Draadloze SoC's voor aangesloten gezondheidsapparaten

De gezondheidszorg maakt de laatste decennia steeds meer gebruik van digitale technologie. De COVID-19-pandemie hielp deze evolutie te versnellen. De toegang tot gezondheidszorg op afstand die door de pandemie noodzakelijk werd, benadrukte verschillende andere voordelen, zoals efficiëntere zorgverlening en continue patiëntmonitoring. Technologische vooruitgang heeft geleid tot het Internet of Medical Things (IoMT), waarbij netwerken van patiënten met draagbare en/of draagbare medische apparaten en sensoren en de bijbehorende zorgsystemen en zorgverleners via het internet met elkaar verbonden zijn. Continue bloedglucosespiegels en hartmonitoren zijn voorbeelden van apparaten die wijdverspreid geaccepteerd zijn. IoMT-apparaten helpen bij het automatiseren van gegevensoverdracht, waardoor menselijke fouten worden verminderd. Vooruitgang op het gebied van voorspellende data-analyse en kunstmatige intelligentie (AI) maken IoMT-apparaten nog krachtiger door datagestuurde diagnostiek mogelijk te maken met vroegtijdige detectie van afwijkingen, grotere zelfbetrokkenheid van de patiënt en lagere kosten voor de gezondheidszorg.

Belangrijkste vereisten voor IoMT-apparaten

• Beveiliging: De gevoelige aard van de medische informatie die wordt overgedragen, vereist een hoog beveiligingsniveau. De Advanced Encryption Standard (AES) en Elliptical Curve Cryptography (ECC) kunnen gegevens versleutelen en ontsleutelen met behulp van veilige sleutels en zo de gegevens verifiëren. Sleutels gebaseerd op een True Random Number Generator (TRNG) in het apparaat helpen bij het veilig genereren van deze sleutels. Spoofingaanvallen kunnen geminimaliseerd worden door het gebruik van apparaatidentificatie met behulp van unieke fysiek niet-klikbare functies (PUF) binnen het halfgeleiderapparaat. Veilige opstarthardwareprotocollen en manipulatiebestendige mechanismen die toegang tot beveiligde delen van het apparaatgeheugen voorkomen, helpen de beveiliging van het apparaat te verbeteren.
• Stroomverbruik: Draagbare apparaten werken meestal op batterijen. Energiezuinige communicatieprotocollen zoals Bluetooth LE 5.x, energiebesparende modi wanneer het apparaat niet actief is en een efficiënte architectuur die de operationele prestaties optimaliseert ten opzichte van het stroomverbruik zijn enkele essentiële functies die de levensduur van de batterij kunnen maximaliseren.
• Uitgebreide functieset in een klein formaat: Kleine en lichte apparaten maken hun gebruik in draagbare en draagbare medische toepassingen mogelijk. Nieuwe toepassingen zoals slimme tandimplantaten vereisen piepkleine vormfactoren. Het System on Chip-concept (SoC) biedt een hoge mate van multifunctionele integratie op een enkele chip. Dit kan een perifere functieset omvatten die snelle analoge en digitale detectie, meting, gegevenstransformatie en communicatie biedt. Andere essentiële vereisten zijn draadloze connectiviteit, gegevensverwerking op hoge snelheid met een groot flash- en RAM-geheugen, nauwkeurige klokken en timers met lage frequentie en laag vermogen, DC/DC-spanningsregeling, enzovoort.

Silicon Labs EFRBG27 draadloze Gecko SoC-familie voor IoMT-toepassingen

In maart 2023 kondigde Silicon Labs de lancering aan van een nieuwe familie veilige, energievriendelijke apparaten die hun draadloze Gecko-portfolio uitbreiden. Dit omvat de BG27-serie Bluetooth LE SoC-apparaten die ideaal zijn voor IoMT-toepassingen.

Afbeelding 1 toont een blokschema van de uitgebreide functieset van de BG27 SoC's. Hieronder staan enkele details over de belangrijkste functies:

Afbeelding 1: Kenmerken van de EFR32BG27 draadloze Gecko SoC-familie. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

Processor en geheugen:De 76,8 MHz, 32-bits ARM Cortex® M33 RISC-kern met DSP-instructie en drijvende komma-eenheid zorgt voor krachtige signaalverwerking bij 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Het bevat de ARM TrustZone-beveiligingstechnologie. Het flashgeheugen is 768 kB, terwijl het datageheugen 64 kB RAM is. Met de Linked Direct Memory Access Controller (LDMA) kan het systeem geheugenbewerkingen onafhankelijk van de software uitvoeren, waardoor het energieverbruik en de werklast van de software afneemt.

Modi voor laag energieverbruik: De EFR32BG27 bevat een Energie Management Unit (EMU) die de overgangen van de energiemodi (EM0 tot EM4) van de SoC beheert. Met de EMU kunnen toepassingen het energieverbruik tijdens het uitvoeren van programma's dynamisch minimaliseren. De EM0-modus biedt de meeste mogelijkheden, zoals het inschakelen van de CPU, radio en randapparatuur op de hoogste klokfrequentie. Randapparatuur kan worden uitgeschakeld in de energiezuinige actieve modi EM2, EM3. Spanningsschaling wordt door de EMU gebruikt bij de overgang tussen energiemodi om de energie-efficiëntie te optimaliseren door waar mogelijk op lagere voltages te werken. EM4 is een inactieve, energiezuinige toestand waarmee het systeem kan ontwaken in de EM0-modus.

DC/DC-conversie: De EFR32BG27-familie bevat zowel buck als boost mode on-chip-convertors die de vereiste interne 1,8 V kunnen leveren. De boost-modus-apparaten, zoals de EFR32BG27C230F768IM32-B, hebben de mogelijkheid om te werken tot 0,8 V, waardoor eencellige alkaline, zilveroxide en andere laagspanningsbatterijen kunnen werken. De boostconvertor kan worden uitgeschakeld met een speciale BOOST_EN-pin, waardoor de systeembatterij energie bespaart tijdens opslag en verzending. In deze modus is de maximale stroomopname slechts 20/50 nA, afhankelijk van de voeding van bepaalde pinnen. In apparaten met buck-modus, zoals de EFR32BG27C140F768IM40-B, kan maximaal 3,8 V extern worden geleverd. Een voedingsmonitor op de chip signaleert wanneer de voeding laag genoeg is om de regelaar te omzeilen en het bereik uit te breiden tot 1,8 V. De bypassmodus zorgt er ook voor dat het systeem in de energiebesparende modus EM4 gaat. In de DC/DC-convertor is een Coulomb Counter-blok geïntegreerd. Dit omvat twee 32-bits tellers die worden gebruikt om het aantal laadpulsen te meten dat wordt geleverd door de DC/DC-convertor, waardoor het batterijniveau nauwkeurig kan worden bijgehouden om de veiligheid van de gebruiker te verbeteren.

Bluetooth 5.x netwerken: Bluetooth Low Energy (LE) draadloos protocol wordt ondersteund door deze SoC-familie. De radio-ontvanger maakt gebruik van een low-IF-architectuur bestaande uit een ruisarme versterker en een I/Q-downconversie. De automatische versterkingsregeling (AGC) module past de versterkingsfactor van de ontvanger aan om verzadiging te voorkomen en zo de selectiviteit en blokkeringsprestaties te verbeteren. De 2,4 GHz radio wordt bij de productie gekalibreerd om de beeldonderdrukkingsprestaties te verbeteren. De serie omvat een reeks zendvermogens van 4 dBm tot 8 dBm. De beperking van RF-ruis omvat werking van de DC/DC-convertor in zachte schakelmodus tijdens het opstarten en DC/DC-regelaar-naar-bypass-overgangen om de maximale zwenksnelheid van de voeding te beperken en inschakelstroom te beperken. Met het RFSENSE-blok kan het apparaat in de energiebesparende modi EM2, EM3 of EM4 blijven en ontwaken wanneer RF-energie boven een gespecificeerde drempel wordt gedetecteerd.

Beveiliging: De EFR32BG27-familie van SoC's bevat een reeks beveiligingsfuncties, zoals weergegeven in Afbeelding 2.

Afbeelding 2: Beveiligingsfuncties van de EFR32BG27 draadloze Gecko SoC-familie. (Bron afbeelding: Silicon Labs)

De secure boot met de Root Of Trust en Secure Loader (RTSL) verifieert vertrouwde firmware die begint vanuit een onveranderbaar ROM-geheugen (read-only memory). De cryptografische versneller ondersteunt AES- en ECC-encryptie en -decryptie. Het bevat ook DPA-tegenmaatregelen (Differential Power Analysis) om sleutels te beschermen. De TRNG-oogstentropie van een thermische bron en omvat opstartgezondheidstests voor deze bron, zoals vereist door de NIST SP800-90B en AIS-31-standaarden, evenals online gezondheidstests zoals vereist door NIST SP800-90C. De debug-interface, die wordt vergrendeld wanneer het onderdeel in het veld wordt vrijgegeven, heeft een beveiligde ontgrendelfunctie die geverifieerde toegang mogelijk maakt op basis van openbare sleutelcryptografie. Aan de hardwarekant zorgt een External Tamper Detect-module (ETAMPDET) voor detectie van externe sabotage zoals het ongeoorloofd openen van de behuizing. Het kan een interrupt genereren om de software te waarschuwen en acties op systeemniveau mogelijk te maken.

Rijke randapparatuur: De SoC's bevatten hybride analoog-digitaalconvertors die zowel SAR- als Delta-Sigma-technieken combineren. De 12-bits modus kan werken met snelheden tot 1 Msps, terwijl de 16-bits convertor kan werken met snelheden tot 76,9 kbps. De analoge comparatormodule kan interne of externe referenties gebruiken en kan ook worden gebruikt om de voedingsspanning te meten. SPI, USART en I2C seriële communicatiemodi worden allemaal ondersteund. De Real Time Clock and Capture (RTCC)-module biedt 32-bits tijdwaarneming tot EM3-vermogensmodi en kan worden geklokt met de interne laagfrequente oscillator. De energiezuinige timer (LETIMER) biedt een resolutie van 24 bits en kan worden gebruikt voor timing en uitvoergeneratie wanneer het grootste deel van het apparaat is uitgeschakeld, zodat eenvoudige taken kunnen worden uitgevoerd met minimaal stroomverbruik. Het Peripheral Reflex System (PRS) is een signaalroutenetwerk dat directe communicatie tussen de perifere modules mogelijk maakt zonder tussenkomst van de CPU. Dit vermindert de softwareoverhead en het stroomverbruik.

Pakketten met een kleine voetafdruk: Een van de apparaten in de EFR32BG27-familie is de EFR32BG27C320F768GJ39-B. Dit apparaat wordt geleverd in een wafer-level chip scale package (WLCSP) met afmetingen van slechts 2,6 mm x 2,3 mm en kan worden gebruikt in zowel buck als boost regulator modi. De rest van de familie wordt geleverd in QFN32 4 mm x 4 mm, of QFN40 5 mm x 5 mm pakketten in specifieke regelaarmodi van buck of boost.

Conclusie

De EFR32BG27 biedt toonaangevende energiezuinige verwerkingsmogelijkheden en energiezuinige Bluetooth-connectiviteit. Deze SoC's met een kleine vormfactor en diverse beveiligingsfuncties zijn bij uitstek geschikt voor IoMT-toepassingen.