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——Frank Shen
本文列出的幾點(diǎn)考慮因素可以幫助醫(yī)療器械OEM選擇合適的嵌入式計(jì)算機(jī)主板及供應(yīng)商。
隨著臨床診斷儀器等醫(yī)療器械變得越來越精密，制造商不僅需要降低這些設(shè)備的空間，而且要在不增加能源成本的同時(shí)提高計(jì)算能力。此外，對(duì)經(jīng)濟(jì)性的追求迫使醫(yī)療器械OEM將其各種應(yīng)用的每項(xiàng)功能發(fā)揮得淋漓盡致。因此，要在不支付高昂價(jià)格的同時(shí)滿足這種對(duì)計(jì)算能力的需求，嵌入式計(jì)算機(jī)主板已作為較成功的技術(shù)之一脫穎而出。
采用多處理器技術(shù)的嵌入式主板能為諸多醫(yī)療應(yīng)用提供所需的計(jì)算能力。
如今，OEM都在忙于設(shè)計(jì)基于嵌入式計(jì)算機(jī)主板的設(shè)備，以提供各種不同的醫(yī)療應(yīng)用：醫(yī)療物理治療儀器、臨床診斷儀器、外科成像管理系統(tǒng)、床旁設(shè)備、超聲系統(tǒng)和電腦輔助診斷及治療。
因此，面對(duì)所有這些設(shè)備都必須按照嚴(yán)格要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)，OEM選擇醫(yī)療嵌入式計(jì)算機(jī)主板及其供應(yīng)商時(shí)的主要考慮因素是什么？本文討論了作出正確選擇的七個(gè)步驟。
第一步：選擇技術(shù)
第一個(gè)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)是由查爾斯·斯塔克·德雷珀在麻省理工學(xué)院儀表實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的阿波羅導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。首個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)是D-17自動(dòng)導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)控制的民兵導(dǎo)彈于1961年發(fā)射升空。自那時(shí)起，嵌入式系統(tǒng)的價(jià)格開始下降，并且成功地從軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)向商業(yè)應(yīng)用，被廣泛用于從iPhone和MP3播放器到交通燈乃至各種醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)備。
由于英特爾等廠商的創(chuàng)新，嵌入式計(jì)算機(jī)主板一直受益于最新、最強(qiáng)大的微處理器技術(shù)，其處理能力和功能有了巨大提升。但是技術(shù)的選擇仍取決于應(yīng)用要求，例如，臺(tái)式電腦還是筆記本電腦、Windows還是Linux、新技術(shù)還是既有系統(tǒng)。
挑選處理器。兩大中央處理器設(shè)計(jì)原理分別為精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)和復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)。對(duì)于運(yùn)行通用操作系統(tǒng)(OS)并提供多樣功能的嵌入式計(jì)算機(jī)主板，CISC是理想選擇。
配有英特爾酷睿2雙核(C2D)和酷睿2四核(C2Q)處理器等最新多核處理器技術(shù)的嵌入式計(jì)算機(jī)主板能提供復(fù)雜醫(yī)療應(yīng)用所需的更強(qiáng)計(jì)算能力，同時(shí)能以更低的能耗輸出。（低能耗迎合了那些需要密切留意運(yùn)作成本的財(cái)政預(yù)算案決策者的需求。）例如，英特爾Q965 Express芯片組對(duì)當(dāng)今集成嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的成功意義重大。許多主板供應(yīng)商已選擇Q965，因?yàn)樗苤С諰GA775封裝的C2D和奔騰4/賽揚(yáng)D處理器，具有應(yīng)對(duì)未來處理器革新的可擴(kuò)展性。此外，C2D雙核技術(shù)的特點(diǎn)在于一個(gè)物理包內(nèi)含兩個(gè)以相同頻率運(yùn)行的獨(dú)立處理器，從而實(shí)現(xiàn)了真正的并行處理。英特爾C2Q處理器將4個(gè)處理核心納入1個(gè)包中，可用于要求進(jìn)行更強(qiáng)大多任務(wù)處理的項(xiàng)目。
對(duì)于要求高計(jì)算性能和低耗能的醫(yī)療應(yīng)用設(shè)計(jì)OEM來說，C2D和C2Q均為適當(dāng)?shù)倪x擇。例如，若需充分利用當(dāng)今最精密的應(yīng)用技術(shù)，例如外科成像管理系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力需提升40%，正如多核處理器所能提供的。然而，與此同時(shí)器械制造商不需為此支付更多的成本。上述多核處理器經(jīng)過節(jié)能設(shè)計(jì)，帶有相當(dāng)于2.91億個(gè)晶體管，耗能卻比單核處理器少40%。
既有系統(tǒng)。新處理器技術(shù)需要向后兼容，以支持客戶已有的操作系統(tǒng)或應(yīng)用軟件。一些應(yīng)用適合移動(dòng)計(jì)算，這要求具有無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。在諸如手術(shù)室或內(nèi)窺鏡成像等需要消除熱量和噪音干擾的環(huán)境中，也可能需要考慮無風(fēng)扇嵌入式計(jì)算機(jī)主板。采用非移動(dòng)芯片組和處理器的嵌入式主板通常都需要散熱器和風(fēng)扇。
顯示效果良好。盡管許多醫(yī)療應(yīng)用的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)是高分辨率，但一些項(xiàng)目可能需要使用通過低壓差分信號(hào)（LVDS）實(shí)現(xiàn)的雙顯示器和雙路視頻。這是使用最新視頻芯片的嵌入式計(jì)算機(jī)主板的共同特征。使用同一個(gè)中央處理器控制兩個(gè)LCD顯示器具有諸多優(yōu)勢，其中之一是一個(gè)顯示器可以專門用于主要的醫(yī)療圖像，而另一個(gè)可以提供其他信息或現(xiàn)場服務(wù)，即有更多的信息可為健康護(hù)理專業(yè)人員、病人和工程服務(wù)專業(yè)人員所用。目前最先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)主板中的雙顯示器和雙路視頻可選擇以下組合：VGA/LVDS、VGA/DVI、DVI/LVDS或雙LVDS。
第二步：選擇規(guī)格
有時(shí)，對(duì)于客戶的需求來說，尺寸為13.33×4.98英寸（338.58×126.39mm）的單板計(jì)算機(jī)(SBC)顯得過于龐大。OEM應(yīng)可以改用一系列較小的尺寸的計(jì)算機(jī)。例如，很多制造商能提供各種不同規(guī)格的計(jì)算機(jī)主板，包括3.5英寸和5.25英寸的ECX、ETX和半長ISA SBC。此外還有PC/104及Mini-ITX、Micro-ATX和ATX等嵌入式主板。小型主板(通常為4×5.75英寸)一般包括移動(dòng)芯片組和處理器，可選擇雙路視頻輸出、無風(fēng)扇配置及通過ISA、PCI或Mini-PCI實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展能力。大型主板的尺寸可達(dá)9.6×12英寸(243.8×304.8mm)，可提供移動(dòng)或最新多核技術(shù)。
表I. 嵌入式計(jì)算機(jī)板的規(guī)格比較。
部分主板還帶有復(fù)合接口或S視頻接口，可用于選用電視替代電腦顯示器作為顯示裝置的醫(yī)療器械。ECX規(guī)格提供3.5英寸的較小占地面積，但不具備容納最新多核技術(shù)的物理能力。ATX等大型主板的優(yōu)勢在于其不僅能支持最新的微處理器，而且還帶有更多的功能和擴(kuò)充插槽。ATX規(guī)格一般提供6個(gè)擴(kuò)充插槽。但Mini-ITX規(guī)格可能最經(jīng)濟(jì)實(shí)用。集成主板可小至170mm2或者6.7平方英寸，顯然比115.2平方英寸(2926.1mm2)的ATX規(guī)格更加緊湊。
部分制造商推出了利用英特爾C2Q技術(shù)的加強(qiáng)型Mini-ITX嵌入式系統(tǒng)主板。盡管這些高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)主板一般僅能支持單一的擴(kuò)充插槽，但它們利用了一個(gè)PCI-E×16插槽運(yùn)行額外的顯卡。6個(gè)SATA（串行高級(jí)技術(shù)附件）端口提升了系統(tǒng)容量，使得高級(jí)Mini-ITX特別適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其千兆位以太網(wǎng)端口可提供高性能的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
配備有移動(dòng)芯片組和處理器的Mini-ITX的另一實(shí)惠是主板可以被動(dòng)散熱，因其固有的結(jié)構(gòu)耗能較少。這使其成為需要防止噪音干擾的應(yīng)用的理想選擇。
緊湊型載板。設(shè)計(jì)每種嵌入式應(yīng)用都必須考慮到緊湊的結(jié)構(gòu)、計(jì)算能力選擇、可靠性、操作簡單和功能擴(kuò)展，一種新型規(guī)格因應(yīng)而生，即嵌入式計(jì)算機(jī)模塊(COM)Express架構(gòu)，其可提供模塊化計(jì)算選擇。這種方法包括一個(gè)計(jì)算核心模塊和一塊載板，載板帶有精簡的基本計(jì)算機(jī)功能和用于功能擴(kuò)展的接口。
一般而言，緊湊型載板規(guī)格都帶有一個(gè)主機(jī)模塊板，它通過COM Express定義的互連與載板連接。該規(guī)格的優(yōu)勢包括方便未來處理器升級(jí)以及快速上市時(shí)間設(shè)計(jì)。
模塊化可啟動(dòng)主機(jī)引擎插入載板中，而載板與電源連接。特定于應(yīng)用的系統(tǒng)功能和外圍設(shè)備擴(kuò)展都構(gòu)建在載板的基礎(chǔ)之上。其理念很簡單：現(xiàn)在安裝最新中央處理器，當(dāng)需要升級(jí)時(shí)，只需更換處理器模塊。OEM工程師僅需設(shè)計(jì)和融合載板，因此節(jié)省了時(shí)間。這樣有助于縮短開發(fā)時(shí)間，加快新產(chǎn)品推出的速度。該模塊法的可升級(jí)性和可擴(kuò)展性使得現(xiàn)在乃至未來的微處理器供應(yīng)的靈活性得到提升。
第三步：擴(kuò)展和外圍設(shè)備的選擇
大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用是不斷變化的，一些突破改變了療程；技術(shù)緊隨其后，力求滿足要求；現(xiàn)有的應(yīng)用或硬件需要擴(kuò)展；需要增加新的外圍設(shè)備。
大多數(shù)嵌入式計(jì)算機(jī)主板可選用的擴(kuò)展方法有ISA、PC/104、PCI、PCI-X或PCI-E。這些選擇一般基于附加卡總線標(biāo)準(zhǔn)和吞吐量，因?yàn)楹芏喙δ軘U(kuò)展附加卡都是基于這些接口而構(gòu)建的。
PCI Express具有靈活性和可擴(kuò)展性。
ISA。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)是為IBM兼容電腦設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。除專項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用外，ISA很少用在今天的設(shè)計(jì)之中，常被稱為舊式總線。
PCI。外圍組件互連或PCI標(biāo)準(zhǔn)指定連接外圍設(shè)備到計(jì)算機(jī)主板的計(jì)算機(jī)總線。這些設(shè)備可能屬于下列任一形式：
·安裝在主板本身上的集成電路，在PCI規(guī)格中被稱為平面設(shè)備。
·插入插槽的擴(kuò)展卡。
PCI總線在現(xiàn)代PC中很常見，它已經(jīng)替代ISA以及VESA（視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）局域總線作為標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展總線，但是PCI總線也出現(xiàn)在其他很多類型的計(jì)算機(jī)中�，F(xiàn)在，該總線已經(jīng)被PCI Express（PCI-E）所取代。目前，PCI-E是大多數(shù)新型計(jì)算機(jī)和其他技術(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)。
PC/104。應(yīng)用在工業(yè)和嵌入式應(yīng)用中的PC/104總線是在ISA總線的基礎(chǔ)上衍生出來的，它與ISA總線使用同樣的信號(hào)線但帶有不同的連接器。PC/104是由PC/104協(xié)會(huì)控制的嵌入式計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，它同時(shí)定義了規(guī)格和計(jì)算機(jī)總線。PC/104通過不同的功能模塊用于堆疊配置。此規(guī)格使得很多需要堅(jiān)固定制系統(tǒng)的原始設(shè)備制造商無需花費(fèi)很長時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。
與采用PCI總線、現(xiàn)在為大多數(shù)PC所應(yīng)用的流行的ATX規(guī)格不同，PC/104沒有底板。取而代之，它允許模塊像積木一樣堆疊。與一般的PC配置相比，總線的堆疊通常較為堅(jiān)固。這是因?yàn)槊總�(gè)模塊角落上有安裝孔。這些孔使主板能用限位塊固定。
PCI-X和PCI-X 2.0。外圍組件互連擴(kuò)展（PCI-X）目的在于取代PCI的計(jì)算機(jī)總線以及擴(kuò)充卡標(biāo)準(zhǔn)。它實(shí)質(zhì)上是PCI的一種快速版，運(yùn)行速度為原來的兩倍，物理執(zhí)行和基本的設(shè)計(jì)與PCI類似。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，它已經(jīng)被PCI-E所取代，PCI-E具有完全不同的邏輯設(shè)計(jì)。
盡管PCI-X 2.0可與PCI-X和PCI設(shè)備向后兼容，但它并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。這主要是因?yàn)橛布⿷?yīng)商已選擇集成速度更快的PCI-E。
PCI-E。PCI Express（PCI-E或PCIe）是一種計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡的接口形式。它被用以替代PCI、PCI-X（接口卡接口）和AGP（顯卡接口）。PCI-E基于被稱為通路的串行鏈路來實(shí)現(xiàn)的。PCI-E的每一條通路都是全雙工鏈路，能夠同時(shí)進(jìn)行傳輸和接收。單條通路擁有近兩倍于普通PCI的數(shù)據(jù)傳輸速率；四通路插槽的數(shù)據(jù)傳輸率可與PCI-X的最快版相匹敵。
PCI-E主要是由英特爾支持，僅應(yīng)用于局域互連。它可與早期的PCI標(biāo)準(zhǔn)軟件相兼容，使得PCI卡和系統(tǒng)向PCI-E的轉(zhuǎn)換就像換掉物理層一樣簡單，而無需更換相應(yīng)的支持軟件。PCI-E上增加的帶寬得到了嵌入式主板設(shè)計(jì)師的一致推崇，因?yàn)槠渌俣瓤斓米阋匀〈≒CI在內(nèi)的幾乎所有現(xiàn)有內(nèi)部總線。
金手指板。很多空間顯得非常珍貴的小型嵌入式主板會(huì)在主板的邊緣涂上一小條，或是手指面積的黃金。該金手指將嵌入式主板與醫(yī)療器械內(nèi)的其他主板進(jìn)行物理連接。
第四步：可靠的工程支持
一旦確定了嵌入式計(jì)算機(jī)主板的物體特性，OEM需要尋找一個(gè)合適的供應(yīng)商。主板的規(guī)格往往決定了供應(yīng)商，反之亦然。很多供應(yīng)商都能提供相似的主板。但OEM可從選擇能為其產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供最可靠工程支持的供應(yīng)商，從而縮小選擇范圍。例如，供應(yīng)商應(yīng)能修改BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)），使制造商能添加獨(dú)特的功能。
此外，供應(yīng)商必須能為非標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)程序支持，例如Linux而非Windows。供應(yīng)商是否能幫助OEM達(dá)到監(jiān)管規(guī)定的要求也同樣重要。
第五步：定制和靈活性
為了將產(chǎn)品快速推向市場，OEM通常會(huì)選擇標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式計(jì)算機(jī)主板，通常為開包即用。然而有時(shí)，某一醫(yī)療器械設(shè)計(jì)會(huì)需要?jiǎng)?chuàng)建一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無法滿足的獨(dú)特功能，或者需要清除標(biāo)準(zhǔn)主板上不必要的部件以降低成本。此時(shí)就必須找一家可為用戶提供內(nèi)部定制服務(wù)的供應(yīng)商。
第六步：耐久性
對(duì)于醫(yī)療器械OEM而言，嵌入式主板的使用壽命是否能與其提供功能的機(jī)器的壽命相比肩是十分關(guān)鍵的。耐久性不僅能滿足用戶的要求，而且其在醫(yī)療市場中也同樣必不可少，因?yàn)闀r(shí)間因素與獲取FDA認(rèn)證息息相關(guān)。因此，OEM所選擇的供應(yīng)商必須與承諾提供耐久性支持的元件制造商密切合作。一部分OEM是這么做的。但不幸的是，很多制造商并沒有遵循這點(diǎn)原則。
英特爾公司向英特爾通信聯(lián)盟(ICA)的成員承諾，保證獲得其Embedded Roadmap支持的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品的耐久性。聯(lián)盟成員向其顧客提供的產(chǎn)品至少可獲得5年的壽命周期支持。
第七步：符合FDA標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商
由于嵌入式主板一般為重要部件，因此必須對(duì)供應(yīng)商的資信進(jìn)行調(diào)查，特別是為審批原則較嚴(yán)格的行業(yè)設(shè)計(jì)器械時(shí)。選擇供應(yīng)商時(shí)，首先要保證其質(zhì)量保證協(xié)議包含F(xiàn)DA標(biāo)準(zhǔn)的條款，此外還必須確保其制造流程能夠通過FDA的審核。所選的供應(yīng)商至少要通過包含ANSI/ISO/ASQ Q9001:2000在內(nèi)的ISO9001:2000認(rèn)證。
結(jié)論
本文探討了為特定應(yīng)用確定適當(dāng)?shù)那度胧街靼寮捌涔⿷?yīng)商的七個(gè)關(guān)鍵步驟。選擇適合醫(yī)療器械市場使用的嵌入式主板的第一步就是找到既能符合OEM當(dāng)前需求又能與正在使用的既有系統(tǒng)向后兼容的產(chǎn)品。嵌入式計(jì)算機(jī)主板還應(yīng)該能進(jìn)一步擴(kuò)展以滿足未來的需求。
由于現(xiàn)今都是處理器密集型應(yīng)用，且設(shè)備制造商一直致力于降低成本，這些主板需要能在低功耗條件下提供最大的計(jì)算能力。此外，主板壽命還可與其提供功能的機(jī)器同步。
在選擇主板的同時(shí)，選擇合適的供應(yīng)商也很重要。在這個(gè)管制嚴(yán)格的行業(yè)中，器械供應(yīng)商必須提供靈活的支持、耐久的產(chǎn)品以及符合FDA標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量控制流程。
本文作者Frank Shen是American Portwell Technology公司(美國加州，F(xiàn)remont)的產(chǎn)品銷售總監(jiān)。
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