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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-01-25 22:41
1. 卷首語
醫(yī)療設備的設計是一個系統(tǒng)性的工作，在產(chǎn)品設計的第一個階段，首先要思考和定義好產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)。
產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)從整體上講，是指產(chǎn)品設計所涉及的各個專業(yè)之間的結(jié)合方式以及協(xié)同工作的方案。從專業(yè)上來講，又可以分解為硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、機械架構(gòu)（結(jié)構(gòu)）等。產(chǎn)品的設計過程實際上就是將整體的設計需求分解到每個專業(yè)，再對每個專業(yè)進行架構(gòu)定義，最后根據(jù)定義好的架構(gòu)進行實際的產(chǎn)品設計。
因此每一位設計者應該在設計初期就要投入足夠的時間對整體的或者各自專業(yè)的架構(gòu)方案進行深入的思考和充分的評估。一個良好的架構(gòu)能夠在后期規(guī)避很多產(chǎn)品開發(fā)上的問題和減少“挖坑”的風險。不少項目的失敗往往都是因為架構(gòu)設計存在漏洞，從而導致方案推到重來，甚至最終成了“不治之癥”，而一個成熟的設計者需要同時從技術(shù)上和經(jīng)濟學上規(guī)避風險，才能實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的成功。任何一方面的缺失都會導致產(chǎn)品失敗，對于市場而言，一個產(chǎn)品是否成功只關(guān)乎結(jié)果，過程并不重要。
在這里，我們不打算從產(chǎn)品的整體架構(gòu)開始講述，因為整體架構(gòu)涉及到的領(lǐng)域和知識太廣了，而目前很多關(guān)于產(chǎn)品設計的資料、教材（特別是大學的教材）往往上來就講述宏觀的理論和概念，對于如何落地操作卻缺少實際性的講解和案例（這個似乎是很多教材的通?。?，導致閱讀者越讀越迷糊，而社會上能夠用到的實操知識往往只能從工作中花費大量時間來積累，遺憾的是，很多道理實際上只需要簡單的一句話就能夠讓設計者明白。
因此我們反復考慮了很久，決定從產(chǎn)品的硬件架構(gòu)開始講述，因為一個產(chǎn)品的設計往往是從硬件和機械開始的，而硬件又是設計中與系統(tǒng)架構(gòu)關(guān)系最密切的專業(yè)，同時為了讓知識能夠通俗易懂，我們將對硬件架構(gòu)中最關(guān)鍵的核心板的選型進行詳細的講解，從一位參與和主持過多款醫(yī)療設備研發(fā)和管理的工程師的角度來和我們的讀者交流一下設計的思路，開發(fā)經(jīng)驗、心得體會以及風險規(guī)避的一些方法，希望能夠為剛進入社會的設計師提供一些參考，也希望能夠就此和廣大有經(jīng)驗的工程師進行交流和切磋，如有不當之處，歡迎大家指正。
2. 硬件架構(gòu)
什么是硬件架構(gòu)？硬件架構(gòu)包括那些內(nèi)容？我們首先要回答這兩個問題。
什么是硬件？硬件我們理解為：具備各種功能的芯片、具有一定功能的設備、各種類型的傳感器以及電子元件的組合。在這些元器件中，各種具有運算能力和編程功能的微處理芯片是核心。概括的說，我們認為，一個產(chǎn)品的硬件架構(gòu)可以理解為以下四個層次的內(nèi)容：
（1） 組成產(chǎn)品硬件的微處理芯片的數(shù)量和功能；
（2） 各微處理芯片所負責控制和處理的設備、傳感器等電子元器件的數(shù)量和種類；
（3） 各微處理芯片之間的通信方式和協(xié)作關(guān)系；
（4） 產(chǎn)品的系統(tǒng)供電方案。
由此可見，硬件架構(gòu)包含了對微處理芯片數(shù)量和類型的定義；各微處理芯片所控制和處理的設備、傳感器以及電子元器件等的數(shù)量、種類和方法；各微處理芯片之間的通信和協(xié)作關(guān)系；系統(tǒng)供電方案。
為了讓內(nèi)容更加通俗易懂，我們以一個案例來進行說明。如下圖1所示是一款醫(yī)用呼吸機的硬件架構(gòu)圖案例，分析這個產(chǎn)品的硬件架構(gòu)，我們先了解一下設備的微處理芯片以及芯片各自的職責。
圖 1 醫(yī)用呼吸機硬件架構(gòu)圖
從上面我們可以看到，這個硬件架構(gòu)包含兩塊微處理芯片，作為主控平臺的M1808-1GF4GLI-T和作為驅(qū)動控制的M1052-16F128AWI-T，我們姑且分別稱之為主控芯片和驅(qū)動芯片。在這個硬件架構(gòu)中，主控芯片主要承擔了人機交互和對外接口的角色，它控制的元器件包括顯示屏、以太網(wǎng)、WIFI、藍牙、照相機以及USB等，因此主控芯片的選型要考慮芯片具備的功能和接口，案例中的這個主控芯片從廠家的選型資料中可以看到，這是一款面向AI人工智能平臺及產(chǎn)品開發(fā)者，定位于深度學習平臺和獨立的人工智能（AI）加速器，是一款具備人工智能編程及深度學習能力的AIoT平臺。盡管它的功能和接口完全可以滿足呼吸機的功能要求，而且還具備強大的運算能力和圖像識別功能等，但從經(jīng)濟學的角度上看，這款芯片的功能在呼吸機產(chǎn)品上的應用是有所冗余了，除非設計者在產(chǎn)品的整體功能以及未來功能的擴展上有其他考慮，那么這個芯片的選型合理性則另當別論。
驅(qū)動芯片M1052-16F128AWI-T主要承擔了電機控制、傳感器控制等功能，從廠家的選型資料可以看到，這是一款主頻最高可達528MHz，集成了SDRAM、NAND Flash、SPI Flash、硬件看門狗，除了保留傳統(tǒng)的UART、I2C、SPI、CAN、Ethernet、USB和SDIO等通訊接口的之外，還額外集成了WiFi、Zigbee、LoRa、NFC等無線通訊模塊，實現(xiàn)了處理器性能、控制與通訊、有線與無線的嵌入式硬件跨界。這款芯片功能很強大，在某些產(chǎn)品中甚至可以作為主控芯片使用，但在這個案例的硬件架構(gòu)中，該芯片有部分功能與主控芯片重復了，從技術(shù)角度來看，這款芯片完全可以滿足設計需求，但從經(jīng)濟學角度講，我個人覺得就不那么劃算了。
接下來我們了解一下芯片之間的關(guān)系，由于這個設計中只涉及兩片微處理芯片，因此他們之間的協(xié)作關(guān)系很簡單，主控芯片和驅(qū)動芯片之間一般通過串口進行通信并通過協(xié)議實現(xiàn)上下位機之間的指令收發(fā)，這是一種比較典型方式。上位機（主控芯片）負責應用軟件的運行和外界交互，下位機（驅(qū)動芯片）負責較為底層的驅(qū)動和控制，一般采用嵌入式的開發(fā)平臺。
最后，我們看一下系統(tǒng)的電源供電方案，設備可以采用220V交流轉(zhuǎn)直流供電或者電池直接供電，一般交流轉(zhuǎn)直流的電壓或者電池電壓較高，因此通過降壓芯片MP9943來獲得主控芯片所需要的驅(qū)動電壓。另外，由于電調(diào)模塊需要較高的輸入電流，因此通過AC-DC/電池給它直接供電使用。
從上面的案例，我們回顧一下前面對硬件架構(gòu)的定義，并且把這個案例的硬件架構(gòu)再提煉概括一下，那么該款醫(yī)用呼吸機的硬件架構(gòu)如下：
（1） 硬件架構(gòu)包含微處理芯片2片，作為主控平臺的M1808-1GF4GLI-T和作為驅(qū)動控制的M1052-16F128AWI-T，M1808-1GF4GLI-T承擔了人機交互和對外接口等上位機功能的角色，M1052-16F128AWI-T承擔了電機控制、傳感器控制等下位機功能的角色；
（2） 微處理芯片的所控制的電子元器件的情況為：M1808-1GF4GLI-T控制顯示觸摸屏、WIFI模塊、藍牙模塊、攝像頭模塊等；M1052-16F128AWI-T控制血氧探頭、流量傳感器以及壓力傳感器等；
（3） 微處理芯片的通信關(guān)系為：M1808-1GF4GLI-T與M1052-16F128AWI-T之間通過串口協(xié)議進行通信，M1808-1GF4GLI-T接收來自于顯示觸摸屏的用戶操作指令、WIFI信號、藍牙信號以及攝像頭信號等，并向M1052-16F128AWI-T下發(fā)相應的指令，由M1052-16F128AWI-T控制氣泵、電磁閥等元器件進行工作，同時M1052-16F128AWI-T也接收其控制的血樣探頭、流量傳感器以及壓力傳感器的信號，并通過串口將采集到的參數(shù)發(fā)送給M1808-1GF4GLI-T進行處理，并在顯示屏上顯示參數(shù)結(jié)果；
（4） 系統(tǒng)供電方案：采用AC-DC或者電池供電方式，并通過MP9943整流降壓開關(guān)變換器將12V/24V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，供給M1808-1GF4GLI-T使用，作為M1808-1GF4GLI-T的工作電壓。
3. 核心板選型
剛才我們已經(jīng)對硬件的架構(gòu)做了一個初步的說明，那么在實際設計過程中，硬件架構(gòu)中的芯片選型具體應該如何落實？設計上的有那些因素需要考慮和那些風險點需要規(guī)避？設計過程有那些經(jīng)驗和思路可以參考？下面我們就過往的設計案例做一些初步的論述和探討。
醫(yī)療設備的設計過程本質(zhì)上是一個技術(shù)滿足、法規(guī)符合、風險管控以及經(jīng)濟考慮的過程，因此我們認為，可以通過圖2的邏輯思路對設計進行分析和分解。
如圖2所示，核心板選型的我們建議從兩個維度進行評估：技術(shù)層面和行政層面。
3.1 技術(shù)層面
技術(shù)層面涉及的因素比較多，根據(jù)不同設計者的經(jīng)驗和習慣以及產(chǎn)品的種類，都不完全相同，很難把全部因素都列舉，這里我們只對一些比較關(guān)鍵以及經(jīng)驗性的因素進行總結(jié)：
技術(shù)性考慮因素包括但不限于以下因素：
1. 性能參數(shù)（頻率、內(nèi)存、硬盤、功耗等）；
2. 操作系統(tǒng)（linux/AWorksOS/Android等）以及關(guān)鍵開發(fā)軟件（特別需要注意平臺軟件能夠支持的版本：例如QT開發(fā)版本）；
3. 接口類型及數(shù)量（顯示觸摸屏接口、串口、網(wǎng)口、USB、數(shù)據(jù)采集接口、總線接口、IO口等）；
4. 其他特別功能（例如攝像頭、PWM、無線、音頻、圖像處理等）；
5. 供電電壓；
6. EMC和安規(guī)；
7. 封裝；
8. 散熱；
9. 板卡表觀設計能力。
在性能參數(shù)里面，芯片的頻率、內(nèi)存、硬盤的選型參數(shù)需求是比較常見的，基本大家都能夠理解這些參數(shù)和設計的關(guān)系，但有些參數(shù)可能因為沒有考慮周全或者經(jīng)驗的問題，容易被忽略，在這里重點講述一下：
1. 功耗：
有時候設計者可能會忽略功耗的問題，所選擇的芯片功耗比較大，導致產(chǎn)品的性能存在硬傷。那什么情況下需要考慮芯片功耗的問題？例如在設計使用電池供電的手持式設備的時候，設備的續(xù)航能力是一個關(guān)鍵的參數(shù)，影響用戶體驗，那么芯片的功耗就成為設計需要考慮的關(guān)鍵因素，我們需要充分考慮芯片，尤其是核心板、外設、電機等等的功耗，而且一定要在設計前計算一下電池容量和功耗的關(guān)系，為了達到所需要的續(xù)航時間，需要選擇多大容量的電池，而且為了防止出現(xiàn)續(xù)航能力不足的風險，在早期選型的時候最好是在滿足功能、性能的前提下盡量選擇功耗較低的核心板和元器件，讓設計保留足夠的冗余。
2. 開發(fā)軟件：
很多開發(fā)人員在選擇核心板的時候，可能會忽略廠家提前移植的軟件類型以及版本，但是這里需要和讀者分享的經(jīng)驗和提醒的一個事情是，軟件工程師在開發(fā)應用軟件的時候，往往會使用版本較高的軟件，比如QT，工程師可能會使用5.12以上的版本，但是有些核心板的廠家的產(chǎn)品因為產(chǎn)品的歷史原因或者主要客戶對象的需求，有可能只移植了較低版本的QT軟件，而當工程師花費大量時間在PC上開發(fā)好軟件后，要移植到核心板上時才發(fā)現(xiàn)，由于核心板所支持的軟件版本過低，導致已經(jīng)開發(fā)的功能在核心板上無法運行，如果要解決這個問題，一般要通過修改已經(jīng)開發(fā)的應用軟件或者移植新版本的QT到核心板，兩種情況都帶來延誤進度的風險。由于在Linux系統(tǒng)下移植軟件不像在Windows下那么簡單，因此提前確認廠家預先移植好的軟件類型以及能夠支持的軟件版本對于產(chǎn)品的后續(xù)開發(fā)就十分重要了。
3. 表觀設計能力：
關(guān)于核心板的表觀設計能力，我們理解為板卡的PCB外觀、走線、布局和EMC措施等。核心板的廠家市面上非常多，到底怎么選擇？在沒有真正用過之前，單從廠家的介紹資料，是很難判斷的。這個時候，我們也可以考慮通過分析核心板的一些表面特征來進行判斷廠家對于自己產(chǎn)品的投入度和用心情況。核心板本質(zhì)也是PCB板卡，好的PCB板設計都有一些通性。比如從表面元器件的排布是否整齊有序、比如PCB的走線看起來是否比較條理舒服、元器件的布局是否以模塊的形式分布合理、是否有加屏蔽罩以提高EMC性能的措施等等，我們可以從這些表面的跡象來判斷核心板的質(zhì)量。以下是一款I(lǐng).MX 6ULL的核心板，從表觀設計上看，是比較好的。
3.2 行政層面
除了技術(shù)層面的考慮，選型核心板也需要考慮行政層面的問題。事實上，由于經(jīng)驗或者習慣問題，不少開發(fā)者沒有對行政層面的選型方法和關(guān)鍵要素形成系統(tǒng)的概念和思路。行政層面涉及的因素比較多，根據(jù)不同設計者的經(jīng)驗和習慣以及產(chǎn)品的種類，都不完全相同，很難把全部因素都列舉，這里我們只對一些比較關(guān)鍵以及經(jīng)驗性的因素進行總結(jié)：
行政層面考慮因素包括但不限于以下因素：
1. 廠商供應能力（周期、供貨穩(wěn)定性）；
2. 廠商支持度（技術(shù)支持能力和配合度）；
3. 廠商行業(yè)口碑；
4. 廠商品牌和主打領(lǐng)域；
5. 廠商設計案例和經(jīng)驗（是否應用過類似產(chǎn)品）；
6. 成本（性價比）。
在這些因素里面，成本、廠商供應能力、品牌和主打領(lǐng)域的考慮是比較常見的，基本大家都能夠理解這些因素對于開發(fā)和量產(chǎn)的影響，但有些因素可能因為沒有考慮周全或者經(jīng)驗的問題，容易被忽略，在這里重點講述一下：
1. 廠商支持度：
不少設計者可能會認為，廠商支持度和企業(yè)規(guī)模直接關(guān)系，直接選擇大品牌和大規(guī)模的廠家就可以了，就可以很穩(wěn)妥的保證得到良好的服務和支持。遺憾的是，實際情況可能是廠家的支持力度其實是和開發(fā)者所在公司的規(guī)模/品牌直接相關(guān)，就是俗語說的“優(yōu)質(zhì)的客戶才能享受優(yōu)質(zhì)的服務”。而對于一些中小規(guī)模、初創(chuàng)型企業(yè)，或者一些產(chǎn)品開發(fā)周期很長，短期內(nèi)還實現(xiàn)不了量產(chǎn)的廠家而言，選擇一個能夠從長遠考慮合作，懂得培養(yǎng)客戶的廠家就非常重要了，這可能會關(guān)乎到項目的成敗。至于如何選擇一個合適的廠家，方法也有很多，比如可以在選型初期通過對廠家提出一些核心板開發(fā)的要求來觀察廠家反饋和配合的積極程度；或者通過與廠家咨詢產(chǎn)品所能提供資料的詳細程度；通過對核心板的相關(guān)外設（比如顯示屏、WIFI等）的前期驅(qū)動調(diào)試時廠家在軟件上的支持程度；通過對核心板軟件版本的提供程度或者升級的支持力度。通過以上這些方法，可以從一定程度上判斷廠商的支持力度。
2. 廠商設計案例和經(jīng)驗：
廠商的設計案例和經(jīng)驗對于提高一個項目的成功率是非常重要的。因為類似的項目往往在設計需求、設計難點上也非常接近，使用成熟的核心板方案以及廠家的研發(fā)資源可以規(guī)避很多風險，提高產(chǎn)品研發(fā)的效率和成功率。一個成熟的設計者應該懂得利用所有優(yōu)勢資源和參考成功的經(jīng)驗，以確保產(chǎn)品開發(fā)的成功率。因為對于市場而言，一個產(chǎn)品是否成功只關(guān)乎結(jié)果，過程并不重要。
4. 總結(jié)
最后，我們對前面所描述的內(nèi)容進行總結(jié)，以便于讀者進行理解也希望讀者能夠為我們的內(nèi)容提出更多的建議：
1. 硬件架構(gòu)：
2. 核心板選型：
3. 研發(fā)思路：
來源：小桔燈網(wǎng)
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