Spezielle Chips für portable medizinische Geräte

Spezielle Chips für portable medizinische Geräte

Baustein

Flash-Speicher

RAM

Kommunikationsperiherie

MSP430FG43732 Kbyte1 KbyteSPI/ UART, DMA
MSP430FG43848 Kbyte2 KbyteSPI/ UART, DMA
MSP430FG43960 Kbyte2 KbyteSPI/ UART, DMA
MSP430FG461692 Kbyte4 KbyteSPI/ UART, I2C, IrDA, DMA
MSP430FG461792 Kbyte8 KbyteSPI/ UART, I2C, IrDA, DMA
MSP430FG4618116 Kbyte8 KbyteSPI/ UART, I2C, IrDA, DMA
MSP430FG4619120 Kbyte4 KbyteSPI/ UART, I2C, IrDA, DMA

Tabelle 1. Überblick über die MSP430FG43x- und FG461x-Familien für Anwendungen in der Medizintechnik. Alle Bausteine verfügen über: 12-bit-A/D-Umsetzer, zwei 12-bit-D/A-Umsetzer, drei OPVs, einen Komparator und einen UDD-Monitor

Teststreifenbasierte Messgeräte

Das Spektrum der Anwendungen teststreifenbasierter Messgeräte zur Erfassung wichtiger Daten des menschlichen Körpers ist groß. Die Messung des Blutzuckerspiegels ist ein Beispiel, das bereits heute breite Anwendung findet. Aus Sicht der Elektronik können ähnliche Prinzipien beispielsweise zur Messung des Harnsäuregehalts, des Cholesterins oder von Blutfetten genutzt werden. Am Ende geben alle diese Messdaten Informationen über den Status unserer Gesundheit preis, sie spiegeln unsere Lebens- und Ernährungsweise wider und erlauben es, uns anzupassen.

Eine der häufigsten Todesursachen in vielen europäischen Ländern und damit eine der größten Herausforderungen der modernen Medizin sind kardiovaskulare Krankheiten, also solche des Herzens und der Blutgefäße. Zusätzlich zu teststreifenbasierten Geräten, die uns anhand einer kleinen Blutprobe wichtige Daten liefern, gibt es auch Anwendungen, die die Funktion des Herzens selbst überwachen, z.B. einen Herzschrittmonitor oder portable EKG-Geräte (Elektrokardiogramm). Die Anforderungen an ein elektronisches Auswertesystem machen auch hier einen Mikrocontroller mit hoher Integrationsdichte an analoger und digitaler Peripherie zum Bauteil der Wahl für die Entwickler medizinischer Systeme.

Messdatenübertragung per Funk

Da der Anwender in diesem Fall auf eine ständige Überwachung seines Zustands angewiesen ist, ist geringe Stromaufnahme für ein solches System vielleicht noch wichtiger als bei teststreifenbasierten Geräten. Signalaufnahme und -aufbereitung müssen zugleich aber präzise und zuverlässig sein. Auch auf der Prozessorseite sind gewisse Filterfunktionen zu realisieren, die einfache 8-bit-Controller schnell an ihre Grenzen stoßen lassen. In modernen Systemen wird zwischen Aufnahme- und Auswerteeinheit eine Funkverbindung bevorzugt, damit der Patient in seiner Bewegungsfreiheit nicht eingeschränkt ist. Der Mikrocontroller übernimmt dabei zusätzlich zur Messfunktion das Protokoll für die Datenkommunikation und tauscht sich mit einem Funkbaustein (HF) über eine einfache serielle Schnittstelle aus. Selbstverständlich ist auch in diesem Fall die Stromaufnahme des Mikrocontrollers und des HF-Bausteins entscheidend für die Betriebsdauer des Systems.

Die HF-Datenübertragung eröffnet auch die Möglichkeit, die Messdaten über ein Gateway, etwa ein Mobiltelefon oder eine Breitbandverbindung, direkt an den Hausarzt oder eine Klinik zu übertragen. Auffällige Muster in der Herzfrequenz oder im EKG können so direkt in den ärztlichen Befund einfließen oder in Notfällen sogar eine Behandlung einleiten. Es laufen derzeit viele Pilotprojekte in der Europäischen Union, um eine solche Plattform, ein so genanntes E-Care-System, zu etablieren. Mit Hilfe eines solchen Systems könnte in naher Zukunft tatsächlich ein zuverlässiges, umfassendes und vor allem wirtschaftliches Instrument zur Versorgung chronisch Kranker zur Verfügung stehen. mb

Volker Prueller ist als Business-Development-Manager Europa für die MSP430-Produktlinie bei Texas Instruments verantwortlich. Er hat einen Abschluss in Elektrotechnik der Universität Erlangen- Nürnberg und arbeitet seit sieben Jahren für TI, ein Jahr davon hat er in der Wireless-Business- Unit in Frankreich verbracht. Seit 2000 ist er für den Bereich MSP430 zuständig – zuerst in Dallas, jetzt in Freising.
epic@ti.com

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Ein integrierter dreikanaliger DMA-Controller (Direct Memory Access) steigert die Leistungsfähigkeit dieser System- On-Chip-Lösung, indem er den Datendurchsatz erhöht und gleichzeitig die Stromaufnahme reduziert. Im Echtzeit-Modus mit aktivem 32-kHz-Takt wird so eine typische Stromaufnahme von etwa 2 µA erzielt. Gleichzeitig bieten die MSP430FG461x- Produkte zum ersten Mal Speichergrößen jenseits der 64-Kbyte- Grenze. Maßgebend dafür ist die neue MSP430X-CPU, die den MSP430-Adressbereich auf 1 Mbyte erweitert, gleichzeitig aber voll rückwärtskompatibel bleibt (Bild 2).

Der integrierte Display-Treiber LCD_A erzeugt direkt und autark die nötigen Spannungen zur Ansteuerung einer LC-Anzeige und unterstützt Displays mit bis zu 160 Segmenten im Vierfach-Mux-Betrieb. Als Erweiterung des bisherigen MSP430- LCD-Moduls enthält das neue LCD_A eine integrierte Ladungspumpe und einen Bias-Generator. Somit erlaubt es die Kontrastregulierung der Anzeige, was bei batteriebetriebenen Applikationen besonders sinnvoll ist. Trotz eines Spitzenstroms von circa 2 mA, typisch bei eingeschalteter Ladungspumpe, beträgt die mittlere Stromaufnahme für die Generierung der LCD-Spannung aufgrund des Tastverhältnisses von etwa 1 zu 1000 lediglich 2 µA.

Für das Auslesen der Messdaten oder zur Kommunikation mit anderen Komponenten im Messsystem bieten die Produkte der MSP430FG461x-Familie ein neues Hardware-Modul, das besonders universell einsetzbar ist und mehrere Kommunikationsprotokolle unterstützt. Dieses neue Modul heißt „Universal Serial Communication Interface“ (USCI). Im Prinzip besteht es aus zwei unabhängigen Teilen, die jeweils bestimmte Protokolle unterstützen. USCI_A kann dabei für UART-, SPI-, IrDA- oder LIN-Anwendungen benutzt werden und USCI_B für SPIoder I2C-Kommunikation (Bild 3).

Beide USCI-Teile lassen sich völlig unabhängig voneinander betreiben. Die USCI_A-Funktion umfasst Baudratenerzeugung, automatische Baudratenerkennung oder Pulsformung für die IrDA-Kommunikation. USCI_B kann für unterschiedliche I2C-Masteroder Slave-Modi konfiguriert werden. Außerdem gibt es dedizierte Stromsparoptionen für die Slave-Konfiguration, zum Beispiel Auto-Wake-up aus verschiedenen Stromsparmodi oder der Betrieb im Standby. Beide USCITeile unterstützen den 3- und 4-Pin- SPI-Betrieb.