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——Frank Shen
本文列出的幾點考慮因素可以幫助醫(yī)療器械OEM選擇合適的嵌入式計算機主板及供應(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提高計算能力。此外，對經(jīng)濟性的追求迫使醫(yī)療器械OEM將其各種應(yīng)用的每項功能發(fā)揮得淋漓盡致。因此，要在不支付高昂價格的同時滿足這種對計算能力的需求，嵌入式計算機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)用提供所需的計算能力。
如今，OEM都在忙于設(shè)計基于嵌入式計算機主板的設(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，面對所有這些設(shè)備都必須按照嚴格要求進行設(shè)計的現(xiàn)實，OEM選擇醫(yī)療嵌入式計算機主板及其供應(yīng)商時的主要考慮因素是什么？本文討論了作出正確選擇的七個步驟。
第一步：選擇技術(shù)
第一個現(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院儀表實驗室開發(fā)的阿波羅導(dǎo)航計算機。首個大規(guī)模生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)是D-17自動導(dǎo)航控制計算機，該系統(tǒng)控制的民兵導(dǎo)彈于1961年發(fā)射升空。自那時起，嵌入式系統(tǒng)的價格開始下降，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，嵌入式計算機主板一直受益于最新、最強大的微處理器技術(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)計原理分別為精簡指令集計算機(RISC)和復(fù)雜指令集計算機(CISC)。對于運行通用操作系統(tǒng)(OS)并提供多樣功能的嵌入式計算機主板，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)的嵌入式計算機主板能提供復(fù)雜醫(yī)療應(yīng)用所需的更強計算能力，同時能以更低的能耗輸出。（低能耗迎合了那些需要密切留意運作成本的財政預(yù)算案決策者的需求。）例如，英特爾Q965 Express芯片組對當今集成嵌入式應(yīng)用設(shè)計的成功意義重大。許多主板供應(yīng)商已選擇Q965，因為它能支持LGA775封裝的C2D和奔騰4/賽揚D處理器，具有應(yīng)對未來處理器革新的可擴展性。此外，C2D雙核技術(shù)的特點在于一個物理包內(nèi)含兩個以相同頻率運行的獨立處理器，從而實現(xiàn)了真正的并行處理。英特爾C2Q處理器將4個處理核心納入1個包中，可用于要求進行更強大多任務(wù)處理的項目。
對于要求高計算性能和低耗能的醫(yī)療應(yīng)用設(shè)計OEM來說，C2D和C2Q均為適當?shù)倪x擇。例如，若需充分利用當今最精密的應(yīng)用技術(shù)，例如外科成像管理系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)，計算機的計算能力需提升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，帶有相當于2.91億個晶體管，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)用適合移動計算，這要求具有無風扇結(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扇嵌入式計算機主板。采用非移動芯片組和處理器的嵌入式主板通常都需要散熱器和風扇。
顯示效果良好。盡管許多醫(yī)療應(yīng)用的實際標準是高分辨率，但一些項目可能需要使用通過低壓差分信號（LVDS）實現(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算機主板的共同特征。使用同一個中央處理器控制兩個LCD顯示器具有諸多優(yōu)勢，其中之一是一個顯示器可以專門用于主要的醫(yī)療圖像，而另一個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。目前最先進的嵌入式計算機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，對于客戶的需求來說，尺寸為13.33×4.98英寸（338.58×126.39mm）的單板計算機(SBC)顯得過于龐大。OEM應(yīng)可以改用一系列較小的尺寸的計算機。例如，很多制造商能提供各種不同規(guī)格的計算機主板，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)一般包括移動芯片組和處理器，可選擇雙路視頻輸出、無風扇配置及通過ISA、PCI或Mini-PCI實現(xiàn)的擴展能力。大型主板的尺寸可達9.6×12英寸(243.8×304.8mm)，可提供移動或最新多核技術(shù)。
表I. 嵌入式計算機板的規(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充插槽。ATX規(guī)格一般提供6個擴充插槽。但Mini-ITX規(guī)格可能最經(jīng)濟實用。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)的加強型Mini-ITX嵌入式系統(tǒng)主板。盡管這些高級嵌入式計算機主板一般僅能支持單一的擴充插槽，但它們利用了一個PCI-E×16插槽運行額外的顯卡。6個SATA（串行高級技術(shù)附件）端口提升了系統(tǒng)容量，使得高級Mini-ITX特別適用于數(shù)據(jù)存儲。其千兆位以太網(wǎng)端口可提供高性能的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
配備有移動芯片組和處理器的Mini-ITX的另一實惠是主板可以被動散熱，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)計每種嵌入式應(yīng)用都必須考慮到緊湊的結(jié)構(gòu)、計算能力選擇、可靠性、操作簡單和功能擴展，一種新型規(guī)格因應(yīng)而生，即嵌入式計算機模塊(COM)Express架構(gòu)，其可提供模塊化計算選擇。這種方法包括一個計算核心模塊和一塊載板，載板帶有精簡的基本計算機功能和用于功能擴展的接口。
一般而言，緊湊型載板規(guī)格都帶有一個主機模塊板，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以及快速上市時間設(shè)計。
模塊化可啟動主機引擎插入載板中，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，當需要升級時，只需更換處理器模塊。OEM工程師僅需設(shè)計和融合載板，因此節(jié)省了時間。這樣有助于縮短開發(fā)時間，加快新產(chǎn)品推出的速度。該模塊法的可升級性和可擴展性使得現(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)用或硬件需要擴展；需要增加新的外圍設(shè)備。
大多數(shù)嵌入式計算機主板可選用的擴展方法有ISA、PC/104、PCI、PCI-X或PCI-E。這些選擇一般基于附加卡總線標準和吞吐量，因為很多功能擴展附加卡都是基于這些接口而構(gòu)建的。
PCI Express具有靈活性和可擴展性。
ISA。工業(yè)標準結(jié)構(gòu)(ISA)是為IBM兼容電腦設(shè)計的計算機總線標準。除專項工業(yè)應(yīng)用外，ISA很少用在今天的設(shè)計之中，常被稱為舊式總線。
PCI。外圍組件互連或PCI標準指定連接外圍設(shè)備到計算機主板的計算機總線。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（視頻電子標準協(xié)會）局域總線作為標準擴展總線，但是PCI總線也出現(xiàn)在其他很多類型的計算機中�，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)新型計算機和其他技術(shù)中的標準。
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線但帶有不同的連接器。PC/104是由PC/104協(xié)會控制的嵌入式計算機標準，它同時定義了規(guī)格和計算機總線。PC/104通過不同的功能模塊用于堆疊配置。此規(guī)格使得很多需要堅固定制系統(tǒng)的原始設(shè)備制造商無需花費很長時間進行設(shè)計。
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固。這是因為每個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。外圍組件互連擴展（PCI-X）目的在于取代PCI的計算機總線以及擴充卡標準。它實質(zhì)上是PCI的一種快速版，運行速度為原來的兩倍，物理執(zhí)行和基本的設(shè)計與PCI類似。在現(xiàn)代設(shè)計中，它已經(jīng)被PCI-E所取代，PCI-E具有完全不同的邏輯設(shè)計。
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。這主要是因為硬件供應(yīng)商已選擇集成速度更快的PCI-E。
PCI-E。PCI Express（PCI-E或PCIe）是一種計算機擴展卡的接口形式。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現(xiàn)的。PCI-E的每一條通路都是全雙工鏈路，能夠同時進行傳輸和接收。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標準軟件相兼容，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)計師的一致推崇，因為其速度快得足以取代包括PCI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)的其他主板進行物理連接。
第四步：可靠的工程支持
一旦確定了嵌入式計算機主板的物體特性，OEM需要尋找一個合適的供應(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)），使制造商能添加獨特的功能。
此外，供應(yīng)商必須能為非標準的操作系統(tǒng)提供驅(qū)動程序支持，例如Linux而非Windows。供應(yīng)商是否能幫助OEM達到監(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通常會選擇標準的嵌入式計算機主板，通常為開包即用。然而有時，某一醫(yī)療器械設(shè)計會需要創(chuàng)建一項標準產(chǎn)品無法滿足的獨特功能，或者需要清除標準主板上不必要的部件以降低成本。此時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，因為時間因素與獲取FDA認證息息相關(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標準的供應(yīng)商
由于嵌入式主板一般為重要部件，因此必須對供應(yīng)商的資信進行調(diào)查，特別是為審批原則較嚴格的行業(yè)設(shè)計器械時。選擇供應(yīng)商時，首先要保證其質(zhì)量保證協(xié)議包含F(xiàn)DA標準的條款，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認證。
結(jié)論
本文探討了為特定應(yīng)用確定適當?shù)那度胧街靼寮捌涔⿷?yīng)商的七個關(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。嵌入式計算機主板還應(yīng)該能進一步擴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算能力。此外，主板壽命還可與其提供功能的機器同步。
在選擇主板的同時，選擇合適的供應(yīng)商也很重要。在這個管制嚴格的行業(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標準的質(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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