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La progettazione degli odierni

dispositivi medicali indossabili

ltre a dover gestire la aumentata complessità dei progetti, gli svilup-

patori del software applicativo devono fare i conti con la necessità

di una piattaforma che sia veloce, flessibile, leggera e conveniente.

L’evoluzione degli odierni apparecchi medicali portatili è rapidissima; in-

teressa sistemi che spaziano dai dispositivi indossabili più semplici, quali

braccialetti o altri oggetti wireless di piccole dimensioni, fino ai più volu-

minosi e complessi dispositivi mobili di tipo palmare. Indipendentemente

dalla tipologia di apparecchiatura indossabile che si intende realizzare, per

garantirne il successo è indispensabile valutarne attentamente lo scenario

d’uso in termini più ampi – che includono sia l’utilizzo da parte dell’utente

finale, sia il processo di progettazione, di sviluppo e di collaudo.

Il nodo cruciale della questione: il sistema operativo

I dispositivi medicali indossabili sono solitamente gestiti mediante un qual-

che tipo di Sistema Operativo (OS). Gli OS sono i più vari: dal più semplice

e dedicato, creato appositamente “in casa”, al più complesso e universale,

acquistato da un produttore specializzato. Un RTOS (Real-Time Operating

System) solitamente rappresenta, per i dispositivi indossabili, la scelta idea-

le. Un RTOS è infatti la scelta più adatta quando gli specifici requisiti imposti

dal sistema richiedano le caratteristiche di un kernel preemptive di tipo de-

terministico, unitamente a una ridotta occupazione di memoria. Un impor-

tante vantaggio offerto da un ambiente RTOS consiste nella possibilità di

considerare lo strato di Application Programming Interface (API) dell’RTOS

come se fosse la macchina target, sviluppando le applicazioni nel rispetto

di quelle specifiche. Al di sotto di tale strato dell’RTOS, l’adattamento al par-

ticolare hardware fisico presente è realizzato dal middleware incorporato

e dall’insieme dei driver delle periferiche. Un’applicazione correttamente

progettata può comunque anche adattarsi ai particolari dettagli della sotto-

stante istanziazione di una specifica versione del prodotto finale. Tale adat-

tamento può essere realizzato sia mediante una valutazione dinamica, a

runtime, delle funzionalità presenti, sia mediante l’abilitazione di specifiche

opzioni di build, in fase di compilazione e di linking. I dispositivi più piccoli,

alimentati a batteria, richiedono la realizzazione di codice estremamente

efficiente, con consumi minimizzati delle risorse e orientato all’utilizzo delle

modalità di risparmio energetico offerte dall’hardware. L’RTOS Nucleus®

Mentor Graphics

consente alle applicazioni non solo di poter scegliere

all’interno di una ampia varietà di combinazioni di periferiche disponi-

bili, ma anche di essere facilmente trasportabili su diverse architetture,

famiglie e modelli di processori. La durata della batteria costituisce natu-

ralmente un aspetto critico per qualsiasi dispositivo medicale indossabi-

le. I moderni processori oggi disponibili offrono una ricchissima varietà

di efficaci meccanismi per il risparmio energetico. Sfortunatamente, tali

meccanismi sono alquanto complessi e spesso estremamente interdi-

pendenti, sia tra di loro che con altri componenti del sistema. Tutto ciò

impone uno sforzo eccessivo allo sviluppatore applicativo, già gravato da

una notevole responsabilità per il solo compito di implementare corretta-

mente le funzionalità dell’applicazione target. La soluzione a tale proble-

ma consiste nello sviluppo dell’applicazione su una piattaforma software

che incorpori le funzionalità di power management, esponendole come

se fossero una parte integrale dell’ambiente. La maggior parte degli RTOS

mettono a disposizione qualche meccanismo di power management, il

più comune dei quali è la “tick suppression”. Sono tuttavia necessari an-

che altri metodi, più sofisticati. Attualmente solo l’RTOS Nucleus garanti-

sce il supporto integrato di tutti gli aspetti di risparmio energetico offerti

dai dispositivi, ivi incluso il DVFS (Dynamic Voltage Frequency Scaling),

nonché il pieno controllo di tutti i power level delle periferiche, con tutte

le interazioni tra le periferiche stesse e il periodo di clock del core di

sistema (Fig. 1).

La necessità di un RTOS “full-featured”

I componenti critici di qualsiasi moderno dispositivo medicale indossa-

bile sono: l’utilizzo di hardware “power-aware”, un sistema operativo fles-

sibile, nonché una gamma completa di opzioni di connettività. La piatta-

forma deve garantire al dispositivo la possibilità di connettersi al resto

del mondo utilizzando qualsiasi metodologia attualmente disponibile – e

anche quelle non ancora immaginate. Le piattaforme “complete” standard

che consentono tutto ciò (come Windows, Android, iOS, Linux, e altre) im-

pongono tuttavia limitazioni troppo pesanti riguardo ai requisiti hardware

minimi necessari per la loro esecuzione. L’unica soluzione concretamente

utilizzabile al momento è rappresentata da un ambiente RTOS estrema-

mente adattabile ed estensibile, in grado di coprire l’ampio spettro di sce-

nari alternativi che vanno dalla sostituzione del “bare metal” (l’accesso

diretto all’hardware dedicato) fino a offrire funzionalità analoghe a quelle

della fascia bassa dei sistemi operativi “full-featured”.

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MENTOR GRAPHICS

Fig. 1 – Per i dispositivi medicali indossabili, il power management di

Nucleus semplifica l’utilizzo delle funzionalità di risparmio energetico

- ELETTRONICA OGGI 449 - OTTOBRE 2015