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篇1

1醫(yī)療健康領(lǐng)域的需求現(xiàn)狀

在醫(yī)療健康領(lǐng)域,關(guān)注的熱點正在漸漸從最基本的疾病產(chǎn)業(yè)向保健產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。這二者都是以健康服務(wù)為最終目的,但是前者主要是有針對性的“對癥下藥”,而后者則更傾向于為一般消費者提供更全面的保健解決方案。

美國著名經(jīng)濟學家保羅?皮爾澤(Paul Zane Pilzer)曾是花旗銀行最年輕的副總裁并出任布什、克林頓兩任總統(tǒng)的經(jīng)濟顧問,在他的《財富第五波》一書中指出:二十一世紀人類面臨嚴重飲食失衡,卻人人希望更健康、抗老化,預(yù)防勝于治療,從而開啟保健產(chǎn)業(yè)的兆億商機。這是繼第四波網(wǎng)絡(luò)革命后的明星產(chǎn)業(yè),相比疾病產(chǎn)業(yè)的被動性,保健事業(yè)是主動積極的產(chǎn)業(yè)。

世界衛(wèi)生組織(WHO)在2008年10月公開的一份檔案中提到:人口老齡化助長癌癥和心臟病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,聽力喪失、視力問題和精神障礙是最常見的殘疾原因。

龐大的老齡化群體和慢性疾病患者等群體的現(xiàn)狀(換言之,是社會需求和市場需求的現(xiàn)狀)使得疾病產(chǎn)業(yè)、保健產(chǎn)業(yè)中亟需發(fā)展應(yīng)用新的技術(shù)和產(chǎn)品。

2.1 世界人口老齡化,對醫(yī)療護理產(chǎn)品提出了更高的要求。

隨著醫(yī)療水平的提高,世界平均人口壽命增加,世界和中國都面臨著人口結(jié)構(gòu)老齡化的問題。如根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟社會部的研究數(shù)據(jù)(如圖 1),到2050年世界60歲以上的老年人將達20億,約占世界總?cè)丝诘?/3,其中有79%生活在發(fā)展中國家;而中國國家人口發(fā)展戰(zhàn)略研究報告也指出,我國在2007年老齡人口為1.43億,占人口比重的11%,但是在2040年左右,這個數(shù)字將達到4.3億,占全國人口的30%。這些數(shù)字意味著屆時每4個人中將有1~2名老年人,同時也表明針對老年人護理的配套設(shè)施將會有很大需求。

近幾年來,中國社會老齡化趨勢日益明顯,也引起了各有關(guān)方面的關(guān)注。“人口老齡化將伴隨21世紀始終”。我國現(xiàn)在雖然還處于勞動力黃金時期,但60歲以上人口超過14%,65歲以上人口超過10%,按照國際社會標準,已經(jīng)跨進了老齡化社會的門檻。老齡化問題將從多方面給中國社會帶來巨大壓力和挑戰(zhàn),同時也會帶來新的機遇,其中最大的機遇就是老年人群消費所帶來的“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”發(fā)展。

我國老齡化的趨勢及特點如下:

(1)老齡化速度快于全國總?cè)丝谠鲩L速度;

(2)我國老齡化速度快于世界老齡化速度;

(3)我國老齡化速度快于經(jīng)濟發(fā)展速度,呈現(xiàn)了“未富先老”的特征;

(4)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)率先進入老齡化;

(5)老年人生活質(zhì)量有所提高;

在目前我國經(jīng)濟發(fā)展水平尚處于世界中下水平時,老齡化程度卻己進入了發(fā)達國家的行列。老齡化的加速對經(jīng)濟社會都將產(chǎn)生巨大的壓力。

老人占全球人口的比例越來越高,這助長了與年齡有關(guān)的慢性病增加,在發(fā)展中國家尤其如此。在世界各地,護理人員、衛(wèi)生系統(tǒng)乃至整個社會均需作好準備,應(yīng)付老人持續(xù)增長的需求。

1.2疾病特別是慢性病的威脅和困擾日益擴大化,以及家用保健產(chǎn)品需求的加強,對醫(yī)療保健產(chǎn)品的便攜程度提出了更高的要求。

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,對一些多發(fā)性的慢性疾病、殘疾障礙、以及神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療需求越來越迫切。

心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心臟和血管疾病,可造成心臟病和中風。通過健康飲食、經(jīng)常性身體活動和避免使用煙草,可預(yù)防80%以上的心臟病和中風,而為了進一步減少威脅,這些病往往還需要長期的、經(jīng)常性的檢查和治療。

最常見的殘疾原因中如聽力喪失、視力問題和精神障礙等,其中許多障礙是容易通過電刺激設(shè)備進行輔助治療的(例如聽力喪失和白內(nèi)障)。這些疾患的總體罹患率較高,需要改善獲得治療的機會和方法,改善患者的生活質(zhì)量,使人們過上有意義的生活。

另外,神經(jīng)功能失調(diào)是一大類神經(jīng)系統(tǒng)疾病,高發(fā)病率而且重癥的帕金森病等運動障礙疾病、癲癇、頑固性疼痛等,導致病人明顯殘障,造成巨大的經(jīng)濟和社會負擔。傳統(tǒng)上,神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療有藥物方法和外科手術(shù)毀損方法。但是長期服用藥物副作用多且難以避免,而由于腦和神經(jīng)的復雜性和人類認識的局限性,不可逆的手術(shù)毀損具有不可預(yù)知的惡性后果。

進入21世紀后,隨著生活質(zhì)量的提高,人們健康意識也普遍增強。特別是在醫(yī)院內(nèi)“一次性治愈”目標很難實現(xiàn)的階段下,新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生:除了醫(yī)院的醫(yī)生診斷,可家用的醫(yī)療及保健電子設(shè)備的需求明顯,如疾病預(yù)防和協(xié)助診斷、慢性病的長期監(jiān)測及治療、特別是老年人護理等。另外,包括慢性疾病的監(jiān)測和控制、治療在內(nèi),醫(yī)療保健需要同時實現(xiàn)在臨床上的診斷準確性和日常家用的普及性,以及建立以預(yù)防和早期診斷為導向的健康觀念。比如對于盲人、癲癇癥、糖尿病等患者,傳統(tǒng)醫(yī)療護理手段所帶來的長期的臨床生活是社會和病人都無法承擔的,而離開了醫(yī)院又會造成生活質(zhì)量的下降。于是醫(yī)療電子終端產(chǎn)品的普遍發(fā)展趨勢將主要是便攜式、穿戴式,某些特殊方面還向植入式發(fā)展,以實現(xiàn)“隨時隨地”的動態(tài)、連續(xù)的檢測和初步診斷?？梢灶A(yù)見在不遠的將來,這些便攜、可穿戴或植入式的醫(yī)療及保健電子設(shè)備將給人類的生活提供極大便利,產(chǎn)生重大的影響。

1.3 世界醫(yī)用市場需求的迅猛發(fā)展,將成為半導體市場的重要推動力。

在世界范圍內(nèi),醫(yī)療電子市場連續(xù)25年增長,很有可能成為未來(半導體市場的)主要驅(qū)動。全球醫(yī)療保健費用每年5萬億美元,而中國的醫(yī)療保健則消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特別是從全球醫(yī)用半導體行業(yè)的收入來看,醫(yī)用半導體行業(yè)的幾個主要的部分預(yù)計在未來的5年內(nèi)年均復合增長率(CAGR)在10%附近。

而另一份來自Databeans (Sept. 2008)的數(shù)據(jù)則預(yù)計在未來5年醫(yī)用集成電路市場的年增長率將高達14%,甚至高于消費類集成電路(11%)和計算機集成電路(9%)的增長?？梢钥闯?在21世紀醫(yī)用集成電路的重大革新將會像上世紀80年代的電子計算機、90年代的移動通信一樣,成為影響全球半導體市場的主要推動力。

世界范圍內(nèi)的醫(yī)療電子市場同時會帶動我國的醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)。比如現(xiàn)階段我國的“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”剛剛起步,根據(jù)中國國家老齡委提供的數(shù)據(jù),目前中國老年人用品市場的需求量為4000億元,到2010年將達到10萬億元,而現(xiàn)階段全國為老年人提供的產(chǎn)品不足10%,離市場需求差距巨大。而且隨著中國經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展,各方面因素將為“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”蓬勃發(fā)展提供更加強大的動力。在推動經(jīng)濟增長的同時,老年人生活質(zhì)量能夠提高、身心健康得到保障,借助產(chǎn)業(yè)發(fā)展也可以緩解老齡化問題給社會帶來的壓力。

2我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機遇

醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的涵蓋領(lǐng)域非常廣,包括超聲波成像、計算機斷層掃描等應(yīng)用電子設(shè)備,以及電子血壓計、血糖儀等消費類終端產(chǎn)品都屬于醫(yī)療電子領(lǐng)域。在我國的電子信息產(chǎn)業(yè)中,醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)是很重要的一環(huán),是最貼近民生的電子信息產(chǎn)業(yè)細分行業(yè)之一。隨著2009年4月份《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》的出臺以及國家新醫(yī)改方案的公布,尤其是8500億元醫(yī)改的投入,我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)無疑面臨著廣闊的發(fā)展空間,這對我國的醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)將帶來積極的影響。而且政策別還強調(diào)了要加強在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的建設(shè),這無疑為我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)帶來了很好的發(fā)展機遇。另外,醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的高速增長也將刺激醫(yī)療電子市場的需求:據(jù)預(yù)測,當前我國醫(yī)療電子市場規(guī)模為250多億元,同比增速在16%以上,超過了全球市場的增長率。

為了更好的應(yīng)對這個難得的發(fā)展機遇,要在如下兩個方面有所建樹:一方面是在醫(yī)療信息系統(tǒng)領(lǐng)域。這一領(lǐng)域迫切需要提高遠程醫(yī)療水平,以及其所依賴的信息傳輸和管理技術(shù)。另一方面是在醫(yī)療電子領(lǐng)域。這兩個方面的要求,需要在技術(shù)上關(guān)注網(wǎng)絡(luò)標準與便攜技術(shù)的走勢:第一是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作標準。幾年前一些著名國際企業(yè)包括思科、IBM、英特爾、三星電子等就成立了“持續(xù)健康聯(lián)盟”產(chǎn)業(yè)組織,以進行標準選擇、互用性指南的編寫等工作。ADI亞太區(qū)醫(yī)療事業(yè)部也認識到“為了適應(yīng)醫(yī)療體系的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè),從長遠發(fā)展來看互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺變得非常重要”。第二是便攜醫(yī)療產(chǎn)品與技術(shù)。隨著人們健康意識、健康需求及相應(yīng)支付能力的不斷提高,以預(yù)防為主和早診治的指導思想,以及醫(yī)療電子隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)出小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的趨勢,這些都將成為便攜醫(yī)療電子快速增長的催化劑。在便攜醫(yī)療產(chǎn)品中,電子血壓計、便攜血糖儀、電子助聽器等便攜式設(shè)備占到家用便攜醫(yī)療產(chǎn)品市場的90%,而便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀、便攜式超聲診斷儀、便攜式胎兒監(jiān)測儀、便攜式心電圖儀位居我國醫(yī)用便攜設(shè)備市場前列。此外,基層醫(yī)療機構(gòu)所需的低成本、高可靠性、操作簡單的X光機、超聲診斷儀、核磁共振設(shè)備和計算機斷層掃描設(shè)備的市場容量也將大幅提升。而這些產(chǎn)品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技術(shù)都備受關(guān)注。

3集成電路技術(shù)應(yīng)用的概要介紹

集成電路技術(shù)在醫(yī)療電子領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用非常廣闊且多樣化,大致可分為下述四種不同的應(yīng)用類型:

(1)醫(yī)學影像――這一類型包括超聲波、計算機化的X射線斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射線、正電子發(fā)射斷層顯像等;

(2)醫(yī)療儀器――主要是實驗室配套電子設(shè)備、透析機、分析儀器、外科手術(shù)設(shè)備、牙科設(shè)備等;

(3)消費型醫(yī)療設(shè)備――偏重于患者(可家用,非臨床)使用的終端設(shè)備,包括數(shù)字體溫計、血糖計、血壓計、胰島素泵、心率計、輔助聽力(數(shù)字助聽)等;

(4)診斷、患者監(jiān)護與治療設(shè)備――協(xié)助醫(yī)生判斷的(主要是臨床使用)相應(yīng)設(shè)備,都包括心電圖、腦電圖、血氧計、血壓計、溫度計、呼吸計、除顫器、植入設(shè)備等;

這四種類型基本涵蓋了醫(yī)療電子領(lǐng)域的各種應(yīng)用。其中后兩類,特別是消費型醫(yī)療設(shè)備尤其需要通過先進的集成電路技術(shù)來達到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標。

小型化、低功耗:通過這些便攜、可穿戴、或是植入式的設(shè)備,才可以實現(xiàn)人體相關(guān)體征信號的動態(tài)采集和連續(xù)監(jiān)測,在必要時還可以達到24x7的工作要求;

智能化、低成本:可醫(yī)院用、家庭用、其他非醫(yī)院環(huán)境用,并通過網(wǎng)絡(luò)接入等技術(shù)實現(xiàn)遠程醫(yī)療,從而更合理地配置醫(yī)療資源,提供更高水平的醫(yī)療服務(wù),同時減緩醫(yī)院就診壓力。還可普及供大范圍內(nèi)的人群使用:如病人用來治療、健康人用來預(yù)防,或老年人用于輔助護理、年輕人用于鍛煉健身,可提供早診治的信息,對人體最小干預(yù)(無創(chuàng)/微創(chuàng)),等等。

世界上集成電路領(lǐng)域最權(quán)威的會議――國際固態(tài)電路會議(ISSCC)的技術(shù)專題委員會,圍繞以上四種類型的醫(yī)療電子應(yīng)用中日益凸顯的關(guān)鍵技術(shù)問題,在2009年預(yù)測了在未來醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域中集成電路技術(shù)的研究熱點:

(1)人工輔助聽覺、視覺、無線肌肉刺激、神經(jīng)刺激:這類研究重點在于需要對人體安全無危害,包括和人體組織的電極接觸界面、泄漏電流檢測、過熱斷電等。同時還對系統(tǒng)的可靠性、外殼包裝、集成度和工作壽命等方面有要求;

(2)傳感量:生物分子檢測(如DNA等),神經(jīng)感知、集成核磁共振等;

(3)超小型:遙控或遠程診斷;

(4)自適應(yīng)控制:場景分析、管理方法等;

(5)無線測量技術(shù)中的瓶頸:數(shù)據(jù)流壓縮、拓寬頻道等;

(6)帶有馬達和姿態(tài)控制的智能內(nèi)窺鏡膠囊;

(7)pH值的測量陣列(離子敏感的場效應(yīng)管,ISFET);

(8)其他系統(tǒng)級需求。

在這些預(yù)測的研究熱點中,既有針對某一種具體應(yīng)用提出了更進一步的功能研究(如用于腸胃內(nèi)窺鏡中的馬達和姿態(tài)控制),也有對從應(yīng)用中提煉出的共性關(guān)鍵技術(shù)(如對于無線通信技術(shù)方面的瓶頸分析),還有對于生物醫(yī)療與集成電路的交叉學科發(fā)展趨勢(如需要更完善的知識結(jié)構(gòu)和傳感技術(shù)完成生物分析檢測等)。

從技術(shù)實現(xiàn)的角度來看,上述醫(yī)療應(yīng)用中有關(guān)的信息工程在醫(yī)療電子領(lǐng)域面臨的根本性問題可分為四個主要方面:

(1)數(shù)據(jù)采集:電子電路需要通過傳感器來感知物理世界。在實際世界中的各種物理量需要首先轉(zhuǎn)換成為電信號,之后才能夠由集成電路進行處理。采用適合類型的傳感器對適合的物理量進行采集,以及對傳感器的接口進行完善的交互控制就顯得尤為重要;

(2)數(shù)據(jù)處理:將外界物理量信息提取成電信號后,還需要做初步的信號調(diào)理和采樣、變換、濾波等預(yù)處理操作,并將原始數(shù)據(jù)進行存儲或是根據(jù)一定的算法做分析計算;

(3)數(shù)據(jù)傳輸:經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)還需要進行傳遞,通過由集總的控制設(shè)備進行數(shù)據(jù)融合后才能夠判斷。可分為基帶通信和射頻通信,前者大部分是電信號有線連接或是通過人體組織等導電介質(zhì),后者主要是用無線電磁波通過空氣等介質(zhì);

(4)能量供應(yīng):對于一般的醫(yī)療電子設(shè)備而言,體積微型化和延長工作壽命是矛盾的,因為電源的體積往往與其可提供的能量大小成比例。這樣就需要在進行低功耗、低能耗設(shè)計研究的同時,開發(fā)出新的能量供應(yīng)方式如能量恢復、光電池效應(yīng)、壓電效應(yīng)等,保證醫(yī)療設(shè)備(特別是便攜式、植入式)的續(xù)航能力。

接下來以幾個具體的研究課題項目為基礎(chǔ),針對不同的應(yīng)用例做更深入的分析,來介紹一下目前國內(nèi)在如下兩個研究方向上取得的一些進展:

1)對較為基本的物理量如溫度、脈搏等,待處理的數(shù)據(jù)量比較少,硬件系統(tǒng)的工作流程也非常類似,可以考慮采用一種具有共性的硬件結(jié)構(gòu)進行實現(xiàn)。同時這些有共性的硬件系統(tǒng)還可以通過一種通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)人體區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2)在另一些特殊的應(yīng)用中如人工輔助的聽覺、視覺,以及智能內(nèi)窺鏡膠囊等,由于原始數(shù)據(jù)是語音和圖像,過程中會涉及到傅里葉變換、數(shù)據(jù)壓縮等更為復雜的算法,數(shù)據(jù)運算量相對于簡單的生命體征信號要大得多,成為制約低功耗的瓶頸之一。

4實例

4.1 用于體征監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線人體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一種能夠滿足前述應(yīng)用要求的“通用”解決方案。它是進行人體生命要素信息采集與控制的小區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò),一般主要用于特定人群/人體的長時間健康狀況監(jiān)測、身體健康指標分析等。最典型的應(yīng)用例為糖尿病患者、癲癇癥患者、神經(jīng)紊亂或衰弱患者,以及慢性心臟病患者等。通過這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的可定制監(jiān)測,人們可以根據(jù)實際需要對身體的一個或多個相關(guān)數(shù)據(jù)指標做連續(xù)采集監(jiān)測,并通過良好人機交互界面進行控制。

1)WBASN的結(jié)構(gòu)

WBASN通常由近人體區(qū)域的傳感子節(jié)點和基站主節(jié)點組成。近人體區(qū)域包括體表測量、體內(nèi)測量、探針測量和體檢測量等。完成這些測量的傳感子節(jié)點中包括前端的傳感器件/能量轉(zhuǎn)換器件,目標是由對有關(guān)健康狀況的數(shù)據(jù)進行測量、處理和交換。基站主節(jié)點隨時接受區(qū)域中每個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù),并控制和調(diào)配這些傳感節(jié)點的采集狀態(tài)、休眠方案等,需要有能力做較大量的數(shù)據(jù)處理、累計、判斷及交換。所測量的數(shù)據(jù)信息也都是與人體密切相關(guān)的,如心電、心率、血壓、心音、肺音、血氧、呼吸、溫度、加速度等。不同種類的數(shù)據(jù)采集需要不同的傳感器件(能量轉(zhuǎn)化器件,簡稱換能器),如單導電極、熱敏電阻、惠斯通電橋、電流式傳感器和3軸加速度計等。所有傳感子節(jié)點的數(shù)據(jù)信息通過基站主節(jié)點進行統(tǒng)一的融合處理和分析判斷,實現(xiàn)WBASN的基本功能。

圖 3示出了簡要的WBASN結(jié)構(gòu)示意圖。整個網(wǎng)絡(luò)的基本功能是由傳感子節(jié)點(位于體表或體內(nèi)的粘附或植入式裝置)完成的,如采集血壓、溫度等信息。這些信息由主節(jié)點(體外的便攜裝置,如PDA等)統(tǒng)一接收后進行數(shù)據(jù)融合,完成初步判斷和處理,還可以給出信息的實時反饋、超限數(shù)據(jù)的安全警告等。另外,主節(jié)點還可以作為“網(wǎng)關(guān)”接入到因特網(wǎng)、GPRS等廣域網(wǎng)絡(luò)中,將本地的數(shù)據(jù)上傳到遠程服務(wù)器供醫(yī)生遠程診斷,實現(xiàn)遠程醫(yī)療等。如果主節(jié)點初步判斷后認為需要完成進一步的操作,會再次采集相關(guān)信息、給出警告信息或進行干預(yù)操作――給藥、電刺激等,以實現(xiàn)慢性病護理或及時診治。雖然這一網(wǎng)絡(luò)的研究目前還處于實驗室為主的原型驗證,但是在一些應(yīng)用中還是會或多或少的發(fā)現(xiàn)WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就實現(xiàn)了壓力、心率、呼吸等傳感器,采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到宇航員之外的接收設(shè)備上,然后再發(fā)回地面指揮中心進行分析。

2)WBASN的子節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

一個典型的子節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 4,包括了傳感器和電刺激驅(qū)動模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器MCU、數(shù)據(jù)流的預(yù)處理(協(xié)處理)單元、存儲器和射頻(RF)收發(fā)機,其中MCU與傳感器模塊之間還可以實現(xiàn)可配置的多標準數(shù)據(jù)接口、電源可視情況采用電池或無線供能方式等等。各模塊連接后即可實現(xiàn)相應(yīng)功能的子節(jié)點系統(tǒng)。若將圖 4所示的結(jié)構(gòu)進行高集成度的電路實現(xiàn),就是片上系統(tǒng)(SoC)平臺芯片。一種較為簡單的平臺芯片實現(xiàn)中不含有傳感器模塊和RF收發(fā)機(但包含對應(yīng)的接口),通過外接(1)不同類型、不同功能的傳感器件前端和(2)相同類型的射頻收發(fā)芯片后,就可以完成相應(yīng)種類數(shù)據(jù)信息的采集,進行一些預(yù)處理,然后與主節(jié)點建立通信并傳輸數(shù)據(jù)、接收配置等。還有一種集成度較高的SoC平臺芯片中會帶有片上RF模塊,這樣每個子節(jié)點系統(tǒng)就只需外接一個傳感器芯片即可完成采集、組網(wǎng)等功能。SoC平臺的作用是在功能異構(gòu)的WBASN各個子節(jié)點應(yīng)用中作為一個基礎(chǔ)的“通用的”平臺。

3)WBASN的子節(jié)點系統(tǒng)的設(shè)計重點

上述分析表明WBASN的近人體子節(jié)點系統(tǒng)的整體設(shè)計實現(xiàn)中,應(yīng)該以超低功耗和高度集成的(SoC)設(shè)計為重點。于是就要綜合系統(tǒng)的各方面需求,整合設(shè)計并實現(xiàn)出核心的數(shù)字微控制單元和電源管理單元,以便在達到功能上的靈活性、完備性的同時,實現(xiàn)系統(tǒng)的極低功耗。這些數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)包括幾個方面:(1)在各個功能相異的節(jié)點休眠間隔不等的情況下進行接入;(2)醫(yī)療用途的緊急情況下“給藥”或“電刺激”的實時控制實現(xiàn);(3)星型網(wǎng)絡(luò)中單跳的組網(wǎng)方式對指令集的優(yōu)化;(4)無線方式的節(jié)點功能更替;(5)兼容多標準的傳感器器件接口;(6)電路級的低功耗技術(shù)如門控、多電壓、異步電路設(shè)計等。在我們的研究中,綜合考慮了上述方面進行了設(shè)計優(yōu)化。這樣還會帶來很多其他的好處,如設(shè)計成本低、系統(tǒng)擴充性好、針對WBASN應(yīng)用開發(fā)的軟件/硬件效率高,等等。

下面針對上述子節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵技術(shù)進行具體說明:

第一,在低功耗方面,通過對具體實例的分析發(fā)現(xiàn),“工作狀態(tài)”和“空閑狀態(tài)”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作狀態(tài)下的低功耗優(yōu)化是首要任務(wù)。目前的絕大多數(shù)SoC實現(xiàn)方案基本上都是采用各種措施將工作時低功耗達到更低的指標。但是對于WBASN的具體應(yīng)用而言,子節(jié)點通常都會處于非常低的工作占空比,也就是說在整個子節(jié)點壽命內(nèi)的絕大多數(shù)時間里,子節(jié)點是在空閑狀態(tài)的。如體溫測量可以每1分鐘測量一次,每次測量只需要幾個毫秒;心率測量也只需要每100毫秒測量幾個毫秒,等等。這樣,子節(jié)點的總能量消耗往往更多浪費在空閑時的狀態(tài)上。所以對于WBASN的優(yōu)化需要從工作時功耗和休眠時功耗協(xié)同考慮完成,目標是提高電池的能量使用效率。

第二,子節(jié)點的實時控制。在許多研究中廣泛采用了實時性操作系統(tǒng)(如TinyOS),其實只保證了子節(jié)點在工作狀態(tài)下處理器處理各個任務(wù)的實時性。還需要子節(jié)點保證網(wǎng)絡(luò)行為的“實時性”:如用于閉環(huán)施放藥物的子節(jié)點系統(tǒng),在接到主節(jié)點發(fā)來的“給藥”指令之后應(yīng)該以最短的反應(yīng)時間給出操作。這就與低功耗的指標相矛盾:為了更快的反應(yīng)速度,應(yīng)該在空閑時采用“偵聽”方案或者休眠間隔很短的方案――這樣同時增大了空閑時功耗;反之,為了避免該給藥子節(jié)點的電池能量大都浪費在空閑時狀態(tài),應(yīng)該采用空閑時休眠的方案,并且該加大休眠間隔――這樣在主節(jié)點開始發(fā)送喚醒要求(大多數(shù)這種時候都是緊急情況)之后還要等到子節(jié)點的下次定時喚醒才能夠給出響應(yīng),最壞情況下的反應(yīng)速度為子節(jié)點的定時喚醒周期。所以目前這一問題的解決方案就是空閑休眠間隔、偵聽時間的折中選取。以具體數(shù)據(jù)進行分析:在“國內(nèi)外研究動態(tài)”中的ADICOL項目中,胰島素施放操作的閉環(huán)控制是每3分鐘定時喚醒工作一次,以保證最壞情況下的給藥控制延遲不超過3分鐘。而保守情況下(按每天需施放胰島素10次估計推算)都至少有97%的喚醒是不需要做給藥的,這樣就浪費了子節(jié)點大量的電池能量,降低了有效用能量的使用效率。

第三是功能的靈活性。由于每個子節(jié)點系統(tǒng)的RF模塊和通訊協(xié)議都沒有差別,所以通常的設(shè)計都主要考慮傳感器接口模塊的靈活可配置等等。很多現(xiàn)有的傳感器件或芯片接口大致分為兩種:模擬量(需要SoC提供ADC進行轉(zhuǎn)換)和數(shù)字量(傳感器自帶ADC,僅需要滿足相應(yīng)時序)。已有的相關(guān)研究大多是基于這兩類接口進行展開的。但是在不同功能的子節(jié)點系統(tǒng)內(nèi),除了傳感器件前端需要采集的物理量類型和接口不一樣之外,其軟件程序在操作順序、運算復雜度、處理方法等方面都有區(qū)別,SoC本身的軟件部分就需要根據(jù)具體子節(jié)點的功能進行調(diào)整。如果在每個子節(jié)點設(shè)備封裝前預(yù)先寫好軟件算法,還需要專門的“燒寫”設(shè)備。我們的研究中采用一種可由主節(jié)點遠程配置子節(jié)點軟件的協(xié)議,就可以在滿足“軟件靈活性”要求的同時不引入其他設(shè)備。

4)總結(jié)

如前述,WBASN的優(yōu)化重點在于子節(jié)點系統(tǒng), 而子節(jié)點系統(tǒng)的核心是SoC平臺。為了保證子節(jié)點SoC平臺的超低功耗、高集成度、靈活性、高效率、可靠性等,需要SoC平臺中的數(shù)字系統(tǒng)有完善的功能和異常處理能力、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、良好的可靠性和能量管理等。

系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器設(shè)備(或稱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)“近人體節(jié)點”)的主要指標可以歸結(jié)為:系統(tǒng)集成度,小型化/微型化,低功耗電路設(shè)計,無線遙感鏈路和信號處理算法等。除此之外,其他一些指標如服務(wù)質(zhì)量、安全性、多傳感器數(shù)據(jù)融合和診斷支持等也都是世界上相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)各研究組正在研究的課題。

4.2 帶有植入式處理器的電刺激器

電刺激治療方法是當今臨床和日常的物理康復最常用的、重要的治療手段之一,在心臟起搏器、人工聽覺、人工視覺、腦電刺激等許多領(lǐng)域中有著非常重要的作用。該方法通過將一定量的電流通過特制電極施加到人體組織,實現(xiàn)促進恢復正常的神經(jīng)傳導和調(diào)節(jié)功能等治療作用,不僅可起到鎮(zhèn)痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣等功效,有時甚至還可以修復、替代某些受損的人體組織和器官。一般的電脈沖刺激時采用無極性微分型指數(shù)波形,由電荷相等的正負脈沖波構(gòu)成,負指數(shù)脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用,正脈沖起電荷平衡的作用,可避免組織損傷。集成電路技術(shù),特別是植入式的處理器控制應(yīng)用在電刺激器中,可以完成復雜的信號處理,同時極大的保證操作的可靠性和無侵害性。

心臟起搏器是最早的醫(yī)用電刺激儀器之一,它發(fā)放電脈沖,通過與心內(nèi)膜相接觸的電極導線,刺激心臟使之激動收縮,以模擬心臟的沖動發(fā)生和傳導等電生理功能,起到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙。心臟起搏器的結(jié)構(gòu)包括脈沖發(fā)生器(pulse generator)和電極-導線(lead)兩大系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器由電池、釋放與調(diào)節(jié)電脈沖的電路和外殼構(gòu)成。脈沖發(fā)生器控制起搏節(jié)律,猶如整個系統(tǒng)的“大腦”。現(xiàn)在的脈沖發(fā)生器是非常小的,一種典型的尺寸為5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。

在正常的聽覺系統(tǒng)中,聲音的機械震動通過外耳和中耳之后,會在耳蝸的各處與基底膜發(fā)生共振。基底膜的振動帶動毛細胞纖毛的振動,產(chǎn)生毛細胞的感受器電位,進而產(chǎn)生聽神經(jīng)的動作電位發(fā)放。腦的中樞聽覺系統(tǒng)能夠根據(jù)聽神經(jīng)中不同神經(jīng)纖維的發(fā)放情況判斷基底膜的振動情況,進而推斷聲音的頻率成分。在一些患有感覺神經(jīng)性耳聾的病人內(nèi),毛細胞由于多種因素如遺傳、疾病等而遭到損傷或者數(shù)量減少,無法正常地驅(qū)動聽神經(jīng)。而人工耳蝸的基本工作原理就是繞過毛細胞這一環(huán)節(jié),直接對聽神經(jīng)進行電刺激。于是這種電刺激的效果就好像是聽神經(jīng)被聲音通過正常的基底膜和毛細胞驅(qū)動一樣。

人工耳蝸只是一種聽覺假體,并不能“治愈”耳聾或其他聽覺障礙。人工耳蝸的工作是基于耳蝸的不同部分與不同聲音頻率之間一種規(guī)則的對應(yīng)關(guān)系(頻率拓撲性質(zhì))。一般需要使用更加復雜的處理方法以避免造成組織、電極損傷等一些不良影響。

視覺假體技術(shù)也屬于功能電刺激的一種。大多數(shù)盲人的視覺通路中往往只有一部分發(fā)生病變,而其余部分神經(jīng)組織的結(jié)構(gòu)和功能尚完好。于是就能夠?qū)σ曈X通路的完好部位施加特定的人工電刺激,來興奮神經(jīng)細胞以模擬自然光刺激的效果,使盲人產(chǎn)生視覺感受。

視覺假體的工作原理與人工耳蝸相似。視覺假體系統(tǒng)包括一個位于病人體外的視頻采集設(shè)備(如小型攝像機),視頻處理模塊,電刺激編碼模塊和植入到視覺通路特定部位的多電極陣列。由視頻采集設(shè)備采集到的實時視頻圖像經(jīng)過處理,轉(zhuǎn)化為驅(qū)動多電極陣列的信號。多電極陣列對視覺神經(jīng)組織施加一定幅度、波形和頻率的電流刺激,興奮視覺神經(jīng)元,從而使病人產(chǎn)生視覺感受。

人工視覺刺激器主要包括視網(wǎng)膜刺激器、視皮層刺激器和視神經(jīng)刺激器。其中視網(wǎng)膜刺激器發(fā)展最快。視網(wǎng)膜刺激器是在視網(wǎng)膜下或視網(wǎng)膜表面植入不同微電極,使外界光線轉(zhuǎn)換成電流,通過微電極刺激并激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞及其網(wǎng)絡(luò),而產(chǎn)生光感。這種裝置可使失明或接近失明的眼重新獲得部分有用視力。其優(yōu)點是可以產(chǎn)生較準確的視覺感知,而且所需電流強度較小,玻璃體有利于熱量的散發(fā),以及可直接觀察到植入刺激器及植入后的反應(yīng)。至今已有較多實驗表明視網(wǎng)膜前或膜下芯片植入方法可行,有較好的生物相容性及長期穩(wěn)定性,達到預(yù)期效果。

目前全世界范圍內(nèi)已經(jīng)接受植入的病人較之佩戴人工耳蝸的病人要少得多。而且目前美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)也尚未批準任何類型的視覺假體的臨床應(yīng)用。

下面以人工聽覺的具體系統(tǒng)為例,詳細介紹一下帶有植入式處理器的電刺激器:

帶植入式處理器的雙模人工耳蝸系統(tǒng)

人工耳蝸就是通過電刺激末梢神經(jīng)系統(tǒng)的方式來修復聽覺的一種醫(yī)療電子裝置。它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽神經(jīng)需要的電刺激,將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經(jīng),幫助傳感性耳聾患者恢復(人工制造出)聽覺。它是迄今為止治療極重度耳聾唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神經(jīng)修復技術(shù)。目前各種人工耳蝸產(chǎn)品在設(shè)計上細節(jié)不盡相同,但它們的基本硬件構(gòu)成和工作原理卻是一樣的。

1)人工耳蝸的硬件構(gòu)成

人工耳蝸的基本硬件構(gòu)成如圖 6所示,主要分為體外和體內(nèi)兩個部分,其工作原理和流程如下:

(1)體外的麥克風首先把采集到的機械聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號;

(2)模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號;

(3)數(shù)字信號處理器(DSP)對數(shù)字聲音信號進行分析并決定如何驅(qū)動埋植于耳蝸內(nèi)的電極去刺激聽神經(jīng),形成刺激指令序列;

(4)刺激指令序列經(jīng)過調(diào)制后以無線電波的方式發(fā)送給體內(nèi)部分;

(5)體內(nèi)的解調(diào)器從無線電波中獲取體內(nèi)電路工作所需的能量,并對刺激指令序列進行解析;

(6)體內(nèi)的刺激器對解調(diào)出來的指令序列進行譯碼,然后根據(jù)指令要求在電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電流,刺激聽神經(jīng)產(chǎn)生聽覺。

2)新型全植入系統(tǒng)的應(yīng)用

在當前植入式電池不足以支撐數(shù)字式全植入人工耳蝸系統(tǒng),而模擬式全植入系統(tǒng)又存在著諸多缺陷的情況下,新型全植入系統(tǒng)的設(shè)計思路除了繼續(xù)降低數(shù)字系統(tǒng)本身的功耗外,還可以在結(jié)構(gòu)上進行調(diào)整,降低系統(tǒng)對電池的使用量?；谶@些考慮,我們提出了帶植入式處理器的可雙模工作的新型人工耳蝸系統(tǒng),如圖 7所示。

該系統(tǒng)在體內(nèi)集成了一套完整的語音信號采集、處理電路,以及與體外的無線接口,同時配有植入式電池。所謂“雙?！?是指該系統(tǒng)既可以工作在不帶任何外部輔助裝置的體內(nèi)單機模式下,如圖 7(b)所示,也可以工作于體外語音信號采集電路與體內(nèi)處理電路協(xié)同的聯(lián)機模式下,如圖 7(c)所示。從技術(shù)可行性的角度上講,聯(lián)機模式下的系統(tǒng)在當前的電路技術(shù)條件下是可以實現(xiàn)的,而單機模式則受制于電池容量和安全性等非電路因素。

這種系統(tǒng)的意義在于,通過兩種模式的交替使用可以很大程度上減少對植入式電池的使用量。而且該系統(tǒng)包含了一個完整的全植入數(shù)字式子系統(tǒng),對該系統(tǒng)的研究可以涵蓋下一代全植入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點。也就是說,該系統(tǒng)的很多關(guān)鍵技術(shù)將可以直接應(yīng)用到下一代全植入系統(tǒng)當中。實際上,在植入式電池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,這個系統(tǒng)可以自然而然地轉(zhuǎn)換成一個全植入式系統(tǒng)。

3)植入式數(shù)字信號處理器的低功耗設(shè)計

在雙模系統(tǒng)中,最大的技術(shù)難題就在于植入式數(shù)字信號處理器(DSP)的設(shè)計(圖 8),因為它幾乎是整個系統(tǒng)里功耗最大的部件。傳統(tǒng)人工耳蝸中的DSP 處在體外,對功耗的要求還可以寬松一些,畢竟體外的電池可以隨便更換。而在新系統(tǒng)中,無論是哪一種工作模式,對DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在體內(nèi)單機模式下,DSP 的功耗直接影響著植入式電池的壽命,而植入式電池又不可以隨便更換,所以這種情況下DSP 功耗的重要性自不待言。在聯(lián)機模式下,由于無線能量傳輸效率低下,DSP 的功耗將會被嚴重放大,這比DSP 在體外時的情況要惡化很多。

實際的設(shè)計和測試結(jié)果表明,基于開放源代碼硬件的專用指令集處理器(OSH-ASIP)設(shè)計方法有助于提高效率并降低成本,同時可以有助于去除通用處理器中存在的冗余,從而提高處理器的執(zhí)行效率、降低功耗。通過綜合運用指令集簡化、等待模式、循環(huán)暫存、存儲器切割、操作數(shù)隔離和時鐘門控等多種低功耗設(shè)計技術(shù),在0.18μm CMOS 工藝下設(shè)計實現(xiàn)的一款人工耳蝸專用的低功耗DSP實際測量結(jié)果為:在10MHz 的時鐘頻率下執(zhí)行連續(xù)交織采樣(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果顯著。

4)總結(jié)

就當前的技術(shù)水平來講,數(shù)字式全植入的人工耳蝸系統(tǒng)仍然因為能量供應(yīng)不足(功耗大而電池容量小)的緣故無法實現(xiàn)。但是除了功耗外并沒有其他理由可以阻礙數(shù)字系統(tǒng)的進一步發(fā)展,況且相比于模擬系統(tǒng)中那些固有的缺陷,功耗實際上是一個會隨著微電子設(shè)計和制造水平的提高而逐步得到解決的問題。因此,從長遠看數(shù)字式全植入系統(tǒng)才是人工耳蝸系統(tǒng)最優(yōu)的選擇方案。

4.3 智能內(nèi)窺鏡膠囊

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡(如胃鏡和腸鏡)需要使用光纖或電纜插入人體體腔內(nèi)拍攝病征圖像以供醫(yī)生診斷,這些連接線會給病人帶來很大不適,而且診斷存在盲區(qū),并可能會有消化道傷損等并發(fā)癥。智能內(nèi)窺鏡膠囊的出現(xiàn)給消化道疾病的診斷帶來了便利,克服了上述缺點。如圖 9所示,病人在吞服了膠囊內(nèi)鏡以后,膠囊依靠消化道的蠕動在其中緩慢移動。移動的過程中會采集人體內(nèi)消化道的圖像并以無線的方式發(fā)送至體外記錄儀,并可以上傳至基站以供醫(yī)生診斷病情。膠囊內(nèi)鏡不會給病人帶來不適,在檢測時病人也可活動,而且它可以完成全消化道的檢測,掃除了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡存在的盲區(qū)。

1)智能內(nèi)窺鏡膠囊的發(fā)展歷史

智能內(nèi)窺鏡膠囊(消化道膠囊內(nèi)鏡)的概念最早于2000年由以色列科學家提出并實現(xiàn),之后Given Imaging公司生產(chǎn)出第一款商用的膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品Pillcam。最近的幾年里各國的工業(yè)界和學術(shù)界相繼開始對這種產(chǎn)品的研發(fā),一些新產(chǎn)品和新技術(shù)陸續(xù)面世:日本的奧林巴斯公司推出的EndoCapsule產(chǎn)品在日本也開始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研發(fā)用無線供能,代替電池供電的技術(shù),以及控制膠囊內(nèi)鏡姿態(tài)的控制技術(shù);韓國研究機構(gòu)推出了以人體作為導體來直接傳輸信息的技術(shù),用以代替射頻收發(fā)機,目前也已成功地利用到膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品中。在可預(yù)見的將來還將出現(xiàn)集診斷、活檢、給藥及消化道行走等各種功能于一體的產(chǎn)品。

2)膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu)

完整的口服式智能內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)由膠囊內(nèi)鏡、體外便攜式記錄儀和工作站三部分構(gòu)成。膠囊內(nèi)鏡是整個系統(tǒng)最為重要的部分,也是設(shè)計難度最高的部分,在集成電路設(shè)計時尤其要注意功耗等問題。外殼內(nèi)的電路系統(tǒng)主要由五個部分組成,如圖 10所示,包括一個商用CMOS圖像傳感器、白色發(fā)光LED、一個商用射頻收發(fā)機芯片及天線、一塊用于控制和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路和兩節(jié)鈕扣電池。

商用的CMOS圖像傳感器位于整個膠囊的一端,負責采集消化道中的彩色圖像數(shù)據(jù)。支持多種圖像分辨率,最高速率可達30fps。高亮度的白光LED均勻地排布在圖像傳感器鏡頭座外的環(huán)形PCB上,在采集圖像時提供照明光線。高性能、低功耗的商用射頻收發(fā)機位于膠囊的另一端,保證膠囊系統(tǒng)的無線通信。射頻收發(fā)機工作在433MHz的ISM頻段,采用FSK的調(diào)制方式,有效碼率最高可達500kbps。兩顆1.5V的鈕扣電池串聯(lián)后為整個電路系統(tǒng)提供所需的能量。它們位于膠囊的中部,在圖像傳感器和射頻收發(fā)機之間。用于控制和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路位于圖像傳感器與電池之間,它將系統(tǒng)各部分的功能組合起來,形成完整的電路系統(tǒng)。

專用集成電路是膠囊內(nèi)鏡的控制核心(圖 11),它由數(shù)字基帶、電源管理單元和無線喚醒子系統(tǒng)三部分組成。其中數(shù)字基帶部分主要實現(xiàn)通信控制和圖像壓縮兩大功能。電源管理單元可將電池電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各個部分所需的電源電壓。無線喚醒子系統(tǒng)可以對密封在膠囊中的電路系統(tǒng)進行開啟、關(guān)閉、復位和配置操作,提高了系統(tǒng)可靠性,也便利了產(chǎn)品的組裝和生產(chǎn)過程。

3)膠囊內(nèi)鏡的低功耗實現(xiàn)

在膠囊內(nèi)鏡的電路系統(tǒng)中,射頻部分消耗的能量一般超過總能量的60%。為了在不增加射頻電路功耗的前提下縮短有效的射頻傳輸時間,在系統(tǒng)的數(shù)字基帶中引入了信源編碼――圖像壓縮。這樣大大減少了射頻收發(fā)機發(fā)送一幀圖像的數(shù)據(jù)量,也就相應(yīng)地減少了每幀圖像射頻部分的能量,并且有利于進一步減小系統(tǒng)工作的占空比,延長電池的工作時間。

引入圖像壓縮功能實際上是使用數(shù)字電路的能量去換取射頻部分的能量,而且數(shù)字電路的低功耗技術(shù)比較容易實現(xiàn),使得降低數(shù)字電路的功耗相對于降低射頻電路的功耗更為容易。因此,只要對圖像壓縮的計算復雜度做出仔細的評估,電路系統(tǒng)整體能量的降低不難實現(xiàn)。

目前智能內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)還沒有正式的產(chǎn)品國家標準,但一般包括如下幾個重要指標:

1)工作時間:至少為8小時,因為一般膠囊內(nèi)鏡通過人體消化道的時間為8小時。

2)尺寸:為方便病人吞服,膠囊尺寸一般直徑為10~12mm,長度為20~30mm。

3) 圖像幀率和分辨率:目前產(chǎn)品的圖像幀率一般為2fps。當然,在滿足基本工作時間的條件下,圖像幀率和分辨率都是越大越好。

4)總結(jié)

基于上述膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu),可以對其應(yīng)用需求做出細致的分析,對系統(tǒng)的供電方式、體積尺寸、通信方式、工作時間、可靠性等要求進行綜合考慮。分析和測量結(jié)果表明,在系統(tǒng)級設(shè)計上采用了圖像壓縮、雙向通信和無線喚醒等功能能夠滿足性能要求,而且這些技術(shù)的應(yīng)用對于有類似的大數(shù)據(jù)量、高碼率的植入式電子醫(yī)療集成系統(tǒng)也具有參考價值。

目前國內(nèi)有清華大學、中科院合肥智能機械研究所、重慶大學、重慶金山科技集團等單位都在分別從事這方面的研究。

5 結(jié)語

本文從醫(yī)療健康領(lǐng)域的社會需求、市場需求現(xiàn)狀入手,對我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機遇進行了分析,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)――集成電路技術(shù)應(yīng)用做了基本介紹。多方面的數(shù)據(jù)分析表明,醫(yī)學微電子系統(tǒng)研究設(shè)計的核心發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為小型化/微型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化。最后還通過幾個在研項目實例進一步闡釋了集成電路技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。

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關(guān)鍵詞：電力輸配電線路；節(jié)能降耗；工程；應(yīng)用

我國是人口大國，對任何能源的需求量都非常大，電力能源作為支撐我國工業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟繁榮的重要能源，在我國國民經(jīng)濟中占有很重要的地位。電力系統(tǒng)的巨大損耗對我國的長久發(fā)展是極為不利的，而且城市配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)能量損耗的主要部分。因此，對配電網(wǎng)使用過程中的能量損耗和浪費現(xiàn)象必須進行嚴格整改，實現(xiàn)對配電網(wǎng)線路能量損耗的降低和節(jié)省，促進其對經(jīng)濟效益的提高。由于符合增長速度快但配電網(wǎng)建設(shè)投資相對落后，因此，配電網(wǎng)在節(jié)能降耗方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?。對城市的配電網(wǎng)進行節(jié)能降耗工作的進行能夠在很大程度上節(jié)省電力用戶的電費支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，節(jié)省電力企業(yè)的電量，以供更多的用戶使用，不僅減少了用戶的費用支出，而且增強了供電能力，改善了電力供應(yīng)不足的現(xiàn)狀；另外，更重要的是，能夠?qū)崿F(xiàn)對我國整體能源的節(jié)省利用、減少環(huán)境污染、優(yōu)化資源配置，對我國的整體發(fā)展起到促進作用。

1 加強電力輸配電線路節(jié)能降耗技術(shù)的必要性

首先，為了減少主干線的長度和水平電纜的敷設(shè)長度，同時方便消防切除非消防的電源，使輸出電流較小，減小線路的損耗，需要在建筑物中使用技能降耗技術(shù)。

其次，當前的許多用電設(shè)備都是電感性負荷，會產(chǎn)生許多無功的滯后性電流，這種電流一經(jīng)流出并經(jīng)過高低壓線路后，穿入用電設(shè)備的末端，線路的功率消耗就會增大，造成對電能的浪費。因此，需要對這種現(xiàn)象進行相應(yīng)的改進，使這種電流的流出減少，從而提高功率，降低功率消耗。

再次，在供配電線路中會存在有增加電能損耗的諧波電流，它會危害到個供配電線路及其設(shè)備。因此，對這種電流的抑制不僅可以保護供配電的線路和設(shè)備，而且還可以減少能量的消耗。

2 實際過程中節(jié)能降耗的具體措施

2.1 優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃

電網(wǎng)規(guī)劃就是通過對城市電網(wǎng)的進行規(guī)劃的總體過程中的計劃方案進行合理的調(diào)整，實現(xiàn)線路節(jié)能降耗的目的。電力部門可以充分利用專業(yè)的技術(shù)手段對電力設(shè)備進行相應(yīng)的調(diào)整。也可以從源頭做起，即在對電力系統(tǒng)的自動化設(shè)計上就作出必要的調(diào)整，另外，對線路損耗的內(nèi)在檢測也是降低電能損耗的有效手段。通過對這些手段的利用，實現(xiàn)對電網(wǎng)規(guī)劃方案的合理選擇，從而有效降低輸配電網(wǎng)絡(luò)的高效低能運行。

2.2 通過電力變壓器節(jié)能

輸配電變壓器是輸配電線路損耗的主要內(nèi)容，要對其損耗進行合理的控制，科學的措施是相當重要的，其中，利用節(jié)能型的變壓器作用比較大，能夠有效降低整個輸配電網(wǎng)的損耗。在降低輸配電網(wǎng)的能量損耗過程中，對低損耗的容量的合理配置，而且使用新材料進行對配電變壓器的空載損耗值的降低，是一項行之有效的措施和途徑。

2.3 保證變壓器的經(jīng)濟運行

在傳輸電量相同的條件下，選擇不同的變壓器運行方式，會對變壓器的能量損耗有所影響，進而可能會導致其對電能的浪費，達不到節(jié)省能量、降低損耗的目的。對于變壓器的經(jīng)濟運行，只需要科學管理供電和用電工作，就能夠達到節(jié)省用電和提高功率的目的，而不需要增加對其的資金投入。變壓器的質(zhì)量，也就是運行參數(shù)，和變壓器的容量、電壓器等級、鐵芯材料質(zhì)量等反面有著密切的聯(lián)系，在選擇變壓器時，只需要對這些參數(shù)進行合理的選擇，就可以達到提高變壓器的節(jié)能降耗的目的。

2.4 對變壓器設(shè)備的更新

變壓器的設(shè)備性能將對電流流入后的電能利用產(chǎn)生很大程度的影響，老式的變壓器在使用時會產(chǎn)生大量的熱，散失于設(shè)備之外，造成嚴重的能量損耗。新型的變壓器對這種現(xiàn)象有較好的改善，能夠有效減少電流流經(jīng)變壓器時造成的能量損耗，明顯能夠降低該過程中的能量利用，節(jié)省能量。因此，在對變壓器進行購買時，需要選用新型的節(jié)能變壓器，有效降低能量損耗。

3 總結(jié)

總之，電力能源是我國在新時期發(fā)展過程中各項事業(yè)順利發(fā)展的有力保障，如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，整個國家的運轉(zhuǎn)將處于癱瘓之中，人們的生活將停滯不前。因此，在電力輸配電線路中注重對節(jié)能降耗的實施是非常有必要的。在具體的實施過程中，需要根據(jù)實際情況，采取科學合理的措施，真正做到節(jié)省能量和降低能量損耗的目的。

參考文獻：

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[2] 孫凱.淺談節(jié)能降耗技術(shù)在電力輸配電線路中的運用[J].黑龍江科技信息，2011，15（31）：44.

篇3

[關(guān)鍵詞]應(yīng)用技術(shù)教育 電路 教學方法

《電路》課程是研究電路及磁路現(xiàn)象的基本規(guī)律及分析方法的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是電氣設(shè)備施工與維護專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課。但該課程概念多，理論性強，與數(shù)學課程聯(lián)系緊密，題型靈活多變。而應(yīng)用技術(shù)本科學生來自中專、技校、職高，學生難以駕馭。因此，如何激發(fā)學生的學習熱情，提高教學質(zhì)量，為后續(xù)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)，一直是應(yīng)用技術(shù)本科《電路》課程教師關(guān)注、探索的問題。本人結(jié)合多年來的教學經(jīng)驗，在此談?wù)剮c看法。

一、明確學習《電路》課程的目標及重要性

電路的能源提供者―電能，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。我們應(yīng)用技術(shù)本科教育是培養(yǎng)具有職業(yè)定向性的技術(shù)型、技能型、應(yīng)用型、復合型人才的高等教育，面向地方，為地方服務(wù)?！峨娐贰氛n程是 一門基礎(chǔ)學科，其內(nèi)容必須與后續(xù)專業(yè)課相結(jié)合，其基礎(chǔ)理論，以必要夠用為度。減少數(shù)理論證，以掌握概念，突出應(yīng)用，培養(yǎng)學生技能為教學重點，為后續(xù)課程打下良好基礎(chǔ)。

二、以人為本，因材施教

《電路》作為一門機電類專業(yè)基礎(chǔ)課，其中涉及大量電路分析、計算，而其中的計算涉及到數(shù)學知識、如三角函數(shù)、復數(shù)、拉普拉氏變換等。如果學生基礎(chǔ)知識掌握不牢固，將直接影響到《電路》的正弦交流電、三相電路及復頻域分析章節(jié)的學習。只有掌握學生的基礎(chǔ)情況，才知哪部分內(nèi)容是學生的薄弱環(huán)節(jié)，才能有的放矢地教學，提高教學質(zhì)量。

三、重視學生學習方法的培養(yǎng)，提高教學質(zhì)量

學生步入大學，首先學習的專業(yè)基礎(chǔ)課是《電路》課程，學生學習的思路、領(lǐng)悟性較弱，且《電路》這門課程概念多，定律多，相互間容易混淆。因此，在教學中不僅要講究教法，而且要給學生學習方法，想方設(shè)法讓學生牢固掌握所教內(nèi)容。我在教學中反復強調(diào)概念，定律的內(nèi)容，重視一題多解法。在復雜直流電路章節(jié)中，一題有多種解題方法；如電源等效互換，支路電流法，疊加定理，戴維南定理等。由于各種方法各有特點，掌握每種方法的特點。利用一題多解復習，能鞏固學生所學的概念，也調(diào)動了學生學習的積極性。各種方法最后得到同一個答案，可以讓學生體會多種方法的特點，以便在計算時選用合適的解法，節(jié)省計算時間。同時也利于培養(yǎng)學生的科學探索精神。再有：每章學完后，讓學生學會歸納、總結(jié)、抓住每章的重點、難點所在，歸納總結(jié)后，學生思路自然清晰，也容易記憶。如在正弦交流電一章，學完單一元件的正弦交流電后，研究由基本元件組成的串、并聯(lián)電路的電壓、電流的計算，電壓與電流相位關(guān)系、功率關(guān)系、解析式、相量圖，尤其是由電壓電流三角形可推出阻抗三角形，功率三角形。這樣學生本章的基本思路清晰了，內(nèi)容也掌握了，學生的解題思路自然清晰。學生學習電路課程的視野開闊，積極性提高了，教學質(zhì)量自然提高。

四、教師采用啟發(fā)式教學，調(diào)動學生學習積極性

教師重視學生課堂教學信息反饋，給學生學習信心和勇氣。學生學完一節(jié)課后，教師應(yīng)根據(jù)課堂學生反映，把握教學效果，以便及時鞏固，同時每堂課留出幾分鐘時間出一道本堂教學基礎(chǔ)題，驗證一下學生的學習效果，然后有的放矢地糾正，以免學生學的吃力，甚至有的學生失去了學習的信心。教師要時刻鼓勵學生，尤其是后進生，爭取讓每一個學生不掉隊、不落伍。

五、利用多媒體技術(shù)，改變教學手段

多年的教學研究，我對教材深入分析和挖掘，圍繞每章的重點內(nèi)容制作本課程的多媒體課件。多媒體的使用，一方面，既保證了課堂的多樣劃，又吸引了學生學習的積極性，使課堂知識得以及時傳播，拓展學生的知識面。同時，由于課堂環(huán)境的改善，教師可以從傳統(tǒng)的書寫和繪制圖形的時間中解放出來，從容展開對問題的深入講解，使課程的教學效率和質(zhì)量得以提高；另一方面，可以聯(lián)系工程實際，采用實物錄像或制作易理解的電路，從而促進學生對本課程學習的積極性。提高課堂效率，實現(xiàn)教學目標。

六、理論聯(lián)系實際為目的，努力提高學生的應(yīng)用能力

實踐教學是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，對學生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)具有其它教學環(huán)節(jié)所無法替代的重要作用。培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的良好習慣，教師在講授中應(yīng)不失時機地結(jié)合實例進行講解，增強學生的直觀印象。如日光燈中鎮(zhèn)流器的自感現(xiàn)象，電磁爐中利用渦流原理加熱燒水、炒菜等。這樣講授可以使學生學以至用，學生積極探索，較好地發(fā)揮學生的主觀能動性和學習積極性。

七、強化學生實驗教學環(huán)節(jié)，鞏固所學的理論知識

應(yīng)用型人才教育是為地方服務(wù)，培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理和服務(wù)第一線高級技術(shù)應(yīng)用性專門人才，應(yīng)用型人才教育培養(yǎng)目的，決定了學生實驗環(huán)節(jié)的重要性。通過實驗學生不僅掌握了各種電工儀表的正確使用，更重要的是使理論知識得到了驗證與鞏固。通過動手連線、數(shù)據(jù)的測得，將原來理解問題的漏洞排查出來，通過實驗過程加以解決。鞏固所學的理論知識。如戴維南定理，學生學習起來普遍認為較抽象，難以掌握，但學生通過實驗的方法測開路電壓、等效電阻。學生用測得的開路電壓、等效電阻再組合成新電路，測得電流值與原電路電流值相等。從而定理得以驗證。學生通過實驗的過程，理論知識得到進一步的鞏固、加深。

八、例題精講，多做練習，讓學生多實踐

教師根據(jù)課堂內(nèi)容的要求，適時安排習題課，這是《電路》課程必不可少的教學環(huán)節(jié)。教師在組織習題課的教學中要精選例題，可以按照例題的難度，結(jié)構(gòu)特征，思維方法等各個角度進行全面剖析，不片面追求例題的數(shù)量，而重視例題的質(zhì)量。教師在課堂上應(yīng)騰出時間，讓學生進行課堂練習，思考問題，或解答學生的提問。課外應(yīng)適當布置作業(yè)，讓學生進一步鞏固所學知識。對學生提出的疑點問題，應(yīng)進行有針對性的引導，啟發(fā)學生自己解決問題，達到舉一反三的效果。

總之，教師對教學方法的探索是教師在教學中應(yīng)長期堅持的一項工作，經(jīng)過多年的思考與經(jīng)驗積累。我認為教師應(yīng)根據(jù)學生不同的情況，采用適宜、科學的教學方法，《電路》課程教學才具有鮮明的特色，學生發(fā)自內(nèi)心地愿意學習《電路》課程，教師才能全面推動教學的展開，提高教學質(zhì)量。真正實現(xiàn)以人為本的教學目標。

[參考文獻]

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[2]沈道云，《電工基礎(chǔ)》教法探討 [J]，職業(yè)教育研究2004，[7]

[3]何立志，《電工學》課程的創(chuàng)新教學研究[J]，2006，[12]

篇4

該文論述了項目化教學改革的意義，從教學內(nèi)容、教學模式、教學方法和考核評價等幾個方面探討了項目化教學的實施過程，并對項目化教學過程中出現(xiàn)的問題進行了相關(guān)思考。

項目化課程改革的意義

高職院校以往的電路基礎(chǔ)課程偏重于專業(yè)理論的傳統(tǒng)教學模式，過于強調(diào)知識的學科性和系統(tǒng)性，而缺乏針對性和應(yīng)用性，理論與實際聯(lián)系不緊密，實用性不強，不能滿足我國高職院校教育教學改革及人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)，無法體現(xiàn)出職業(yè)教育特色。

高職學生由于基礎(chǔ)較差，理解能力不強，針對理論性較強的知識普遍出現(xiàn)學不懂、不愿學的現(xiàn)象。通過傳統(tǒng)教學曾發(fā)現(xiàn)學生比較傾向于動手的訓練，更熱衷于一個具體的實訓項目的完成，例如，安排日光燈的組裝和調(diào)試任務(wù)，通過確定方案、自主學習相關(guān)知識、實施計劃到任務(wù)完成，整個過程中學生能自主獲得綜合知識和專業(yè)技能，同時也收獲了成功的喜悅，培養(yǎng)了良好的團隊協(xié)作精神。職業(yè)教育中，學生更愿意通過在實際工作中完成具體任務(wù)來獲得相關(guān)知識。因此，完全打破學科體系，按照企業(yè)實際工作任務(wù)、工作過程和工作情境來組織課程，利用“工學結(jié)合”的任務(wù)載體對學生進行全面培養(yǎng)，形成圍繞工作過程的新型教學項目的課程開發(fā)勢在必行。

項目化課程教學的改革與實踐

從課程的教學內(nèi)容、教學模式、教學方法和手段以及考核方式幾個方面進行探索和實踐。

項目的分析與選取。在課程教學內(nèi)容的編排上，突破原有體系章節(jié)，注重把工程背景和科技發(fā)展史引入教學。以“認、知、用”為主線，課程由9個理論和實踐一體化的項目組成?！峨娐贩治雠c應(yīng)用》課程以典型的實際應(yīng)用電路為單元，共設(shè)置了手電筒電路的分析、串并聯(lián)照明電路的分析、雙電源電路的分析、電橋電路的分析、閃光燈電路的分析與設(shè)計、日光燈電路的安裝與測試、家庭配電電路的分析與設(shè)計、濾波器的設(shè)計、變壓器的應(yīng)用與設(shè)計共九個項目。

項目設(shè)計遵循學生的認知規(guī)律，先做入門項目：首先從“麻雀雖小、卻五臟俱全”的手電筒電路入手，學習電路的基本概念，認識基本的電路元件，學會基本的測試方法；再到基本應(yīng)用項目，這類項目從應(yīng)用的角度學習電路理論和方法，應(yīng)用理論和方法來解決實際問題。最后進行綜合設(shè)計類項目，由淺入深，由單一到綜合，讓學生“學得通”、“做得順”。

每個項目下分成若干個模塊，每個模塊分為若干個工作任務(wù)。如項目六家庭配電線路的設(shè)計分成3個模塊，如下表1所示。模塊1為家庭配電電路的分析，其中有3個工作任務(wù)；模塊2為家庭配電電路的設(shè)計，其任務(wù)是對兩室一廳配電電路進行設(shè)計，并選擇相關(guān)器件；模塊3為家庭配電電路的安裝，其任務(wù)是安裝兩室一廳家庭配電電路。

表1

教學過程以各個項目中的工作任務(wù)為焦點，進行有關(guān)知識與技能的培養(yǎng)和訓練，使學生集學習與討論、實驗與反思、認識與拓展、實踐與創(chuàng)新為一體，在以項目完成的過程為導向，實施教學。

教、學、做一體的教學模式。秉承陶行知思想的精髓，在項目化教學中真正做到：在做中教，教育方法改教授法為教學法，引導學生積極主動學習。在做中學，改變學生被動的學習方式，在項目實踐中主動探究和學習知識。教學做合一，教與學互動，在項目的實踐中實現(xiàn)知識的傳承。

教學方法和手段的改革。在項目化教學實施過程中，以實際的工作任務(wù)為載體，精心創(chuàng)設(shè)教學情境，讓學生易于融入教學情境，激發(fā)出學習興趣，主動參與任務(wù)，在完成任務(wù)的同時獲取知識、能力，真正做到“教、學、做”相結(jié)合，形成“教師引導式學習、學生自主性學習、師生共同研習”的研究型學習氛圍。教學中充分應(yīng)用項目法、任務(wù)驅(qū)動法、啟發(fā)引導式、案例教學、仿真教學、現(xiàn)場教學等。例如在項目六“日光燈照明電路的安裝、調(diào)試和分析”的教學設(shè)計時，采用現(xiàn)場教學，首先在實驗室完成日光燈的安裝，排故，啟發(fā)探究日光燈的發(fā)光原理，并訓練基本測試技能，引導學生對測試參數(shù)：電壓、電流、功率進行分析，從而掌握正弦交流電路的相量分析法。要求學生在這個項目中獲得的技能和知識能夠遷移到其他相關(guān)項目中，例如下一個項目“家庭配電電路的分析與設(shè)計”：家庭配電電路中的參數(shù)計算，器件的選擇等任務(wù)，從而實現(xiàn)由實踐-理論-再實踐的知識和能力的螺旋式上升過程。

基于過程考核的綜合評價?？己嗽u價是項目化教學的重要環(huán)節(jié)，是提高教育質(zhì)量、促進學生獲取知識、提高應(yīng)用知識的能力、培養(yǎng)素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)的重要手段?！峨娐贩治雠c應(yīng)用》這門課程屬于理論知識和技能并重的課程，我們將每個項目的教學內(nèi)容按“知、技、能”要求進行劃分，配合以“教、學、做”相結(jié)合的教學模式。每個項目結(jié)束后以及全部課程完成后，進行各項目的考核和綜合考核。項目考核內(nèi)容主要包括項目學習過程、知識應(yīng)用能力以及理論知識素養(yǎng)這幾個方面進行。

項目學習過程考核的重點集中在學生項目成果和項目實施過程中的表現(xiàn)上，將職業(yè)素養(yǎng)、能力、知識的考核評價融合于項目任務(wù)的完成過程之中。職業(yè)素養(yǎng)的考核貫穿整個教學過程。根據(jù)企業(yè)對專技人才的要求，比如團隊精神、吃苦耐勞、愛崗敬業(yè)等，教師平時對學生嚴格要求，考勤、實訓項目中相關(guān)操作規(guī)范等都認真記錄。工作表現(xiàn)的考核包括工作積極性、主動性，知識運用能力、自學能力、分析和解決問題能力、自我評價和評價他人能力以及相關(guān)操作技能的掌握程度、熟練程度等等。

知識應(yīng)用能力考核學生如何運用所學知識分析問題與解決問題的能力，題型為分析題和綜合設(shè)計題等。這種考核不僅使學生熟練掌握了重要的理論知識，為培養(yǎng)學生“可持續(xù)發(fā)展能力”奠定基礎(chǔ)，更重要的是培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力。

理論知識素養(yǎng)考核以機考的形式在課程網(wǎng)上考試系統(tǒng)中完成，主要是客觀性命題：填空題、選擇題和判斷題，考核學生對電路基本概念、基本分析方法的掌握情況。

實施項目化教學的教學效果

實施項目化教學后，學生的學習興趣明顯提高了。以前學生普遍認為《電路分析》課程認為理論性太強，與實際工作和生活結(jié)合不緊密，只是進行枯燥的分析計算，有些基礎(chǔ)不太好的同學甚至產(chǎn)生厭學情緒。改革后，學生該課程的及格率由09年的74.5%提高到11年的79.3%，優(yōu)秀率由18.5%提高到27.7%。偉大的科學家愛因斯坦說過：“興趣是最好的老師?！睂W生對項目、任務(wù)產(chǎn)

生了濃厚的興趣，很自然就會去探究，去學習。伴隨著項目、任務(wù)的完成，學生既掌握了相關(guān)知識與技能，還鍛煉了表達能力和知識應(yīng)用能力，對后續(xù)課程的學習以及班級優(yōu)良班風、學風的形成都起到了舉足輕重的作用。

項目教學法實施中的相關(guān)問題思考

項目選擇的科學合理性問題。在項目化課程教學中，如何最大限度地引入工程概念，將項目融入到電路知識的學習中去，培養(yǎng)學生的工程實踐能力，激發(fā)學生對工程實踐的興趣是一個值得深入研究的課題。同時在項目的選取上考慮科學合理性、要求從項目中所訓練的能力一定是可遷移的。選擇的項目能覆蓋主要知識點和能力，不能有重大遺漏。如果有遺漏，則應(yīng)設(shè)計其他項目來覆蓋，否則的話造成專業(yè)理論的缺失，學生可持續(xù)發(fā)展的動力不足，高職教育培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能人才的目標就無從談起。

項目化考核的可操作性。項目化考核的重點是項目實施過程中的過程評價，是形成性評價，貫穿整個項目，包括職業(yè)道德、工作表現(xiàn)、知識應(yīng)用能力、自學能力、自我評價和評價他人等。如果考核指標過細，面面俱到，則操作性不強。如果考核過于寬泛，則又難免流于形式。由于形成性評價存在主觀性，因此如何建立一個客觀、合理、可操作性強的評價體系是關(guān)鍵。

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關(guān)鍵詞：統(tǒng)一用戶，單點登錄，系統(tǒng)集成，門戶

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0188-03

Abstract： With the development of enterprise informationization，a wide variety of application are used in the enterprise .In order to integrate the arious application systems and data resources into a single information management platform， and provide users with a unified user interface， single sign-on is the first problem to be solved. This paper describes a method through uniform user management and single sign-on technology to achieve enterprise application integration. It soved the problem of a single login， surfing on the internet or intranet freely. This method has been applied in the authors' institute， an achieved good effect.

Key words： Uniform User； Single Sign-on； System Integration； Enterprise Information Portal

隨著企業(yè)信息化水平的不斷提高，越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)投入使用，例如OA系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)、項目管理系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)等。這些獨立的應(yīng)用系統(tǒng)都有自己一套完整的用戶管理與權(quán)限認證體系。用戶如果需要訪問這些應(yīng)用系統(tǒng)，就需要記住各個系統(tǒng)中的賬號、密碼，頻繁的在不同系統(tǒng)之間登錄切換。這樣給用戶帶來了很大的不方便，同時也容易引起系統(tǒng)安全性的降低。

企業(yè)信息門戶是一種應(yīng)用集成框架，它將各種應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源和互聯(lián)網(wǎng)資源集成到一個信息管理平臺之上，并以統(tǒng)一的用戶界面提供給用戶。

在企業(yè)信息門戶平臺上，讓用戶僅輸入一次用戶名、密碼，通過一套安全身份認證體系的身份鑒別，就可以分別登錄到OA系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)、項目管理系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)等不同的應(yīng)用系統(tǒng)，而不需要重復登錄進行身份認證。這是一個在企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)集成中迫切需要解決的問題，而解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)就是單點登錄技術(shù)（Single Sign-on，SSO）。

1 單點登錄技術(shù)

1.1單點登錄基本流程

單點登錄流程可以簡單描述如圖1所示。用戶訪問應(yīng)用系統(tǒng)時，先檢查其是否登錄，如果登錄則進入應(yīng)用系統(tǒng)中具體請求頁面，執(zhí)行后續(xù)操作；如果尚未登錄，則跳轉(zhuǎn)至用戶身份認證系統(tǒng)中進行登錄認證。認證系統(tǒng)首先根據(jù)用戶的登錄信息進行身份校驗，如果通過校驗，則返回給用戶一個認證的Ticket作為認證憑據(jù)，用戶之后再訪問其他的應(yīng)用系統(tǒng)時就會帶上這個Ticket，作為認證的憑據(jù)。應(yīng)用系統(tǒng)接收到用戶請求之后會把Ticket送到認證系統(tǒng)中進行校驗，檢查Ticket的有效性。如果Ticket有效，則進入應(yīng)用系統(tǒng)中具體請求頁面，執(zhí)行后續(xù)操作；否則跳轉(zhuǎn)至登錄頁面，對用戶身份進行驗收。

作為用戶憑據(jù)的Ticket具有時效性和不可偽造性，以此保證用戶登錄安全可信。

單點登錄中的認證服務(wù)器為所有用戶提供身份認證管理，所有沒有經(jīng)過身份認證的匿名用戶訪問應(yīng)用系統(tǒng)時都要求被重定向到登錄頁面進行身份驗證。未注冊的用戶需要先經(jīng)過注冊初始化后方可被驗證通過。

1.2 統(tǒng)一用戶管理

在單點登錄流程中，可以發(fā)現(xiàn)對用戶進行統(tǒng)一管理并認證是最重要的環(huán)節(jié)。將所有應(yīng)用系統(tǒng)的用戶進行統(tǒng)一管理并與之前的系統(tǒng)內(nèi)部賬戶進行映射，不再需要各應(yīng)用系統(tǒng)進行獨立認證，通過統(tǒng)一認證服務(wù)器來實現(xiàn)統(tǒng)一認證。

統(tǒng)一用戶就需要首先在統(tǒng)一的用戶管理系統(tǒng)中進行用戶錄入與維護，然后通過系統(tǒng)API接口或WebService服務(wù)對系統(tǒng)資源、用戶角色、用戶權(quán)限進行關(guān)系綁定，進而達到對用戶進行統(tǒng)一管理、對應(yīng)用系統(tǒng)權(quán)限進行統(tǒng)一分配。

中國飛機強度研究所內(nèi)部有HR-人力資源管理系統(tǒng)對全部員工的信息進行統(tǒng)一管理，因此HR系統(tǒng)就作為中央用戶數(shù)據(jù)源，用戶的部門、個人賬號、崗位等信息在該系統(tǒng)中進行注冊。之后，利用WebService接口將用戶信息同步至門戶（Portal）的統(tǒng)一用戶身份庫中，由門戶的統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)再通過接口對賬戶進行應(yīng)用系統(tǒng)的使用權(quán)限分配并將賬戶同步到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)中。

統(tǒng)一用戶管理流程如圖2所示。

目錄服務(wù)器是統(tǒng)一用戶管理與身份認證的基礎(chǔ)平臺，對用戶信息進行統(tǒng)一管理，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。本方法中通過輕量級目錄服務(wù)協(xié)議LDAP（Light weight Directory Access Protocol）將用戶及組織的信息以層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的方式進行統(tǒng)一管理。

2 基于門戶的單點登錄實現(xiàn)

本方法中，通過企業(yè)門戶平臺負責管理企業(yè)各個應(yīng)用系統(tǒng)訪問入口，將各應(yīng)用系統(tǒng)的身份認證功能集中控制。實現(xiàn)用戶在門戶平臺認證通過后，無需二次認證，即可訪問其他應(yīng)用系統(tǒng)的效果。

2.1 用戶同步

1）用戶數(shù)據(jù)初始化

用戶數(shù)據(jù)初始化分為兩種：一種是已正式運行的應(yīng)用系統(tǒng)（例如OA系統(tǒng)），采用統(tǒng)一命名規(guī)則的用戶賬號，因系統(tǒng)中的部分歷史數(shù)據(jù)跟用戶信息關(guān)聯(lián)，用戶賬號命名規(guī)則改變后，為能保持歷史數(shù)據(jù)的正常查詢等操作，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)自行在用戶數(shù)據(jù)庫中建立新、老賬號的對應(yīng)關(guān)系。一種是在建和未建的應(yīng)用系統(tǒng)，必須嚴格按照命名規(guī)則新建系統(tǒng)賬號及密碼。

2）用戶數(shù)據(jù)同步

將統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)中的用戶及組織機構(gòu)數(shù)據(jù)單向同步到個應(yīng)用系統(tǒng)中，可以采用即時觸發(fā)、單向、增量同步方式。當統(tǒng)一用戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)生更改后，根據(jù)之前制定的身份同步規(guī)則，即時將變更的賬號數(shù)據(jù)同步到對應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。同步實現(xiàn)方式可以通過數(shù)據(jù)庫中間表的方式，也可以通過Webservice的方式。

2.2 單點登錄

單點登錄方式可以根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)需求分別采用兩種認證方式：

（1）基于Cookie的認證方式

Cookie方式是基于客戶端頁面中存儲的加密登錄信息，由業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供驗證頁面，自主解析用戶名、密碼并認證，同時跳轉(zhuǎn)至獲取的目標URL地址，實現(xiàn)單點登錄。業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要對登錄認證模塊做相應(yīng)的功能改造。

在用戶通過單點登錄系統(tǒng)的認證后，單點登錄系統(tǒng)將通過注入機制在Cookie中添加表示用戶關(guān)聯(lián)的賬號信息和請求的URL地址，并將請求轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取賬號信息，確認用戶身份后決定是否允許用戶跳轉(zhuǎn)至所請求的系統(tǒng)資源。

單點登錄系統(tǒng)在Cookie中注入的參數(shù)信息包括：

a） 系統(tǒng)編號：對應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)賬號、密碼（加密后）信息，通過#號分割，編碼由企業(yè)門戶分配；

b） url：用戶請求的目標地址url。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取Cookie中的參數(shù)值的Java示例代碼如圖3、圖4所示：

（2）基于header的認證方式

http-header認證允許將已認證的用戶身份信息插入到聯(lián)結(jié)的第三方服務(wù)器為目的地的請求的HTTP頭，HTTP頭信息使已聯(lián)結(jié)的第三方服務(wù)器上的應(yīng)用程序基于用戶身份信息執(zhí)行特定于用戶的操作。

客戶機瀏覽器請求收保護的第三方服務(wù)器上的應(yīng)用程序，通過網(wǎng)關(guān)認證系統(tǒng)進行身份認證，建立新的基本認證頭，將請求通過聯(lián)結(jié)發(fā)送到第三方服務(wù)器的應(yīng)用程序上，第三方服務(wù)器的應(yīng)用程序不需要用戶認證，直接讀取基本認證頭中的用戶身份信息，并進行相應(yīng)的用戶操作。

認證頭中存儲的header信息：iv-user

第三方應(yīng)用程序獲取header信息：request.getHeader（"iv-user"）；

應(yīng)用系統(tǒng)獲取Http Header中的參數(shù)值的Java示例代碼如圖5所示：

3 應(yīng)用效果評價

在2016年初，中國飛機強度研究所對現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)進行了改造升級，將已有的和在建的應(yīng)用系統(tǒng)進行統(tǒng)一整合。整合過程中采用了本文介紹的方法，完全實現(xiàn)了一次登錄、全網(wǎng)通行的目標。1000余個賬號登錄各應(yīng)用系統(tǒng)效率高，未發(fā)現(xiàn)重復認證或登錄延時等問題，成功完成了對多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成整合工作。

4 結(jié)束語

本文針對企業(yè)在信息化建設(shè)過程中出現(xiàn)的各應(yīng)用系統(tǒng)用戶系統(tǒng)獨立、身份認證系統(tǒng)獨立的現(xiàn)狀，深入分析、研究統(tǒng)一用戶管理技術(shù)、單點登錄技術(shù)，在確保各應(yīng)用系統(tǒng)正常運行不受較大干擾的前提下，實現(xiàn)了對OA系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)、項目管理系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)等多個應(yīng)用系統(tǒng)的單點登錄。該方法在研究所內(nèi)部得到了高度認可，同時也在其他行業(yè)得到了認可，可以在行業(yè)內(nèi)部以及其他行業(yè)推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 胡建鵬. 基于Portal的統(tǒng)一身份認證與系統(tǒng)集成研究[J].計算機工程與科學， 2010，32（12）： 30-33.

[2] 吳茂傳，郭陽，胡昌平.基于Web的單點登錄技術(shù)在企業(yè)集成中的應(yīng)用[J].淮海工學院學報（自然科學版）， 2008，17（1）：29-32.

篇6

關(guān)鍵詞：電子科學與技術(shù)；本科培養(yǎng)方案；課程設(shè)置；辦學特色

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）30-0070-02

21世紀被稱為信息時代，電子科學與技術(shù)在信息、能源、材料、航天、生命、環(huán)境、軍事和民用等科技領(lǐng)域?qū)@得更廣泛的應(yīng)用，必然導致電子科學與技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。這種產(chǎn)業(yè)化趨勢反過來對本專業(yè)的鞏固、深化、提高和發(fā)展起到積極的促進作用，也對人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。因此，本文從人才的社會需求出發(fā)，結(jié)合我校實際情況，進行了本科專業(yè)培養(yǎng)方案的改革探索，并詳細介紹了培養(yǎng)方案的制定情況。

一、人才的社會需求情況

目前，我校電子科學與技術(shù)專業(yè)的本科畢業(yè)生主要面向長三角地區(qū)龐大的微電子、光電子、光伏和新能源行業(yè)，市場對專業(yè)人才的需求基本上是供不應(yīng)求的。但是也應(yīng)該注意到電子科學與技術(shù)產(chǎn)業(yè)的分布不均，分類較細，且發(fā)展變化較快。另外，電子科學與技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有多樣性，既有勞動密集型的大型企業(yè)、大公司，更多的是小公司和小企業(yè)；既有國有企業(yè)和私營企業(yè)，更有合資、獨資的外企。因此，社會需求與本專業(yè)畢業(yè)生的供需矛盾還會繼續(xù)存在。

二、專業(yè)的培養(yǎng)目標和定位

本專業(yè)培養(yǎng)具備微電子、光電子領(lǐng)域的寬厚專業(yè)基礎(chǔ)知識，熟練實驗技能，能掌握電子材料、電子器件、微電子和光電子系統(tǒng)的新工藝、新技術(shù)研究開發(fā)和設(shè)計技能，有較強的工程實踐能力，能夠在該領(lǐng)域從事各種電子材料、元器件、光電材料及器件、集成電路的設(shè)計、制造和相應(yīng)的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的研究、開發(fā)和管理工作工程技術(shù)人才。并且結(jié)合我?！按蠊こ逃^”人才培養(yǎng)特色，依據(jù)“卓越工程師”教育理念下工程技術(shù)型人才培養(yǎng)的原則，培養(yǎng)適應(yīng)微電子和新興光電行業(yè)乃至區(qū)域社會經(jīng)濟建設(shè)需求的工程技術(shù)型人才。

三、本科培養(yǎng)方案制定的思路

電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案參照工程教育認證的要求，以及專業(yè)下設(shè)微電子、光電子材料與器件兩個本科培養(yǎng)方向的思路制定。注重培養(yǎng)學生的專業(yè)基礎(chǔ)知識和實踐工程能力，使畢業(yè)生能滿足長三角地區(qū)微電子、光電子和新能源行業(yè)發(fā)展的需求。微電子方向的課程設(shè)置專注于電子材料與電子器件、集成電路與系統(tǒng)設(shè)計方面，光電子材料與器件方向則偏向于光電信息、光電材料與光電器件方面。

四、本科培養(yǎng)方案的改革探索

要實現(xiàn)電子科學與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標，適應(yīng)電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，并結(jié)合我校學科發(fā)展方向和特色，對電子科學與技術(shù)專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案進行了研究，并對省內(nèi)外幾所高校電子科學與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方案進行調(diào)研，最終形成了富有特色的電子科學與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，主要內(nèi)容如下：

1.培養(yǎng)方案的模塊化設(shè)計。在設(shè)計電子科學與技術(shù)專業(yè)本科培養(yǎng)方案的整體框架時，根據(jù)“加強基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、培養(yǎng)能力”和培養(yǎng)工程技術(shù)型人才的辦學理念下，專業(yè)培養(yǎng)方案分人文與社會科學、專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課三個模塊，下設(shè)微電子和光電子材料與器件兩個專業(yè)方向。學生在前兩年學習相同的課程，到大三時根據(jù)自己的興趣選擇專業(yè)方向，選修各自方向的專業(yè)課。由于兩個方向的不同培養(yǎng)要求，因此在專業(yè)基礎(chǔ)選修課、專業(yè)必修課和專業(yè)選修課方面設(shè)置限選模塊，每個專業(yè)方向必須修滿相應(yīng)的學分才能畢業(yè)。

2.改革專業(yè)基礎(chǔ)課程。專業(yè)基礎(chǔ)課程是為專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)，因此，在保留了原有電子信息類專業(yè)通常所開設(shè)的電子類課程外，增加了與專業(yè)相關(guān)的課程，如EDA技術(shù)、通信原理、數(shù)字信號處理、物理光學、應(yīng)用光學、激光原理與技術(shù)等課程，刪減了原先與物理類相關(guān)的一些課程，如物理學史、原子物理、熱力學與統(tǒng)計物理學等，并刪減了一些計算機軟件類課程，如C++程序設(shè)計、計算機在材料科學中的應(yīng)用等。專業(yè)基礎(chǔ)選修課程分方向限選模塊，兩個專業(yè)方向?qū)?yīng)有不同的專業(yè)基礎(chǔ)選修課程。

3.優(yōu)化專業(yè)課程。專業(yè)課程是整個專業(yè)教育中的主干部分，微電子方向的課程設(shè)置緊緊圍繞半導體和集成電路設(shè)計方向，開設(shè)有集成電路設(shè)計、微電子工藝原理與技術(shù)、工藝與器件可靠性分析、半導體測試技術(shù)、現(xiàn)代電子材料及元器件、集成電路工藝與器件模擬等課程。光電子材料與器件方向圍繞光電材料和光纖通信方向，開設(shè)光電子材料與器件、光電檢測原理與技術(shù)、太陽能電池原理與技術(shù)、光纖傳感原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)等課程。另外專業(yè)課程里面還設(shè)置有專業(yè)實驗，通過加強實驗環(huán)節(jié)，訓練學生的動手操作能力，增強學生的理論知識。

五、與省內(nèi)外專業(yè)人才培養(yǎng)的區(qū)別

具有電子科學與技術(shù)專業(yè)的各大高校分布在不同的地區(qū)，服務(wù)于不同的區(qū)域經(jīng)濟，這就要求專業(yè)學生的培養(yǎng)具有區(qū)域化、差異化。我們分析了杭州電子科技大學、浙江工業(yè)大學、蘇州大學、南京理工大學和徐州工程學院這五所不同地區(qū)、不同層次高校的電子科學與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方案。不僅使我們能學習到其他高校的先進辦學理念、合理的課程設(shè)置體系，也可以發(fā)現(xiàn)與其他高校之間的差異。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

1.專業(yè)定位。各個學校的電子科學與技術(shù)專業(yè)依據(jù)自身的師資力量、辦學條件、區(qū)域經(jīng)濟要求確定專業(yè)的發(fā)展定位。杭州電子科技大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)依托1個教育部重點實驗室、2個國家級實驗教學示范中心、3個省部級重點實驗室，人才培養(yǎng)定位于能從事電子元器件、電子電路乃至電子集成系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)等方面工作的工程技術(shù)人才。浙江工業(yè)大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)光通信、電子電路系統(tǒng)、集成電路設(shè)計等方面的人才。蘇州大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)定位在培養(yǎng)能夠在電路與系統(tǒng)、集成電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域從事各類系統(tǒng)級、板級和芯片級研發(fā)工作的高級工程技術(shù)人才。南京理工大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)主要是突出光電技術(shù)和微電子與信息處理學科的交叉和融合，以光電成像探測理論與技術(shù)及微電子理論與技術(shù)為專業(yè)特色。徐州工程學院的電子科學與技術(shù)專業(yè)主要定位在培養(yǎng)能從事光電子材料與器件開發(fā)的工程技術(shù)人才。而我校的電子科學與技術(shù)專業(yè)定位于服務(wù)長三角地區(qū)半導體和新能源行業(yè)，培養(yǎng)能從事集成電路設(shè)計與開發(fā)、光電子材料與器件的研發(fā)等工作的工程技術(shù)人才。

2.課程體系。杭州電子科技大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)學生設(shè)計、開發(fā)電子元器件、電子電路系統(tǒng)、電子集成系統(tǒng)的能力，在課程設(shè)置上開設(shè)了通信電子電路、EDA技術(shù)、薄膜物理與技術(shù)、電子材料與電子器件、電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐、集成電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用、現(xiàn)代DSP技術(shù)及應(yīng)用等專業(yè)課程。浙江工業(yè)大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)學生設(shè)計、開發(fā)電子電路系統(tǒng)、集成電路系統(tǒng)的能力，開設(shè)了電路原理、模電數(shù)電、通信電子線路、集成電路設(shè)計、光纖通信原理、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字信號處理等專業(yè)課程，以及電子線路CAD實驗、單片機綜合實驗、通信原理實驗、通信電子線路大型實驗、微電子基礎(chǔ)實驗、半導體器件仿真大型實驗、集成電路設(shè)計大型實驗等實驗類課程。蘇州大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)學生設(shè)計與開發(fā)電路與系統(tǒng)、集成電路與系統(tǒng)，從事各類系統(tǒng)級、板級和芯片級研發(fā)工作的能力，開設(shè)了信號與系統(tǒng)、電磁場與電磁波、高頻電路設(shè)計與制作、電子線路CAD、CMOS模擬集成電路設(shè)計、VLSI設(shè)計基礎(chǔ)等專業(yè)課程，以及電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、信號與電路基礎(chǔ)實驗、電子線路實驗、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗等實驗類課程。南京理工大學培養(yǎng)學生從事光電子器件、光電系統(tǒng)和集成電路的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用的能力，開設(shè)了信號與系統(tǒng)、光學、光電信號處理、光輻射測量、光電子器件、光電成像技術(shù)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計、光電子技術(shù)、顯示技術(shù)、光電檢測技術(shù)、數(shù)字圖像處理、半導體集成電路、集成電路測試技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子線路、電視原理等專業(yè)課程。徐州工程學院的電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)學生設(shè)計與開發(fā)光電子材料與器件的能力，開設(shè)有信號與系統(tǒng)、光電子學、光電子技術(shù)、激光原理與技術(shù)、光伏材料等專業(yè)課程，以及模擬電路課程設(shè)計、數(shù)字電路課程設(shè)計、單片機原理課程設(shè)計等實踐性課程。我校的電子科學與技術(shù)專業(yè)主要培養(yǎng)學生集成電路設(shè)計、光電子材料與器件的設(shè)計與制備能力，開設(shè)有半導體物理學、半導體器件原理、MEMS技術(shù)、微電子工藝原理與技術(shù)、薄膜材料及制備技術(shù)、工藝與器件可靠性分析、集成電路工藝與器件模擬、EDA技術(shù)、通信原理、數(shù)字信號處理、光電子材料與器件、光電檢測原理與技術(shù)、太陽能電池原理與技術(shù)、光纖通信技術(shù)等專業(yè)課程，以及近代物理實驗、專業(yè)實驗等實驗類課程。

3.人才培養(yǎng)特色。杭州電子科技大學的電子科學與技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)特色是注重集成電路設(shè)計、系統(tǒng)集成方面能力的培養(yǎng)。浙江工業(yè)大學的人才培養(yǎng)注重光纖通信、集成電路設(shè)計方面能力的培養(yǎng)。蘇州大學的人才培養(yǎng)注重電路與系統(tǒng)設(shè)計、集成電路與系統(tǒng)設(shè)計方面能力的培養(yǎng)。南京理工大學的人才培養(yǎng)注重光電技術(shù)和微電子與信息處理學科的交叉和融合，以光電成像探測理論與技術(shù)及微電子理論與技術(shù)為專業(yè)特色。徐州工程學院的人才培養(yǎng)注重光電材料與器件方面能力的培養(yǎng)。我校的人才培養(yǎng)注重電子材料與電子器件的設(shè)計與開發(fā)、集成電路設(shè)計方面能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

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篇7

集成電路設(shè)計公司在招聘版圖設(shè)計員工時，除了對員工的個人素質(zhì)和英語的應(yīng)用能力等要求之外，大部分是考查專業(yè)應(yīng)用的能力。一般都會對新員工做以下要求：熟悉半導體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝；熟悉集成電路（數(shù)字、模擬）設(shè)計，了解電路原理，設(shè)計關(guān)鍵點；熟悉Foundry廠提供的工藝參數(shù)、設(shè)計規(guī)則；掌握主流版圖設(shè)計和版圖驗證相關(guān)EDA工具；完成手工版圖設(shè)計和工藝驗證[1，2]。另外，公司希望合格的版圖設(shè)計人員除了懂得IC設(shè)計、版圖設(shè)計方面的專業(yè)知識，還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關(guān)知識[3]。正因為其需要掌握的知識面廣，而國內(nèi)學校開設(shè)這方面專業(yè)比較晚，IC版圖設(shè)計工程師的人才缺口更為巨大，所以擁有一定工作經(jīng)驗的設(shè)計工程師，就成為各設(shè)計公司和獵頭公司爭相角逐的人才[4，5]。

二、針對企業(yè)要求的版圖設(shè)計教學規(guī)劃

1.數(shù)字版圖設(shè)計。數(shù)字集成電路版圖設(shè)計是由自動布局布線工具結(jié)合版圖驗證工具實現(xiàn)的。自動布局布線工具加載準備好的由verilog程序經(jīng)過DC綜合后的網(wǎng)表文件與Foundry提供的數(shù)字邏輯標準單元版圖庫文件和I/O的庫文件，它包括物理庫、時序庫、時序約束文件。在數(shù)字版圖設(shè)計時，一是熟練使用自動布局布線工具如Encounter、Astro等，鑒于很少有學校開設(shè)這門課程，可以推薦學生自學或是參加專業(yè)培訓。二是數(shù)字邏輯標準單元版圖庫的設(shè)計，可以由Foundry廠提供，也可由公司自定制標準單元版圖庫，因此對于初學者而言設(shè)計好標準單元版圖使其符合行業(yè)規(guī)范至關(guān)重要。2.模擬版圖設(shè)計。在模擬集成電路設(shè)計中，無論是CMOS還是雙極型電路，主要目標并不是芯片的尺寸，而是優(yōu)化電路的性能，匹配精度、速度和各種功能方面的問題。作為版圖設(shè)計者，更關(guān)心的是電路的性能，了解電壓和電流以及它們之間的相互關(guān)系，應(yīng)當知道為什么差分對需要匹配，應(yīng)當知道有關(guān)信號流、降低寄生參數(shù)、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎(chǔ)上去優(yōu)化尺寸的，面積在某種程度上說仍然是一個問題，但不再是壓倒一切的問題。在模擬電路版圖設(shè)計中，性能比尺寸更重要。另外，模擬集成電路版圖設(shè)計師作為前端電路設(shè)計師的助手，經(jīng)常需要與前端工程師交流，看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導線是否有大電流流過等，這就要求版圖設(shè)計師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。3.逆向版圖設(shè)計。集成電路逆向設(shè)計其實就是芯片反向設(shè)計。它是通過對芯片內(nèi)部電路的提取與分析、整理，實現(xiàn)對芯片技術(shù)原理、設(shè)計思路、工藝制造、結(jié)構(gòu)機制等方面的深入洞悉。因此，對工藝了解的要求更高。反向設(shè)計流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗證、電路調(diào)整、版圖提取整理、版圖繪制驗證及后仿真等。設(shè)計公司對反向版圖設(shè)計的要求較高，版圖設(shè)計工作還涵蓋了電路提取與整理，這就要求版圖設(shè)計師不僅要深入了解工藝流程；而且還要熟悉模擬電路和數(shù)字標準單元電路工作原理。

三、教學實現(xiàn)

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技術(shù)領(lǐng)先　產(chǎn)品接近國際先進水平

七星電子是我國集成電路制造設(shè)備的領(lǐng)先企業(yè)，近年來通過自主研發(fā)以及與國際國內(nèi)著名廠商、科研院所合作，同類產(chǎn)品性能逐步接近國際先進水平。公司生產(chǎn)的擴散系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、氣體質(zhì)量流量計等集成電路工藝設(shè)備已成功裝備多條集成電路生產(chǎn)線，產(chǎn)品已在國內(nèi)6英寸IC生產(chǎn)線得到廣泛應(yīng)用。在混合集成電路和電子元件開發(fā)能力、科技人員的技術(shù)水平、試驗設(shè)備的配套及數(shù)量等方面居于國內(nèi)前列。同時，公司從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、配套能力、產(chǎn)品實物質(zhì)量、品牌效應(yīng)方面在國內(nèi)也處于領(lǐng)先地位。七星電子是國內(nèi)唯一一家具有8英寸立式擴散爐和8英寸清洗設(shè)備生產(chǎn)能力的公司，生產(chǎn)的8英寸生產(chǎn)線設(shè)備開始進入國內(nèi)主流IC生產(chǎn)線。公司目前正進行12英寸90/65納米清洗機、擴散爐和質(zhì)量流量計等集成電路設(shè)備的研發(fā)。七星電子所生產(chǎn)的擴散設(shè)備和清洗設(shè)備均是集成電路制造工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，產(chǎn)品用量大，技術(shù)含量高。公司開發(fā)的清洗設(shè)備產(chǎn)品已在集成電路生產(chǎn)線、集成電路材料、光電子行業(yè)和電力電子行業(yè)上得到了應(yīng)用。

自主研發(fā)　為國防和航天事業(yè)作貢獻

七星電子在混合集成電路和電子元件領(lǐng)域積累了多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，通過承擔軍品科研任務(wù)形成了豐富的技術(shù)儲備，產(chǎn)品的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的高精密、高可靠特性以及能夠達到特定的技術(shù)指標等等。公司在國內(nèi)軍用混合集成電路以及高精密阻容元件的生產(chǎn)上，具備領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢。公司擁有九條生產(chǎn)線符合軍工生產(chǎn)標準，生產(chǎn)的混合集成電路、高可靠高穩(wěn)定電阻器、固體鉭電容器、石英晶體器件等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于軍工行業(yè)。公司還在軍工科研方面取得多項重大成果，為中國的國防和航天事業(yè)作出了顯著的貢獻，2006年被總裝備部、國防科工委及信息產(chǎn)業(yè)部三部委聯(lián)合評為“十五”軍用電子元器件科研生產(chǎn)先進單位，獲得信息產(chǎn)業(yè)部授予“軍工電子質(zhì)量年活動先進單位”。信息產(chǎn)業(yè)部軍工電子局還先后多次對七星電子成功研制“集成電路設(shè)備工程”給予了獎勵，中國空間技術(shù)研究院、中國運載火箭技術(shù)研究院、中國載人航天工程辦公室、信息產(chǎn)業(yè)部、中國航--天科技集團公司等單位先后對七星電子在“神舟五號”、“神舟六號”、“神舟七號”載人飛船及“嫦娥一號”發(fā)射成功中作出的貢獻給予了各種獎勵，肯定了七星電子為中國航天事業(yè)中做出的貢獻。

政策支持　市場前景良好

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關(guān)鍵詞：集成電路EDA 課程改革 教學內(nèi)容

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼： A 文章編號：1672-1578（2013）10-0029-01

1 引言

高職教育的目的是使學生獲得從事某個職業(yè)所需的實際技能和知識，具備進入崗位所需的能力與資格，并且應(yīng)當具備良好的職業(yè)道德和熟練的職業(yè)技能，走上職業(yè)崗位之后能夠勝任崗位，并有后續(xù)發(fā)展能力。然而，鑒于多方面因素，高職教育的教學質(zhì)量不斷下降，高職學生職業(yè)能力的欠缺直接影響了就業(yè)。因此，高職院校必須進行課程改革，構(gòu)建符合高職教育規(guī)律、適應(yīng)高職課程的教學模式。下面，筆者就簡單談?wù)勎以杭呻娐稥DA課程改革的情況。

2 課程定位

集成電路EDA技術(shù)是集成電路及電子系統(tǒng)設(shè)計的綜合技術(shù)，是現(xiàn)代科技創(chuàng)新和IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。該課程作為高等職業(yè)院校微電子專業(yè)的一門重要的主干專業(yè)課程，緊扣專業(yè)理論和生產(chǎn)實踐需求，具有較強的崗位實踐操作技能，是電子類專業(yè)畢業(yè)生必須具備的專業(yè)技能之一；而且該課程能貫穿整個專業(yè)教學環(huán)節(jié)，掌握本課程能使學生更好地學習掌握其他專業(yè)課程。

3 課程設(shè)計理念

按照“基于工作過程”的課程開發(fā)體系進行課改，重視職業(yè)技能的訓練，充分體現(xiàn)以應(yīng)用型技術(shù)人才為培養(yǎng)目標；形成以行業(yè)需求為導向，以職業(yè)實踐為主線，“教、學、做一體化”的專業(yè)課程體系；構(gòu)建工學結(jié)合的高職課程開發(fā)模式，落實“強化實踐、重在應(yīng)用”，著重 “職業(yè)能力” 培養(yǎng)的指導思想。通過典型的實踐項目課題，多樣化的教學方法，形成實踐教學和工作過程一體化、課堂與生產(chǎn)線一體化、實踐教學與培養(yǎng)崗位能力一體化，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生將學到的知識應(yīng)用于實踐中，加強課程知識點的連接，充分體現(xiàn)EDA技術(shù)在電子電路實際設(shè)計中的應(yīng)用，使課程教學真正體現(xiàn)實踐性、應(yīng)用性。

4 改革目標

目前，集成電路EDA設(shè)計工具主要市場份額為美國的Cadence、Synopsys和Mentor等少數(shù)企業(yè)所壟斷。我院該課程采用的是Tanner Pro 軟件，在教學過程中，以職業(yè)實踐為主線，通過課程改革，逐步實現(xiàn)“教、學、做一體化”的專業(yè)課程體系。通過對實用電路的設(shè)計，激發(fā)學生學習先進的電子電路設(shè)計技術(shù)的興趣，使學生掌握集成電路設(shè)計和布局圖設(shè)計的基本方法，了解IC組件庫的電路模型、符號模型的設(shè)計方法；能熟練創(chuàng)建電路文件、版圖文件，生成網(wǎng)表文件，進行電路仿真模擬，并熟悉電路與版圖對比方法；養(yǎng)成按規(guī)范進行集成電路設(shè)計與應(yīng)用，并按照企業(yè)規(guī)范設(shè)計版圖的職業(yè)素養(yǎng)；培養(yǎng)了學生使用現(xiàn)代先進設(shè)計工具的能力和團隊溝通能力，為以后工作打下一定的基礎(chǔ)。

5 教學內(nèi)容

隨著IC 技術(shù)的發(fā)展，對集成電路EDA課程教學內(nèi)容提出了更高的要求。這次為適應(yīng)科學技術(shù)的發(fā)展以及對人才培養(yǎng)的要求，我們走訪企業(yè)、征求用人單位意見，特別聘請企業(yè)專家進行技術(shù)指導，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標和就業(yè)崗位群，我們對EDA課程的教學進行了修訂，教學內(nèi)容進行了調(diào)整和充實。

為加強對學生實踐能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)，將EDA技術(shù)理論和實訓課單獨開設(shè)，促進了對學生實際動手能力和分析、設(shè)計能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，我們加重了設(shè)計性實驗、綜合實驗的分量，加強各種實踐環(huán)節(jié)，使學生通過理論課程的學習和實訓課程的實踐，基本掌握EDA技術(shù)，再通過相應(yīng)的課程設(shè)計將理論用于實踐，將理論與設(shè)計融為一體，使學生在畢業(yè)設(shè)計中，既能提高運用所學知識進行設(shè)計的能力，又能在這一過程中體會到理論設(shè)計與實際實現(xiàn)中的距離，鍛煉了學生分析問題、解決問題能力。

6 課程改革中的重點、難點及解決辦法

課改的重點：“基于工作過程”的項目式課程開發(fā)

難點：項目式教學內(nèi)容的確定，教材、教學設(shè)備的準備，學生對實際生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過程的體驗和學習，工程實際應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計。

解決方法：（1）采用全新的教學理念和教學方式，以“必須”“夠用”的原則組織教學內(nèi)容，將教學與EDA工程技術(shù)有機結(jié)合，設(shè)計由淺入深的實驗項目，以實現(xiàn)良好的教學效果。（2）根據(jù)課程實踐性強的特點，加強實驗室建設(shè)，提倡學生進行自主教學活動。（3）多方面綜合考慮，全面優(yōu)化教學效果。（4）加強校企合作，提高授課教師的理論水平和工程實踐能力，讓學生進入企業(yè)進行生產(chǎn)實習，將教學、實驗和科研緊密結(jié)合。

7 教學方法與手段

EDA技術(shù)涉及面廣、實踐性強，對教師和學生的要求較高。在EDA技術(shù)教學方法上，我們改變了過去以教師為中心、以課堂講授為主、以傳授知識為基本目的的傳統(tǒng)教學模式。采用教師講授與學生實踐相結(jié)合，理論知識與現(xiàn)實工程問題相結(jié)合的靈活的教學方式，留給學生充分的思考和實踐時間，鼓勵學生勤于思考，把握問題實質(zhì)，不斷提高自己解決實際問題的能力。把“教、學、做”一體化，體現(xiàn)到實處。

講課時突出重點、難點，注重知識點重組。教學中引入大量的EDA實際例題，重視培養(yǎng)學生的運用知識，解決實際問題的能力，充分調(diào)動了學生的學習積極性。

實踐表明，采用多元化的教學方法可以取得較好的效果。多元化教學方法包括：（1）交互討論教學法；（2）目標驅(qū)動教學法；（3）開放式自主實踐；（4）課外興趣小組；（5） 鼓勵學生參與大學生創(chuàng)新活動。

在課堂教學中，讓學生多實踐，多動腦、勤思考，才能發(fā)揮他們的學習主動性，起到良好的教學效果。

8 結(jié)語

通過課程改革，改變了常規(guī)的教學模式，以學生為主，教師為輔，再結(jié)合多種教學方式，以激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習能動性，并且重視學生的理論與實踐的結(jié)合能力，使學生深切感受到學有所用，大大提高了集成電路EDA課程的教學效果。

參考文獻：

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關(guān)鍵詞：快速啟動電路；欠壓保護；遲滯電壓

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

欠壓保護也稱低電壓保護[1，2]，是指集成電路中由于某種原因使得電源電壓值降低到一定的極限值時，欠壓保護電路能夠檢測到電源電壓較低，將芯片關(guān)斷并保持與電源的切斷狀態(tài)，待電源電壓恢復到一定的大小時，芯片可恢復工作。

欠壓保護電路是集成電路設(shè)計中必不可少的模塊，是保證系統(tǒng)在工作環(huán)境異常情況下能夠保持系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的欠壓保護電路[3]利用電阻對電源電壓進行分壓，將分壓后得到的電壓與參考電壓通過遲滯比較器進行比較，從而檢測電源電壓是否欠壓。因此，欠壓保護電路需要外部參考電壓，電路的獨立性較差；同時，引入遲滯比較器和電阻分壓電路，使得電路結(jié)構(gòu)變得復雜，也增大了電路的面積。

本文提出一種新型欠壓保護電路，電路不需要使用外部參考電壓[4]和遲滯比較器[5]，利用一種類似于帶隙基準PTAT電流源的電路結(jié)構(gòu)完成對電源電壓的檢測和比較；同時，巧妙地利用負反饋實現(xiàn)了電路對電壓檢測的遲滯功能；最后，電路設(shè)計了提高電路啟動速度的單元模塊電路，確保了欠壓保護電路在電源電壓恢復正常后電路能夠迅速正常工作。

一、欠壓保護電路分析與設(shè)計

新型欠壓保護電路的原理如圖2所示，電路主要由三部分組成：類帶隙基準PTAT電流源的電壓檢測電路；負反饋電路構(gòu)成的遲滯電路模塊；快速啟動電路。其中，電壓檢測電路由三極管Q1、Q2，電阻R1、R2、R5、R6、R7和MOS管MP1、MP2、（一）核心電路工作原理

在圖2所示的新型欠壓保護電路中，三極管Q1、Q2和電阻R1、R2構(gòu)成類似于帶隙基準電壓源的欠壓保護電路核心部分。三極管Q1的面積為Q2的n倍，三極管Q1和Q2的基極電位為電源電壓經(jīng)過分壓后得到的電壓VO1。

當電源電壓從零開始上升并達到一定的值之后，三極管Q1和Q2打開并流過電流，MOS管MP1、MP2，電阻R1、R2組成的電路正常工作。

（二）遲滯原理

為了避免當電源電壓大小在翻轉(zhuǎn)閾值電壓附近周圍變化時，欠壓保護電路的輸出結(jié)果在翻轉(zhuǎn)閾值周圍出現(xiàn)反復高頻變化，電路引入了正反饋電路，NMOS管MN3隨著輸出電平的高低導通或者關(guān)斷。

當電源電壓較低，輸出電平為低電平時，NMOS管MN3導通，此時

當VREF具有零溫度系數(shù)時，遲滯電壓 也具有零溫度系數(shù)，這也是本電路的優(yōu)點之一。

（三）快速啟動電路原理

在集成電路的設(shè)計中，欠壓保護電路作為集成電路的保護單元模塊，必須在電路整體啟動之前工作，因此保護電路的啟動速度必須得到重視。在以往的欠壓保護電路的設(shè)計中，一般只關(guān)注保護電路的自啟動問題，而忽略保護電路啟動速度的分析和優(yōu)化。

新型欠壓保護電路在不需要使用外部參考電壓的同時，優(yōu)化了電路的自啟動過程。當電源電壓VDD由低電平逐漸上升至高電平時，三極管Q3的基極與三極管Q4的集電極電位也隨之上升，三極管Q3優(yōu)先于三極管Q1和Q2導通，使得MP1柵極電位隨之下降。當電源電壓上升至一定大小時，Q1和Q2開始工作，MP1導通，電路正常工作，三極管Q3和Q4加快了電路寄生電容存儲電荷的泄放速度，加快了電路的啟動速度。同時，當電路正常工作時，Q1發(fā)射極電壓VE1上升，三極管Q3隨之關(guān)閉，快速啟動電路不再影響電路正常工作。

二、仿真結(jié)果與分析

三、結(jié)束語

本文設(shè)計的欠壓保護電路，充分利用了類帶隙基準PTAT電流源結(jié)構(gòu)中電源電壓大小對PTAT電流大小的影響，完成了電源電壓的檢測功能；利用電阻分壓原理來調(diào)整欠壓保護閾值，通過調(diào)節(jié)電阻分壓電路從而調(diào)整遲滯電壓閾值的大??；同時，優(yōu)化了啟動電路設(shè)計，電路具有啟動時間短的優(yōu)點。該電路使用較少的器件完成了整個電路的設(shè)計，在滿足高檢測精度的同時降低了功耗。

參考文獻：

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