作者：Rolf Horn

　　過去幾十年以來，數字技術在醫療衛生行業中的應用日益廣泛。新冠疫情加速了這一演變。由于疫情原因，人們必須使用遠程醫療服務，這也帶來了其他一些好處，例如更高效的醫療服務和持續的患者監護。技術進步催生了醫療物聯網 (IoMT)，通過互聯網將佩戴便攜式和/或可穿戴式醫療設備和傳感器的患者及相應的醫療系統和醫療機構連接在一起構成網絡。例如，連續血糖監測儀和心臟監護儀已被廣泛接受。IoMT 設備有助于實現數據傳輸自動化，從而減少人為錯誤。隨著預測性數據分析和人工智能 (AI) 技術的進步，IoMT 設備的功能變得愈加強大，可實現數據驅動的診斷，能夠及早發現異常，提高患者自我參與度，并降低醫療成本。

　　IoMT 設備的關鍵要求

　　安全性：由于傳輸的醫療信息性質敏感，設備必須具備高度的安全性。高級加密標準 (AES) 和橢圓曲線密碼 (ECC) 可以使用安全密鑰對傳輸的數據進行加密和解密，從而驗證數據。設備中基于真隨機數發生器 (TRNG) 的密鑰有助于安全生成這些密鑰。利用半導體設備內獨特的物理不可克隆函數 (PUF) 對設備進行身份識別，可以最大限度地減少欺騙攻擊。安全啟動硬件協議，以及防止訪問設備內存受保護區域的防篡改機制，都有助于提高設備的安全性。

　　耗電量：可穿戴設備和便攜式設備通常使用電池供電。低功耗通信協議(例如低功耗藍牙 5.x)、設備不工作時的省電模式，以及優化運行性能與功耗的高效架構是可以最大限度延長電池續航時間的一些基本特性。

　　體積小巧，功能豐富：小巧輕便的設備適用于可穿戴和便攜式醫療應用。智能種植牙等新應用要求極小的外形尺寸。片上系統 (SoC) 概念實現了多種功能在單個芯片上的高度集成。這些功能可能包括提供高速模擬和數字感應、測量、數據轉換、通信的外設功能集。其他基本要求包括：無線連接、高速數據處理、大容量閃存和 RAM 內存、精密低頻/低功耗時鐘和定時器、DC/DC 電壓調節等。

　　Silicon Labs 面向 IoMT 應用的 EFRBG27 Wireless Gecko SoC 系列

　　2023 年 3 月，Silicon Labs 宣布推出一個安全節能的新器件產品系列，從而擴展了該公司的 Wireless Gecko 產品組合。其中包括非常適合 IoMT 應用的 BG27 系列低功耗藍牙 SoC 器件。

　　圖 1 的框圖顯示了 BG27 SoC 中包含的豐富功能集。下面列出了一些主要功能的詳細信息：

　　圖 1：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的功能集。(圖片來源：Silicon Labs)

　　處理器和內存：76.8 MHz、32 位的 ARM Cortex? M33 RISC 內核帶有 DSP 指令和浮點運算單元，提供 1.50 Dhrystone MIPS/MHz 的高性能信號處理能力。其采用了 ARM TrustZone 安全技術。閃存容量為 768 kB，數據內存為 64 kB RAM。鏈接直接內存訪問控制器 (LDMA) 允許系統獨立于軟件執行內存操作，從而降低能耗和軟件工作負載。

　　低功耗模式：EFR32BG27 包含一個能量管理單元 (EMU)，用于管理 SoC 能量模式(EM0 至 EM4)的轉換。有了 EMU，應用程序能夠在程序執行過程中動態降低能耗至最低。EM0 模式提供最多功能，例如支持最高時鐘頻率下運行的 CPU、無線電和外設。而在 EM2、EM3 低功耗活動模式下，外設可以禁用。在能量模式之間轉換時，EMU 采用電壓調節，盡可能在較低電壓下運行，從而優化能效。EM4 是一種非活動的最低功耗狀態，允許系統喚醒進入 EM0 模式。

　　DC/DC 轉換：EFR32BG27 系列包括降壓和升壓模式的片上轉換器，可提供所需的內部 1.8 V 電壓。升壓模式器件(例如 EFR32BG27C230F768IM32-B)可在低至 0.8 V 的電壓下工作，允許使用單節堿性電池、氧化銀電池和其他低壓電池供電。升壓轉換器可使用專用 BOOST_EN 引腳關閉，從而在存儲和運輸過程中節省系統電池電量。在該模式下，最大電流消耗僅為 20/50nA，具體取決于某些引腳的供電。在 EFR32BG27C140F768IM40-B 等降壓模式器件中，可以使用外部電源提供最高 3.8 V 的電壓。當電源電壓足夠低時，片上電源監測器會發出信號，允許穩壓器旁路，并將電壓范圍擴展至 1.8 V。旁路模式還允許系統進入 EM4 節能模式。DC/DC 轉換器中集成了庫侖計模塊。其中包括兩個 32 位計數器，用于測量 DC/DC 轉換器提供的充電脈沖數，從而實現精確的電池電量跟蹤，提高用戶安全性。

　　藍牙 5.x 網絡：該 SoC 系列支持低功耗藍牙 (LE) 無線協議。無線電接收器采用低中頻架構，包含低噪聲放大器和 I/Q 下變頻器。自動增益控制 (AGC) 模塊可調節接收器增益，以避免飽和，從而提高選擇性和阻塞性能。2.4 GHz 無線電模塊在生產時經過校準，以改進鏡頻抑制性能。該系列提供從 4 dBm 到 8 dBm 的一系列發射功率。射頻噪聲抑制功能包括 DC/DC 轉換器在啟動時以軟開關模式運行，以及從穩壓到旁路的 DC/DC 轉換，旨在限制最大電源壓擺率并抑制浪涌電流。RFSENSE 模塊允許器件保持在 EM2、EM3 或 EM4 節能模式，并在檢測到射頻能量高于指定閾值時喚醒。

　　安全性：EFR32BG27 系列的 SoC 包含一系列安全功能，如圖 2 所示。

　　圖 2：EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 系列的安全功能。(圖片來源：Silicon Labs)

　　使用信任根和安全加載程序 (RTSL) 的安全啟動將從不可變只讀存儲器 (ROM) 開始對可信固件進行驗證。加密加速器支持 AES 和 ECC 加密和解密。它還包括差分功率分析 (DPA) 對策，用于保護密鑰。TRNG 從熱源收集熵，并包括 NIST SP800-90B 和 AIS-31 標準要求的熱源啟動健康測試，以及 NIST SP800-90C 要求的在線健康測試。調試接口在部件投入現場使用時被鎖定，具有安全解鎖功能，允許基于公鑰加密的經身份驗證訪問。在硬件方面，外部篡改檢測 (ETAMPDET) 模塊可檢測外部篡改，例如未經授權打開外殼。該模塊可以生成中斷，向軟件發出警告，并允許采取系統級措施。

　　豐富的外設集：該 SoC 包括結合采用 SAR 和 Delta-Sigma 技術的混合模數轉換器。12 位模式的運行速度最高可達 1 Msps，而 16 位轉換器的運行速度最高可達 76.9 ksps。模擬比較器模塊可使用內部或外部基準，也可用于感測電源電壓。支持 SPI、USART 和 I2C 串行通信模式。實時時鐘和捕捉 (RTCC) 模塊提供 32 位計時功能，低至 EM3 能量模式，并可使用內部低頻振蕩器進行時鐘定時。低能耗定時器 (LETIMER) 提供 24 位分辨率，可在設備大部分斷電時，用于定時和輸出生成，從而以最低的功耗執行簡單的任務。外設反射系統 (PRS) 是一種信號路由網絡，允許外設模塊之間的直接通信，而無需 CPU 參與。這樣可以減少軟件開銷和電流消耗。

　　小基底面的封裝：EFR32BG27C320F768GJ39-B 就是 EFR32BG27 系列的器件之一。該器件采用晶圓級芯片尺寸封裝 (WLCSP)，尺寸僅為 2.6 mm x 2.3 mm，可在降壓或升壓穩壓器模式下運行。該系列的其他產品采用 QFN32 4 mm x 4 mm 封裝或 QFN40 5 mm x 5 mm 封裝，在特定降壓或升壓穩壓器模式下運行。

　　總結

　　EFR32BG27 提供業界領先的高能效處理能力和低能耗藍牙連接。這些外形小巧的 SoC 包括各種安全功能，非常適合 IoMT 應用。