醫療系統中的USB隔離解決方案

　　通用個人電腦(PC)的廣泛普及正在重塑醫療系統的構建方式。這些醫療系統的核心就是PC，只是采用專門的軟件和針對醫療應用定制的功能對其進行了配置。這種方法降低了成本，縮短了開發時間，因為許多PC組件的價格已經很低。這種技術還能與其它系統(如服務技術人員的筆記本電腦)和外設(如打印機、鍵盤和鼠標)實現更好的互操作。然而，由于標準PC接口缺少直接、具有成本效益的隔離方案，這種技術的應用有時會很受到阻礙。

　　這是ADI公司的單芯片USB隔離器，利用內部穩壓器可以在5V USB電源或系統提供的3.3V電源下工作。

　　RS-232是一種很容易隔離的PC通信端口，但正在被逐步淘汰，讓位于一種更具魯棒性、更高速度的接口USB，而且帶這種接口的外設已經相當多。然而，這種接口與RS-232不同，很難進行隔離，因為它是差分和雙向接口。直到最近，USB隔離還需要使用多個USB控制器、隔離器和其它元件，不僅增加了成本，而且延長了開發時間。現在，新的USB隔離技術已出現，它可將隔離醫療設備中USB所需的全部功能集成在一起，不需要額外的元件，無需修改主機或外設軟件就能直接將其插入到USB信號路徑中。

　　隔離式接口

　　醫療系統使用隔離來保護操作人員、病人或系統本身的安全。隔離也能將系統某個部件產生的噪聲與另一個對噪聲更敏感的部件隔離開來。凡需要安全性的應用場合，隔離器件都要受到像UL和IEC等組織設立的標準約束，所適用的標準取決于具體應用。例如，IEC 60601規定了對醫療設備的安全性要求，而IEC 60950適用于信息技術設備。

　　下面介紹在安全性標準中與醫療系統的隔離等級或質量有關的一些特定術語：

　　隔離額定值。隔離額定值通常規定為交流電壓，是指隔離器能夠承受的瞬時過電壓。典型值是2.5kV rms、1分鐘，但有更高隔離要求的醫療系統可能規定為5kV rms、1分鐘。

　　工作電壓。工作電壓是指連續加在隔離上的電壓。與隔離額定值一樣，工作電壓通常也規定為交流電壓，但隔離阻障需要能夠在整個工作壽命期間承受這個電壓。工作電壓典型值約400V rms。

　　增強型隔離。增強型隔離通常是醫療系統提出的要求，它規定的隔離值等效于兩個獨立系統的隔離。這種等效性需要通過確保隔離阻障能夠承受比如10kV的短時持續浪涌電壓來確定。增強型隔離常見于IEC標準，例如針對醫療應用的IEC 60601-1。

　　爬電距離。爬電距離是指沿著隔離阻障兩側的兩導體之間封裝表面的最短距離。

　　空隙。空隙是指兩個導體之間的最短空氣距離。特定應用要求的爬電距離和空隙取決于許多因素，包括安全標準、隔離類型(基本/單或者增強/雙)、工作電壓等。

　　與病人安全有關的醫療設備一般要求增強型隔離，工作電壓為125V rms或250V rms，爬電距離和間隙為至少8mm。

　　隔離等級取決于系統是如何劃分的。圖1給出了帶各種接口的一般醫療設備框圖，并標出了可以實現隔離的位置。病人必須與主系統隔離，因此在B、C或D點要求對病人進行安全性隔離。在很多情況下，D點是不需要隔離的，因為傳感器或其它設備必須直接連接病人。在其它情況下，如超聲波設備，D點的隔離由傳感器頭部的塑料外殼提供。C點的信息仍處于模擬域，因此又要隔離又要保持精度很不經濟。這樣，醫療設備中的隔離通常在B點實施，但這會使操作人員和外設處于無保護狀態，因此還需要在其它接口處實施隔離。

圖1：一般醫療設備的框圖，圖中標示了可以實施隔離的接口位置。

　　醫療安全標準允許兩種類型的隔離：病人保護型(MOPP)和操作人員保護型(MOOP)。MOPP遵守IEC 60601規定，MOOP則遵守嚴格程度較低的規定，如IEC 60950。在上述例子中，系統可以被劃分為要求接口B通過IEC 60601認證，而接口A、E、F和G可能只要求通過IEC 60950認證。

　　一些醫療系統為了確保最高安全等級，所有接口都要求符合IEC 60601，因為這些系統可能允許病人接觸外圍設備。另外，系統中與病人連接的部分可能被認為是一個外設，會連接到圖中所示E、F和G接口中的任何一個。IEC 60601還規定了使用高電壓除顫器時的安全性。與病人連接的任何設備只要沒經過IEC 60601認證，那么在除顫期間必須被移走，不管有沒有時間這樣做。

　　USB的采用

　　系統內部接口，如圖1中的A、B和C點，通常為UART、SPI和I2C，具體取決于成本、性能和尺寸要求。而系統架構師還要根據互操作性選擇外部連接端口。過去，PC系統依賴于RS-232串行通信。但RS-232在PC上、特別是筆記本上越來越少，帶RS-232的外設數量也在急劇減少。

　　相反，USB卻快速增長，部分原因是USB接口的迅速普及和大量外設的支持。USB的即插即用特性還能降低開發費用和減少對專用軟件的需求。在醫療設備中，USB的使用不只限于受過專業訓練的操作人員，病人也可以在家里使用USB設備將數據下載到USB存儲器，然后帶到醫院供醫生診斷時使用。USB還能用來將傳感器或其它測量設備連接到主系統。USB的優勢之一是允許多達127個設備在一條總線上工作，因此即使只有一個USB端口也能使用多個外設。相反，RS-232串行通信端口只能處理一個設備。

　　USB隔離

　　總之，USB與RS-232相比具有一些明顯的優勢，包括：可擴展到127個外設；即插即用操作；熱插拔能力；高數據速率(1.5Mbps、12Mbps和480Mbps)；兼容工業標準；在PC上廣泛普及。

　　盡管有這些優勢，但USB在醫療系統中的普及速度沒有像在其它消費類應用中那么快。醫療領域與其它領域的區別在于隔離要求。盡管USB與RS-232相比有許多優點，但事實表明，隔離USB接口并不像隔離其它接口那樣簡單。

　　USB難以隔離，因為它是差分、雙向接口，并且需要配置(通過上拉和下拉)電阻指示總線速度。僅雙向這一特性就具有很大的挑戰性，因為必須要用某種方法來確定數據傳送的方向。在隔離型USB接口中，這個信息必須能穿越過隔離阻障。控制流由數據結構決定，而不是控制信號。

　　USB接口由4根線組成：VDD、D+、D–、VSS。

　　VDD是5V電源，VSS是參考地，D+和D-是差分信號。使事情變得更復雜的是，D+和D-還能用來發送單端數據，并且能用來判斷總線狀態。總線外設側的上拉和下拉電阻用于設置USB接口的速度和空閑狀態。根據定義，數據能按以下三種速率中的一種進行傳送：1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速)。

　　USB 2.0標準支持全部三種數據速率(USB 1.1只支持低速和全速數據速率)。值得注意的是，一個器件即使不支持480Mbps也可以稱為USB 2.0兼容器件。

　　因為標準光耦天生就是單向器件，因此使用光耦或其它單向隔離器的隔離接口必須先把USB信號轉換成一組單向信號，如圖2所示(圖中沒有畫出EEPROMS，但它常被用來存儲用于信號轉換的代碼)。在這個例子中，來自微控制器的D+/D-線被轉換成單端、單向的SPI信號。這些信號經隔離后再使用USB串行接口引擎或USB控制器轉換回USB信號。這個控制器增加了多個元件，并增加了走線數量，而不再是簡單的雙線總線。這種方法不僅代價高，占用相當大的電路板面積，并且需要額外的設計時間，部分原因是微控制器需要軟件配置。這種實現方式的復雜性是造成醫療系統架構師對USB的采納較遲緩的主要原因。

　　圖2：隔離USB接口的可選方式。其中左圖給出了使用微控制器和串行接口引擎將D+/D-信號轉換成單向單端SPI的配置方法。右圖是更簡單的方法，ADuM4160 USB隔離器可被插入D+/D-信號路徑中，不需要另外的信號轉換元件。

　　單封裝USB隔離

　　更簡單、在成本和面積方面更具效益的USB隔離方法是使用專門的USB隔離器，這種隔離器可以直接插入到D+/D- USB信號路徑。這樣的隔離技術現在已經存在，能提供高達5kV rms的增強型隔離，并支持低速和全速數據速率。

　　與光耦不同，光耦使用LED和光敏晶體管并通過光傳輸將數據送過隔離阻障，而基于更新技術的隔離器使用平面變壓器將數據送過20μm厚的聚酰亞胺絕緣層，這個絕緣層能承受6kV rms電壓。數據發送是靠從一個線圈到另一個線圈的感應完成的。圖3是這種變壓器的結構。圖4說明了數據流的上升和下降沿分別是如何編碼為兩個或單個1ns脈沖的。這些脈沖在接收器側經過解碼來還原發送的數據。

　　圖3：平面變壓器示意圖。線圈被20μm厚的聚酰亞胺絕緣層所隔離，這種絕緣層的隔離額定值可高達6kV rms、1分鐘。

　　圖4：將數據送過隔離物的方法。上升和下降沿分別被編碼為兩個和單個脈沖。接收器通過解碼這些脈沖在隔離物另一側再生數據流。刷新電路不斷地每隔1ms重傳一次數據，以確保直流電壓正確性。

　　與光耦相比，使用單個封裝的專用USB隔離器有很多好處。使用變壓器允許數據透過隔離物進行雙向傳送。雖然這種技術使用專用變壓器進行發送和接收信號，但所有線圈都是相同的，并包含在一個封裝內。這種方法用光耦是無法實現的。采用光耦的類似設置需要使用獨立的器件處理每個方向的通信。

　　變壓器的速度本來就比光耦中使用的LED-光敏晶體管組合要快，因此允許隔離器支持USB所要求的更快數據速率和更短傳播延時。同時，這種隔離器的功耗較低，能夠滿足USB嚴格的待機功耗需求。

　　這種隔離技術的最關鍵優勢在于能夠在隔離器產品中集成額外的功能。這種集成帶來的空間節省效果如圖2所示，與USB收發器加光耦的多IC配置相比，USB隔離器占用的電路板面積可以減少75%。

　　借助于這種在成本和面積方面更具效益且很容易實現的USB隔離技術，醫療設備就可以充分利用USB的優勢。例如在醫療系統中，家用病人監護儀上的隔離型USB端口可以實現家中病人與醫院醫生之間的實時連接，從而提供更好更準確的健康護理。采用隔離型USB后，這種家用病人監護儀可以連接到PC，然后通過互聯網將數據實時傳送到醫院。只要經過IEC 60601醫療等級安全認證，帶隔離型USB的系統甚至能在電擊除顫過程中保持與病人的連接。

　　本文小結

　　USB的廣泛使用對想要充分利用USB優勢的醫療系統架構師提出了挑戰。隔離這些系統中的USB相當困難，代價也很高，而且不能有損于使用USB所帶來的功能增強和最終成本效益。幸運的是，新型的USB隔離器已被開發出來解決這個問題。這種技術可以直接隔離差分、雙向的D+/D- USB信號線。