Az internetre kapcsolódó egészségügyi eszközökbe szánt vezeték nélküli egylapkás rendszerek

Az egészségügyi ágazatban az elmúlt évtizedekben egyre nagyobb mértékben használják a digitális technikát. A COVID-19 világjárvány felgyorsította ezt a fejlődést. A világjárvány miatt szükségessé vált az egészségügyi ellátáshoz való távhozzáférés, és ez számos más előnyre is rávilágított, ilyen például a hatékonyabb egészségügyi ellátás és a folyamatos betegfigyelés. A műszaki fejlődés létrehozta az egészségügyi dolgok internetét (IoMT, Internet of Medical Things), amelynek keretében a hordozható, illetve viselhető gyógyászati eszközökkel és érzékelőkkel ellátott betegek, valamint a megfelelő egészségügyi rendszerek és szolgáltatók hálózatai az interneten keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Széles körben elterjedt eszközök például a folyamatos vércukorszint-figyelők és a szívmonitorok. Az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó (IoMT-) eszközök segítenek automatizálni az adatátvitelt, csökkentve ezzel az emberi hibák számát. Az elővételező (prediktív) adatelemzés és a mesterséges intelligencia (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) fejlődése még hatékonyabbá teszi az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó eszközöket annak révén, hogy a rendellenességek korai felismerésével, a betegek nagyobb önbevonásával és az egészségügyi költségek csökkentésével lehetővé teszi az adatvezérelt diagnosztikát.

Az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó eszközökkel szemben támasztott legfontosabb követelmények

• Biztonság: A továbbított egészségügyi adatok kényes jellege miatt magas szintű biztonságra van szükség. Az AES (Advanced Encryption Standard, fejlett titkosítási szabvány) és az ECC (Elliptical Curve Cryptography, elliptikus görbén alapuló titkosítás) titkosítás biztonságos kulcsok használatával képes titkosítani az adatátvitel, valamint visszafejteni és hitelesíteni az átvitt adatokat. Az eszközben található valódi véletlenszám-generátoron (TRNG, true random number generator) alapuló kulcsok segítenek ezen kulcsok biztonságos előállításában. A megtévesztéses támadások minimalizálhatók a félvezető eszközön belüli egyedi, fizikailag másolhatatlan jellemzők (PUF, physically unclonable functions) segítségével történő eszközazonosítás használatával. A biztonságos hardveres indítóprotokollok, valamint a készülék memóriájának védett területeihez való hozzáférést megakadályozó, a jogtalan módosítás ellen védő mechanizmusok szintén hozzájárulnak a készülék biztonságának növeléséhez.
• Fogyasztás: A hordozható és a viselhető eszközök általában szárazelemről vagy akkumulátorról működnek. A kis fogyasztású kommunikációs protokollok, például a Bluetooth LE 5.x, a készülék inaktív állapotában használt energiatakarékos üzemmódok, valamint a fogyasztást az üzemi teljesítményhez optimalizáló jó hatásfokú architektúra olyan alapvető jellemzők, amelyek a lehető legnagyobbra növelhetik a szárazelem vagy akkumulátor üzemidejét.
• Kiterjedt funkciókészlet kis méretben: A kis és könnyű eszközök lehetővé teszik, hogy hordozható és viselhető gyógyászati eszközökben lehessen őket felhasználni. Az olyan új eszközök, mint az okos fogimplantátumok, kis méretet követelnek meg. Az egylapkás rendszerek (SoC, system-on-chip) mögött álló elgondolás számos funkció magas szintű beépítését teszi lehetővé egyetlen lapkába. Ez lehet például egy nagy sebességű analóg és digitális érzékelést, mérést, adatátalakítást és kommunikációt kínáló perifériás funkciókészlet. A további alapkövetelmények közé tartozik a vezeték nélküli kapcsolat lehetősége, a nagy sebességű adatfeldolgozás nagy flash- és RAM memóriával, a pontos, kis frekvenciájú és kis jelszintű órajelek és időzítők, az egyenáram-átalakítós feszültségszabályozás stb.

A Silicon Labs vezeték nélküli, az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó eszközökbe szánt EFRBG27 Gecko egylapkás rendszer termékcsaládja

2023 márciusában a Silicon Labs bejelentette a vezeték nélküli Gecko termékválasztékot bővítő biztonságos, kis fogyasztású eszközök új termékcsaládjának megjelenését. Ez magában foglalja a BG27 sorozatú Bluetooth LE (kis fogyasztású Bluetooth, Bluetooth Low Energy) egylapkás rendszereket, amelyek ideálisak az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó eszközökbe.

Az 1. ábrán a BG27 egylapkás rendszerek gazdag funkciókészletét bemutató blokkvázlat látható. Az alábbiakban néhány részletet közlünk a legfontosabb funkciókról:

1. ábra: Az EFR32BG27 vezeték nélküli Gecko egylapkás rendszer termékcsalád funkciókészlete (ábra: Silicon Labs)

Processzor és memória: A DSP (digitális jelfeldolgozó) utasításokkal és lebegőpontos egységgel ellátott 76,8 MHz-es, 32 bites ARM Cortex® M33 RISC mag nagy teljesítményű jelfeldolgozási képességet kínál 1,50 Dhrystone MIPS/MHz sebességgel. Tartalmazza az ARM TrustZone biztonsági technikát. A flashmemória mérete 768 kB, míg az adatmemóriát 64 kB RAM alkotja. Az LDMA (Linked Direct Memory Access Controller, csatolt közvetlenmemóriahozzáférés-vezérlő) lehetővé teszi, hogy a rendszer a szoftvertől függetlenül végezzen memóriaműveleteket, csökkentve ezzel a fogyasztást és a szoftver munkaterhelését.

Kis fogyasztású üzemmódok: Az EFR32BG27 tartalmaz egy energiagazdálkodási egységet (EMU, Energy Management Unit), amely az egylapkás rendszer energiafelhasználási módjainak (EM0-tól EM4-ig) átmeneteit kezeli. Az energiagazdálkodási egység segítségével az alkalmazások dinamikusan csökkenthetik minimálisra a fogyasztást a program végrehajtása során. Az EM0 energiafelhasználási mód kínálja a legtöbb funkciót, például a CPU-nak (processzor), a rádiónak és a perifériáknak a legmagasabb órajel-frekvencián történő használatát. Az EM2 és EM3 kis fogyasztású aktív energiafelhasználási módban letilthatók a perifériák. Az energiagazdálkodási egység az energiafelhasználási módok közötti átmenet során feszültségbeállítást használ, azzal optimalizálva a hatásfokot, hogy ha lehetőség van rá, az eszköz kisebb feszültségen működik. Az EM4 a legkisebb fogyasztású, inaktív állapot, amely lehetővé teszi a rendszer számára, hogy ébredéskor EM0 üzemmódba kerüljön.

Egyenáram-átalakítás: Az EFR32BG27 család tartalmaz lapkán elhelyezett feszültségcsökkentő és feszültségnövelő áramátalakítót is, amelyek képesek a szükséges belső 1,8 V-ot szolgáltatni. A feszültségnövelő eszközök – például az EFR32BG27C230F768IM32-B – képesek egészen 0,8 V alsó határértékig működni, lehetővé téve az egycellás alkáli, ezüst-oxid és más kis feszültségű szárazelemek és akkumulátorok használatát. A feszültségnövelő áramátalakító egy kifejezetten erre a célra szolgáló BOOST_EN láb segítségével kikapcsolható, így a tárolás és szállítás során takarékoskodni lehet a rendszer szárazelemének vagy akkumulátorának energiájával. Ebben az üzemmódban a legnagyobb áramfelvétel csak 20–50 nA, az egyes lábak áramellátásától függően. A feszültségcsökkentő eszközök – például az EFR32BG27C140F768IM40-B – legfeljebb 3,8 V külső feszültséggel táplálhatók. A lapkán lévő tápfeszültség-figyelő jelzi, ha a tápfeszültség elég alacsony ahhoz, hogy a szabályozót meg lehessen kerülni, és a feszültségtartományt ki lehessen terjeszteni 1,8 V-ra. A megkerülő üzemmód teszi lehetővé a rendszer EM4 energiatakarékos üzemmódba való átállását is. Az egyenáram-átalakítóba egy töltésszámláló (coulombszámláló) blokk is be van építve. Ez két 32 bites számlálót tartalmaz, amelyek az egyenáram-átalakító által leadott töltési impulzusok számának mérésére szolgálnak, a felhasználó biztonságának növelése érdekében lehetővé téve az akkumulátor töltöttségének pontos követését.

Bluetooth 5.x kapcsolat: Ez az egylapkás rendszer termékcsalád ismeri a Bluetooth Low Energy (LE) vezeték nélküli protokollt. A rádióvevő egy kis zajszintű erősítőből és egy lefelé konvertáló „azonos fázisú/negyedhullám eltolású” (I/Q, in phase/quadrature) átalakítóból álló kis középfrekvenciás (low IF, low intermediate frequency) architektúrát használ. Az automatikus erősítésszabályozó (AGC, automatic gain control) modul a vevő erősítését úgy állítja be, hogy a jobb szelektivitás és blokkolási teljesítmény érdekében elkerülje a telítődést. A 2,4 GHz-es rádiót a gyártás során kalibrálják a tükörfrekvencia-kiszűrési teljesítmény javítása érdekében. A termékcsalád adóteljesítmény-tartománya 4 dBm és 8 dBm közötti. A rádiófrekvenciás zajcsökkentés magában foglalja a egyenáram-átalakító lágy kapcsolású indítását, valamint az egyenfeszültség-szabályozás és a megkerülés közti átmeneteket a tápegység legnagyobb szabályozási meredekségének korlátozása és a bemenő áramerősség mérséklése végett. Az RFSENSE blokk lehetővé teszi, hogy az eszköz energiatakarékos EM2, EM3 vagy EM4 energiafelhasználási módban maradjon, és egy meghatározott küszöbérték feletti rádiófrekvenciás energiát érzékelve felébredjen.

Biztonság: Az EFR32BG27 egylapkás rendszer termékcsalád számos biztonsági funkciót tartalmaz, ezeket a 2. ábrán látható táblázat tartalmazza.

2. ábra: Az EFR32BG27 vezeték nélküli Gecko egylapkás rendszer termékcsalád biztonsági jellemzői (táblázat: Silicon Labs)

A megbízhatósági alapponttal és biztonságos rendszerbetöltővel (RTSL, root of trust and secure loader) támogatott biztonságos rendszerindítás hitelesíti a megbízható firmware-t, amely a megváltoztathatatlan írásvédett memóriából (ROM, read-only memory) indul. A titkosításgyorsító az AES és ECC titkosítást és visszafejtést ismeri. Emellett a kulcsok védelmére szolgáló DPA (differential power analysis, teljesítménykülönbség-elemzésen alapuló) ellenintézkedéseket is tartalmaz. A valós véletlenszám-generátor egy hőforrásból gyűjti az entrópiaadatokat, és elvégzi ennek a forrásnak a NIST SP800-90B és az AIS-31 szabvány által előírt indítási állapotvizsgálatait, valamint a NIST SP800-90C szabvány által előírt online állapotvizsgálatot. A hibakereső illesztőfelületnek, amely az alkatrész helyszíni üzembe helyezése előtt zárolva van, van egy biztonságos feloldási funkciója, amely nyilvános kulcsú titkosításon alapuló hitelesített hozzáférést tesz lehetővé. A hardveroldalon egy külső illetéktelen beavatkozást észlelő (ETAMPDET) modul lehetővé teszi az illetéktelen külső beavatkozásnak, például a burkolat jogosulatlan kinyitásának az észlelését. Ez a modul megszakítást állíthat elő, hogy figyelmeztesse a szoftvert, és lehetővé tegye a rendszerszintű lépések megtételét.

Gazdag perifériakészlet: Az egylapkás rendszerek hibrid analóg–digitális átalakítókat tartalmaznak, amelyek a SAR- és a Delta-Sigma-módszert ötvözik. A 12 bites üzemmód akár 1 Ms/s (1 millió minta/másodperc), míg a 16 bites átalakító akár 76,9 ks/s (76,9 ezer minta/másodperc) sebességgel is működhet. Az analóg átalakítómodul használhat belső vagy külső referenciákat, és a tápfeszültség érzékelésére is használható. Az SPI, az USART és az I2C soros kommunikációs üzemmódra is van lehetőség. A valós idejű óra és adatrögzítő (RTCC, real time clock and capture) modul 32 bites időmérést kínál egészen az EM3 energiafelhasználási módig, és a belső, kis frekvenciájú oszcillátorról lehet ellátni órajellel. A kis fogyasztású időzítő (LETIMER, Low Energy Timer) 24 bites felbontású, és időzítésre és kimenőjel-előállításra használható, amikor az eszköz nagy része le van kapcsolva, lehetővé téve az egyszerű feladatok minimális fogyasztással történő elvégzését. A perifériás belső jelrendszer (PRS, Peripheral Reflex System) egy olyan jelátviteli hálózat, amely lehetővé teszi a perifériamodulok közötti közvetlen kommunikációt a CPU bevonása nélkül. Ez csökkenti a szoftver terhelését és a fogyasztást.

Kis méretű tokozás: Az EFR32BG27 termékcsalád egyik tagja az EFR32BG27C320F768GJ39-B jelű eszköz. Ez az eszköz egy mindössze 2,6 mm × 2,3 mm méretű WLCSP (a félvezetőszeleten kialakított lapkaméretű) tokban kerül forgalomba, és feszültségcsökkentő és feszültségnövelő feszültségszabályozó üzemmódban egyaránt használható. A termékcsalád többi tagja 4 mm × 4 mm méretű QFN32, illetve 5 mm × 5 mm méretű QFN40 tokban kapható, adott (feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő) feszültségszabályozó-üzemmóddal.

Összegzés

Az EFR32BG27 az iparágban a legjobb hatásfokú jelfeldolgozási képességet és kis fogyasztású Bluetooth-kapcsolatot kínál. Ezek a kis méretű egylapkás rendszerek, amelyek számos biztonsági funkciót tartalmaznak, kiválóan alkalmasak az egészségügyi dolgok internetére kapcsolódó (IoMT-) eszközökbe.