SoCs sem fio para dispositivos de saúde conectados

O setor de assistência médica vem adotando um maior uso da tecnologia digital nas últimas duas décadas. A pandemia da COVID-19 ajudou a acelerar essa evolução. O acesso remoto ao sistema de saúde exigido pela pandemia destacou vários outros benefícios, como uma prestação de serviços de saúde mais eficiente e o monitoramento contínuo do paciente. Os avanços tecnológicos geraram a Internet das Coisas Médicas (IoMT), em que redes de pacientes com dispositivos e sensores médicos portáteis e/ou vestíveis e os respectivos sistemas e prestadores de assistência médica são conectados pela Internet. Os níveis contínuos de glicose no sangue e os monitores cardíacos são exemplos de dispositivos que ganharam ampla aceitação. Os dispositivos IoMT ajudam a automatizar a transferência de dados, reduzindo assim o erro humano. Os avanços na análise de dados preditivos e na inteligência artificial (IA) tornam os dispositivos IoMT ainda mais poderosos, permitindo diagnósticos orientados por dados com detecção precoce de anormalidades, maior envolvimento do paciente e redução dos custos de assistência médica.

Principais requisitos para dispositivos IoMT

• Segurança: A natureza sensível das informações médicas que estão sendo transferidas exige um alto nível de segurança. O AES (Advanced Encryption Standard) e a ECC (Elliptical Curve Cryptography) podem criptografar e descriptografar a transferência de dados usando chaves seguras e, portanto, autenticar os dados. As chaves baseadas em um gerador de números aleatórios verdadeiros (TRNG) no dispositivo, ajudam na geração segura dessas chaves. Os ataques de spoofing podem ser minimizados com o uso da identificação do dispositivo por meio de exclusivas funções fisicamente não clonáveis (PUF) dentro do dispositivo semicondutor. Os protocolos de hardware de inicialização segura, bem como os mecanismos à prova de violação que impedem o acesso a regiões protegidas da memória do dispositivo, ajudam a aumentar a segurança do dispositivo.
• Consumo de energia: Os dispositivos portáteis e vestíveis normalmente funcionam com bateria. Alguns recursos essenciais que podem maximizar a vida útil da bateria são os protocolos de comunicação de baixo consumo de energia, como o Bluetooth LE 5.x, modos de economia de energia quando o dispositivo não está ativo e uma arquitetura eficiente que otimiza o desempenho operacional em relação ao consumo de energia.
• Conjunto de recursos valiosos em um tamanho pequeno: Dispositivos pequenos e leves permitem seu uso em aplicações médicas portáteis e vestíveis. Novas aplicações, como implantes dentários inteligentes, exigem fatores de forma minúsculos. O conceito de SoC (Sistema sobre Chip) oferece um alto nível de integração multifuncional em um único chip. Isso pode incluir um conjunto de recursos periféricos que fornece detecção analógica e digital de alta velocidade, medição, transformação de dados e comunicação. Outros requisitos essenciais incluem conectividade sem fio, processamento de dados em alta velocidade com grande memória flash e RAM, clocks e temporizadores de precisão de baixa frequência/baixa potência, regulagem de tensão CC/CC, etc.

Família de SoCs Gecko sem fio EFRBG27 da Silicon Labs para aplicações IoMT

Em março de 2023, a Silicon Labs anunciou o lançamento de uma nova família de dispositivos seguros e de baixo consumo de energia que expandem seu portfólio Wireless Gecko. Isso inclui a série BG27 de dispositivos SoC Bluetooth LE, ideais para aplicativos IoMT.

Um diagrama de blocos mostrando o conjunto de recursos valiosos incluídos nos SoCs BG27 é mostrado na Figura 1. Alguns detalhes sobre os principais recursos estão listados abaixo:

Figura 1: Conjunto de recursos da família de SoCs Gecko sem fio EFR32BG27. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

Processador e memória: O núcleo RISC ARM Cortex® M33 de 76,8 MHz e 32 bits com instrução DSP e unidade de ponto flutuante permite a capacidade de processamento de sinal de alto desempenho a 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Ele inclui a tecnologia de segurança ARM TrustZone. A memória flash é de 768 kB, enquanto a memória de dados é de 64 kB de RAM. O LDMA (Linked Direct Memory Access Controller) permite que o sistema execute operações de memória independentemente do software, reduzindo, assim, o consumo de energia e a carga de trabalho do software.

Modos de baixa potência: O EFR32BG27 inclui uma unidade de gerenciamento de energia (EMU) que gerencia as transições dos modos de energia (EM0 a EM4) do SoC. Com a EMU, os aplicativos podem minimizar dinamicamente o consumo de energia durante a execução do programa. O modo EM0 oferece o maior número de recursos, como a ativação da CPU, do rádio e dos periféricos na frequência de clock mais alta. Os periféricos podem ser desativados nos modos ativos de baixa potência EM2, EM3. O escalonamento de tensão é usado pela EMU durante a transição entre os modos de energia para otimizar a eficiência energética, operando com tensões mais baixas quando possível. O EM4 é um estado inativo e de menor potência que permite que o sistema seja despertado no modo EM0.

Conversão CC/CC: A família EFR32BG27 inclui conversores no chip nos modos buck e boost que podem fornecer os 1,8 V internos necessários. Os dispositivos de modo boost, como o EFR32BG27C230F768IM32-B, têm a capacidade de operar até 0,8 V, permitindo a operação de baterias alcalinas de célula única, de óxido de prata e outras baterias de baixa tensão. O conversor boost pode ser desligado usando um pino BOOST_EN dedicado, economizando assim a energia da bateria do sistema durante o armazenamento e o transporte. Nesse modo, o consumo máximo de corrente é de apenas 20/50 nA, dependendo da alimentação de determinados pinos. Nos dispositivos de modo buck, como o EFR32BG27C140F768IM40-B, um máximo de 3,8 V pode ser fornecido externamente. Um monitor de alimentação no chip sinaliza quando a alimentação é baixa o suficiente para permitir que o regulador seja ignorado e estenda a faixa para 1,8 V. O modo de bypass também permite que o sistema entre no modo de economia de energia EM4. Um bloco de contador de Coulomb está integrado ao conversor CC/CC. Isso inclui dois contadores de 32 bits que são usados para medir o número de pulsos de carga fornecidos pelo conversor CC/CC, permitindo o acompanhamento preciso do nível da bateria para aumentar a segurança do usuário.

Rede Bluetooth 5.x: O protocolo sem fio Bluetooth Low Energy (LE) é suportado por essa família de SoCs. O receptor de rádio usa uma arquitetura de FI baixa, que consiste em um amplificador de baixo ruído e uma conversão I/Q de fase e quadratura. O módulo de controle automático de ganho (AGC) ajusta o ganho do receptor para evitar a saturação e melhorar o desempenho de seletividade e bloqueio. O rádio de 2,4 GHz é calibrado na produção para melhorar o desempenho de rejeição de imagem. A família inclui uma gama de potências de transmissão de 4 dBm a 8 dBm. A atenuação do ruído de RF inclui a operação do conversor CC/CC em modo de comutação suave na inicialização e transições CC/CC de regulagem para bypass para limitar a taxa de inclinação máxima da alimentação e atenuar a corrente de irrupção. O bloco RFSENSE permite que o dispositivo permaneça nos modos de economia de energia EM2, EM3 ou EM4 e seja despertado quando for detectada energia de RF acima de um limite especificado.

Segurança: A família EFR32BG27 de SoCs inclui uma série de recursos de segurança, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2: Recursos de segurança da família de SoCs Gecko sem fio EFR32BG27. (Fonte da imagem: Silicon Labs)

A inicialização segura com a Raiz de Confiança e Carregador Seguro (RTSL) autentica o firmware confiável que começa na memória somente leitura (ROM) imutável. O acelerador criptográfico suporta criptografia e descriptografia AES e ECC. Ele também inclui contramedidas de Análise de Potência Diferencial (DPA) para proteger as chaves. O TRNG coleta entropia de uma fonte térmica e inclui testes de integridade de partida para essa fonte, conforme exigido pelos padrões NIST SP800-90B e AIS-31, bem como testes de integridade on-line, conforme exigido pelo NIST SP800-90C. A interface de depuração, bloqueada quando a peça é liberada no campo, tem uma função de desbloqueio seguro que permite o acesso autenticado com base em criptografia de chave pública. No lado do hardware, um módulo Detecção de Violação Externa (ETAMPDET) permite a detecção de adulteração externa, como a abertura não autorizada do gabinete. Ele pode gerar uma interrupção para avisar o software e permitir que sejam tomadas ações ao nível de sistema.

Conjunto valioso de periféricos: Os SoCs incluem conversores híbridos analógico-digitais que combinam as técnicas SAR e Delta-Sigma. O modo de 12 bits pode operar em velocidades de até 1 Msps, enquanto o conversor de 16 bits pode operar em até 76,9 ksps. O módulo comparador analógico pode usar referências internas ou externas e também pode ser usado para detectar a tensão de alimentação. Todos os modos de comunicação serial SPI, USART e I2C são compatíveis. O módulo de Relógio de Tempo Real e Captura (RTCC) fornece cronometragem de 32 bits até os modos de energia EM3 e pode ser sincronizado com o oscilador interno de baixa frequência. O temporizador de baixa energia (LETIMER) oferece resolução de 24 bits e pode ser usado para temporização e geração de saída, quando a grande parte do dispositivo estiver desligada, permitindo que tarefas simples sejam executadas com consumo mínimo de potência. O Sistema de Reflexo Periférico (PRS) é uma rede de roteamento de sinal que permite a comunicação direta entre os módulos periféricos sem envolver a CPU. Isso reduz a sobrecarga de software e o consumo de corrente.

Invólucros de pegada pequena: Um dos dispositivos da família EFR32BG27 é o EFR32BG27C320F768GJ39-B. Esse dispositivo é fornecido em um invólucro em escala de chip ao nível da lâmina (WLCSP) com dimensões de apenas 2,6 mm x 2,3 mm e pode funcionar nos modos de regulador buck ou boost. O restante da família é fornecido em invólucros QFN32 de 4 mm x 4 mm ou QFN40 de 5 mm x 5 mm em modos reguladores específicos de buck ou boost.

Conclusão

O EFR32BG27 oferece capacidade de processamento com eficiência energética líder do setor e conectividade Bluetooth de baixo consumo de energia. Esses SoCs de fator de forma pequeno, que incluem uma variedade de recursos de segurança, são ideais para aplicações IoMT.