隨著技術的不斷進步，消費類、便攜式醫療設備的功能越來越強大，越來越完善，極大地提高了準確性、可靠性、連接性和易用性，同時保證了用戶健康信息的安全性，價格也合理。

這些全新的高級功能需要更強的處理能力、安全性和連接性。日益增長的復雜性也要求固件/軟件代碼擴展，反過來不僅增加了代碼，而且還提升了數據存儲系統的存儲器需求。這些增強功能，增加了系統的功耗預算，矛盾的是，緊湊外型的便攜式醫療設備要求超長電池壽命，需要降低功耗。

 

系統架構師面臨的首要挑戰是，確定合適的片上系統（SoC）或MCU作為系統的核心。它必須能夠提供所需的性能，還要降低整個系統的功耗預算。此外，外部存儲器、傳感器和遙測接口等外設也要考慮進來，因為外設性能不佳，可能對系統總體性能產生負面影響，抵消高性能內核的價值和優勢。外設的性能必須與SoC/MCU的性能相當，還必須能夠實現緊湊的外型和高效的能量供應。

 

SoC/MCU通常集成兩種類型的存儲器：閃存和SRAM。閃存是一種寫入相對緩慢的非易失性存儲器，支持有限的寫入周期數。它用于保存固定或緩慢變化的數據，如應用代碼、系統信息和/或后處理的用戶數據日志。相比之下，SRAM是一種快速訪問的易失性存儲器，提供無限的寫入周期耐久度。它用于存儲運行時系統數據。

 

隨著系統復雜性不斷增加，包括多個數學函數和算法的復雜代碼也隨之增加，片上存儲器內存容量可能不足。因此，便攜式醫療系統通常需要額外的存儲空間，以便設計人員使用外部存儲器來增加內部存儲器的空間。圖1所示的原理圖顯示了醫療刺激裝置如何使用外部存儲器來支持高級功能。

圖1：使用外部存儲器來支持高級功能的醫療刺激裝置原理圖

低功耗外部存儲器可用于RAM擴展，通常是具有極低工作電流和待機電流的SRAM。非易失性存儲器的主要選項包括串行閃存、EEPROM、MRAM和F-RAM。串行閃存具有低成本和高密度的特點，因而廣泛應用于非易失性程序和數據的存儲擴展。

然而，閃存的能耗較高，極大地降低了電池供電設備的工作壽命。為了節約能源，一些應用將部分閃存替換成EEPROM。然而，這種方法仍然對電池不利，尤其是在涉及對EEPROM的大量寫入操作時。此外，這種方法還使應用代碼設計復雜化。磁阻RAM（MRAM）具有無限寫入耐久度，是非易失性存儲器的另一種替代方案。然而，MRAM的工作電流和待機電流非常高，并且易受磁場的影響，會損壞存儲數據，因此，MRAM不能用于電池供電的醫療設備。

F-RAM的效率與可靠性

在便攜式醫療設備應用中，與EEPROM和閃存等其他非易失性存儲器技術相比，鐵電RAM（F-RAM）具有以下幾大關鍵優勢：

1、高寫入周期耐久度

EEPROM和閃存寫入周期耐久度有限，而一些醫療設備需要可靠地存儲隨時更新的數據日志。閃存的耐久度水平為1E+5， EEPROM的耐久度水平是1E+6。相比之下，F-RAM的寫入周期耐久度是1E+14（100萬億），高出EEPROM和閃存若干個數量級。這樣的耐久度使設備能夠記錄更多的數據，無需執行復雜的損耗均衡算法，無需提供過多的額外容量。

2、低功耗運行

與閃存或EEPROM等存儲器件相比，F-RAM的工作能耗低幾個數量級（參見表1）。將它與即時非易失性相結合，有助于延長電池使用壽命。利用低功耗待機模式，設計人員能夠進一步優化功耗。例如，賽普拉斯推出的Excelon F-RAM可支持三種低功耗待機模式，分別是：待機模式、深度待機模式和休眠模式。將上述待機模式實施到應用中，與功耗較低的工作模式相結合，可以將功耗降低大約兩個數量級。

3、即時非易失性

即時非易失性是F-RAM技術的另一大重要特征。EEPROM和閃存需要額外的頁面編程/頁面寫入周期，增加了系統寫入操作的時間。F-RAM的即時非易失性允許便攜式和植入式醫療系統以及其它的電池供電系統完全關閉電源，或更快地將系統切換至低功耗待機模式。工作時間的縮短和工作電流的減小，可顯著延長系統的電池使用壽命。此外，在有精確時序要求的應用中，它們還有助于增強數據的可靠性，因為它不懼怕電源故障。

4、可靠性提高

可靠性對于醫療設備至關重要。F-RAM單元對包括X射線和伽瑪輻射在內的各種輻射具有高度的耐受性。F-RAM還對磁場免疫，從而確保記錄的數據安全可靠。此外，F-RAM器件（如賽普拉斯的Excelon LP）還提供片上錯誤校正碼（ECC）技術。ECC可以檢測并糾正每個64位數據字中的單個位錯誤，從而提高關鍵系統日志數據存儲的可靠性。與此同時，F-RAM還支持受控峰值電流（即浪涌電流控制≤1.5mA)，以防止電池過度放電，幫助系統可靠運行，并延長電池使用壽命。

5、緊湊的外型

F-RAM可以采用節省空間的封裝。例如，賽普拉斯的Excelon LP密度高達8Mb，采用行業標準8引腳SOIC封裝和微型8引腳GQFN封裝，吞吐量最高可達50MHz SPI I/O和108MHz QSPI（Quad-SPI）I/O。

高輻射耐受性、數據可靠性、低功耗和緊湊的外型這些關鍵特性，使得F-RAM成為便攜式和植入式醫療設備的理想選擇。

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