——Frank Shen

    本文列出的几点考虑因素可以帮助医疗器械OEM选择合适的嵌入式计算机主板及供应商。

　　随着临床诊断仪器等医疗器械变得越来越精密，制造商不仅需要降低这些设备的空间，而且要在不增加能源成本的同时提高计算能力。此外，对经济性的追求迫使医疗器械OEM将其各种应用的每项功能发挥得淋漓尽致。因此，要在不支付高昂价格的同时满足这种对计算能力的需求，嵌入式计算机主板已作为较成功的技术之一脱颖而出。

采用多处理器技术的嵌入式主板能为诸多医疗应用提供所需的计算能力。

　　如今，OEM都在忙于设计基于嵌入式计算机主板的设备，以提供各种不同的医疗应用：医疗物理治疗仪器、临床诊断仪器、外科成像管理系统、床旁设备、超声系统和电脑辅助诊断及治疗。

　　因此，面对所有这些设备都必须按照严格要求进行设计的现实，OEM选择医疗嵌入式计算机主板及其供应商时的主要考虑因素是什么？本文讨论了作出正确选择的七个步骤。

　　第一步：选择技术

　　第一个现代嵌入式系统是由查尔斯·斯塔克·德雷珀在麻省理工学院仪表实验室开发的阿波罗导航计算机。首个大规模生产的嵌入式系统是D-17自动导航控制计算机，该系统控制的民兵导弹于1961年发射升空。自那时起，嵌入式系统的价格开始下降，并且成功地从军事应用转向商业应用，被广泛用于从iPhone和MP3播放器到交通灯乃至各种医学应用领域的设备。

　　由于英特尔等厂商的创新，嵌入式计算机主板一直受益于最新、最强大的微处理器技术，其处理能力和功能有了巨大提升。但是技术的选择仍取决于应用要求，例如，台式电脑还是笔记本电脑、Windows还是Linux、新技术还是既有系统。

　　挑选处理器。两大中央处理器设计原理分别为精简指令集计算机(RISC)和复杂指令集计算机(CISC)。对于运行通用操作系统(OS)并提供多样功能的嵌入式计算机主板，CISC是理想选择。

　　配有英特尔酷睿2双核(C2D)和酷睿2四核(C2Q)处理器等最新多核处理器技术的嵌入式计算机主板能提供复杂医疗应用所需的更强计算能力，同时能以更低的能耗输出。（低能耗迎合了那些需要密切留意运作成本的财政预算案决策者的需求。）例如，英特尔Q965 Express芯片组对当今集成嵌入式应用设计的成功意义重大。许多主板供应商已选择Q965，因为它能支持LGA775封装的C2D和奔腾4/赛扬D处理器，具有应对未来处理器革新的可扩展性。此外，C2D双核技术的特点在于一个物理包内含两个以相同频率运行的独立处理器，从而实现了真正的并行处理。英特尔C2Q处理器将4个处理核心纳入1个包中，可用于要求进行更强大多任务处理的项目。

　　对于要求高计算性能和低耗能的医疗应用设计OEM来说，C2D和C2Q均为适当的选择。例如，若需充分利用当今最精密的应用技术，例如外科成像管理系统和超声系统，计算机的计算能力需提升40%，正如多核处理器所能提供的。然而，与此同时器械制造商不需为此支付更多的成本。上述多核处理器经过节能设计，带有相当于2.91亿个晶体管，耗能却比单核处理器少40%。

　　既有系统。新处理器技术需要向后兼容，以支持客户已有的操作系统或应用软件。一些应用适合移动计算，这要求具有无风扇结构。在诸如手术室或内窥镜成像等需要消除热量和噪音干扰的环境中，也可能需要考虑无风扇嵌入式计算机主板。采用非移动芯片组和处理器的嵌入式主板通常都需要散热器和风扇。

　　显示效果良好。尽管许多医疗应用的实际标准是高分辨率，但一些项目可能需要使用通过低压差分信号（LVDS）实现的双显示器和双路视频。这是使用最新视频芯片的嵌入式计算机主板的共同特征。使用同一个中央处理器控制两个LCD显示器具有诸多优势，其中之一是一个显示器可以专门用于主要的医疗图像，而另一个可以提供其他信息或现场服务，即有更多的信息可为健康护理专业人员、病人和工程服务专业人员所用。目前最先进的嵌入式计算机主板中的双显示器和双路视频可选择以下组合：VGA/LVDS、VGA/DVI、DVI/LVDS或双LVDS。

　　第二步：选择规格

　　有时，对于客户的需求来说，尺寸为13.33×4.98英寸（338.58×126.39mm）的单板计算机(SBC)显得过于庞大。OEM应可以改用一系列较小的尺寸的计算机。例如，很多制造商能提供各种不同规格的计算机主板，包括3.5英寸和5.25英寸的ECX、ETX和半长ISA SBC。此外还有PC/104及Mini-ITX、Micro-ATX和ATX等嵌入式主板。小型主板(通常为4×5.75英寸)一般包括移动芯片组和处理器，可选择双路视频输出、无风扇配置及通过ISA、PCI或Mini-PCI实现的扩展能力。大型主板的尺寸可达9.6×12英寸(243.8×304.8mm)，可提供移动或最新多核技术。

表I. 嵌入式计算机板的规格比较。

　　部分主板还带有复合接口或S视频接口，可用于选用电视替代电脑显示器作为显示装置的医疗器械。ECX规格提供3.5英寸的较小占地面积，但不具备容纳最新多核技术的物理能力。ATX等大型主板的优势在于其不仅能支持最新的微处理器，而且还带有更多的功能和扩充插槽。ATX规格一般提供6个扩充插槽。但Mini-ITX规格可能最经济实用。集成主板可小至170mm2或者6.7平方英寸，显然比115.2平方英寸(2926.1mm2)的ATX规格更加紧凑。

　　部分制造商推出了利用英特尔C2Q技术的加强型Mini-ITX嵌入式系统主板。尽管这些高级嵌入式计算机主板一般仅能支持单一的扩充插槽，但它们利用了一个PCI-E×16插槽运行额外的显卡。6个SATA（串行高级技术附件）端口提升了系统容量，使得高级Mini-ITX特别适用于数据存储。其千兆位以太网端口可提供高性能的网络传输。

　　配备有移动芯片组和处理器的Mini-ITX的另一实惠是主板可以被动散热，因其固有的结构耗能较少。这使其成为需要防止噪音干扰的应用的理想选择。

　　紧凑型载板。设计每种嵌入式应用都必须考虑到紧凑的结构、计算能力选择、可靠性、操作简单和功能扩展，一种新型规格因应而生，即嵌入式计算机模块(COM)Express架构，其可提供模块化计算选择。这种方法包括一个计算核心模块和一块载板，载板带有精简的基本计算机功能和用于功能扩展的接口。

　　一般而言，紧凑型载板规格都带有一个主机模块板，它通过COM Express定义的互连与载板连接。该规格的优势包括方便未来处理器升级以及快速上市时间设计。

　　模块化可启动主机引擎插入载板中，而载板与电源连接。特定于应用的系统功能和外围设备扩展都构建在载板的基础之上。其理念很简单：现在安装最新中央处理器，当需要升级时，只需更换处理器模块。OEM工程师仅需设计和融合载板，因此节省了时间。这样有助于缩短开发时间，加快新产品推出的速度。该模块法的可升级性和可扩展性使得现在乃至未来的微处理器供应的灵活性得到提升。

　　第三步：扩展和外围设备的选择

　　大多数医疗应用是不断变化的，一些突破改变了疗程；技术紧随其后，力求满足要求；现有的应用或硬件需要扩展；需要增加新的外围设备。

　　大多数嵌入式计算机主板可选用的扩展方法有ISA、PC/104、PCI、PCI-X或PCI-E。这些选择一般基于附加卡总线标准和吞吐量，因为很多功能扩展附加卡都是基于这些接口而构建的。

PCI Express具有灵活性和可扩展性。

　　ISA。工业标准结构(ISA)是为IBM兼容电脑设计的计算机总线标准。除专项工业应用外，ISA很少用在今天的设计之中，常被称为旧式总线。

　　PCI。外围组件互连或PCI标准指定连接外围设备到计算机主板的计算机总线。这些设备可能属于下列任一形式：

　　·安装在主板本身上的集成电路，在PCI规格中被称为平面设备。

　　·插入插槽的扩展卡。

　　PCI总线在现代PC中很常见，它已经替代ISA以及VESA（视频电子标准协会）局域总线作为标准扩展总线，但是PCI总线也出现在其他很多类型的计算机中。现在，该总线已经被PCI Express（PCI-E）所取代。目前，PCI-E是大多数新型计算机和其他技术中的标准。

　　PC/104。应用在工业和嵌入式应用中的PC/104总线是在ISA总线的基础上衍生出来的，它与ISA总线使用同样的信号线但带有不同的连接器。PC/104是由PC/104协会控制的嵌入式计算机标准，它同时定义了规格和计算机总线。PC/104通过不同的功能模块用于堆叠配置。此规格使得很多需要坚固定制系统的原始设备制造商无需花费很长时间进行设计。

　　与采用PCI总线、现在为大多数PC所应用的流行的ATX规格不同，PC/104没有底板。取而代之，它允许模块像积木一样堆叠。与一般的PC配置相比，总线的堆叠通常较为坚固。这是因为每个模块角落上有安装孔。这些孔使主板能用限位块固定。

　　PCI-X和PCI-X 2.0。外围组件互连扩展（PCI-X）目的在于取代PCI的计算机总线以及扩充卡标准。它实质上是PCI的一种快速版，运行速度为原来的两倍，物理执行和基本的设计与PCI类似。在现代设计中，它已经被PCI-E所取代，PCI-E具有完全不同的逻辑设计。

　　尽管PCI-X 2.0可与PCI-X和PCI设备向后兼容，但它并没有得到大规模应用。这主要是因为硬件供应商已选择集成速度更快的PCI-E。

　　PCI-E。PCI Express（PCI-E或PCIe）是一种计算机扩展卡的接口形式。它被用以替代PCI、PCI-X（接口卡接口）和AGP（显卡接口）。PCI-E基于被称为通路的串行链路来实现的。PCI-E的每一条通路都是全双工链路，能够同时进行传输和接收。单条通路拥有近两倍于普通PCI的数据传输速率；四通路插槽的数据传输率可与PCI-X的最快版相匹敌。

　　PCI-E主要是由英特尔支持，仅应用于局域互连。它可与早期的PCI标准软件相兼容，使得PCI卡和系统向PCI-E的转换就像换掉物理层一样简单，而无需更换相应的支持软件。PCI-E上增加的带宽得到了嵌入式主板设计师的一致推崇，因为其速度快得足以取代包括PCI在内的几乎所有现有内部总线。

　　金手指板。很多空间显得非常珍贵的小型嵌入式主板会在主板的边缘涂上一小条，或是手指面积的黄金。该金手指将嵌入式主板与医疗器械内的其他主板进行物理连接。

　　第四步：可靠的工程支持

　　一旦确定了嵌入式计算机主板的物体特性，OEM需要寻找一个合适的供应商。主板的规格往往决定了供应商，反之亦然。很多供应商都能提供相似的主板。但OEM可从选择能为其产品设计提供最可靠工程支持的供应商，从而缩小选择范围。例如，供应商应能修改BIOS（基本输入输出系统），使制造商能添加独特的功能。

　　此外，供应商必须能为非标准的操作系统提供驱动程序支持，例如Linux而非Windows。供应商是否能帮助OEM达到监管规定的要求也同样重要。

　　第五步：定制和灵活性

　　为了将产品快速推向市场，OEM通常会选择标准的嵌入式计算机主板，通常为开包即用。然而有时，某一医疗器械设计会需要创建一项标准产品无法满足的独特功能，或者需要清除标准主板上不必要的部件以降低成本。此时就必须找一家可为用户提供内部定制服务的供应商。

　　第六步：耐久性

　　对于医疗器械OEM而言，嵌入式主板的使用寿命是否能与其提供功能的机器的寿命相比肩是十分关键的。耐久性不仅能满足用户的要求，而且其在医疗市场中也同样必不可少，因为时间因素与获取FDA认证息息相关。因此，OEM所选择的供应商必须与承诺提供耐久性支持的元件制造商密切合作。一部分OEM是这么做的。但不幸的是，很多制造商并没有遵循这点原则。

　　英特尔公司向英特尔通信联盟(ICA)的成员承诺，保证获得其Embedded Roadmap支持的嵌入式应用产品的耐久性。联盟成员向其顾客提供的产品至少可获得5年的寿命周期支持。

　　第七步：符合FDA标准的供应商

　　由于嵌入式主板一般为重要部件，因此必须对供应商的资信进行调查，特别是为审批原则较严格的行业设计器械时。选择供应商时，首先要保证其质量保证协议包含FDA标准的条款，此外还必须确保其制造流程能够通过FDA的审核。所选的供应商至少要通过包含ANSI/ISO/ASQ Q9001:2000在内的ISO9001:2000认证。

　　结论

　　本文探讨了为特定应用确定适当的嵌入式主板及其供应商的七个关键步骤。选择适合医疗器械市场使用的嵌入式主板的第一步就是找到既能符合OEM当前需求又能与正在使用的既有系统向后兼容的产品。嵌入式计算机主板还应该能进一步扩展以满足未来的需求。

　　由于现今都是处理器密集型应用，且设备制造商一直致力于降低成本，这些主板需要能在低功耗条件下提供最大的计算能力。此外，主板寿命还可与其提供功能的机器同步。

　　在选择主板的同时，选择合适的供应商也很重要。在这个管制严格的行业中，器械供应商必须提供灵活的支持、耐久的产品以及符合FDA标准的质量控制流程。

　　本文作者Frank Shen是American Portwell Technology公司(美国加州，Fremont)的产品销售总监。