目次要方面所涉及的现实性问题之间权衡。

 

这个问题的解决方法是在一个整合了功耗管理的软件平台上进行应用软件的开发。

 

大多数大型通用操作系统都整合了相当复杂的电源管理功能,但这些操作系统根本就不会在便携式医疗设备的处理芯片中发挥作用。

 

大部分实时操作系统都提供某种形式的电源管理功能,最通用的是滴答禁止,它会在没有任务需要调度运行时禁止内核的周期定时器滴答中断,直到发生下一次定时器事件。

 

其他复杂的电源管理方法也可能被可穿戴设备所需要,但都很少实现在RTOS中。

 

Nucleus RTOS内置的节电功能包括动态电压频率调节(DVFS),以及所有外设供电级别及所有交互的控制,和对内核工作时钟周期的控制

 

为什么采用RTOS是有意义的?
为适应可穿戴医疗设备的机械外形,电子元件可用的空间非常小,散热能力也受到限制。

 

散热是与功耗并行的一个问题且已经得到解决。而设备的物理尺寸限制通常会驱使开发者选择MCU片上系统作为处理引擎。

 

虽然可以通过精湛装配外设阵列来抵消它们的尺寸问题,存储容量问题则是无法解决的。每种应用都需要更多的存储器,小型设备中的易失性和非易失性存储器都非常宝贵。

 

这一点,比什么都重要,也将通用操作系统阻挡在可穿戴医疗设备大门之外。

 

如果需要考虑RTOS,精简内核最适宜的代码和尺寸要求是2K(最低端的医疗设备决定的大小),RTOS须缩减到这种程度,同时这个RTOS还必须能够实现最全的功能。

 

随着日益涌现的可穿戴医疗设备被市场接受,有一些关键性的制造和设计需要开发者牢记在心:功率感知硬件、可适应的操作系统、广泛的连接能力和软件的长期使用,是任何便携式或可穿戴医疗设备获得成功的关键。

 

开发商必须在越来越复杂的高度竞争的市场中生存。为了实现这一点,开发人员和产品设计团队必须构建一个快速、灵活、轻量化和具有成本效益的平台。
 

更多有关实时操作系统的资讯,欢迎访问 与非网实时操作系统专区

 

与非网编译,未经许可,不得转载!