FPGA推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)多元化發(fā)展

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，FPGA作為數(shù)字電路設(shè)計(jì)中最重要的成員，已經(jīng)被設(shè)計(jì)者接受并成功應(yīng)用到各個(gè)電子產(chǎn)業(yè)中。而各個(gè)FPGA半導(dǎo)體廠商推陳出新的產(chǎn)品特性，使得針對(duì)某一特定功能需求的性能得到最大程度的優(yōu)化，同時(shí)兼顧通用性與靈活性的核心價(jià)值?？梢韵嘈?，越來(lái)越多的應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師將更多意識(shí)到這一點(diǎn)并切實(shí)得到FPGA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中帶來(lái)的益處。正是這種FPGA半導(dǎo)體廠商針對(duì)性的行業(yè)關(guān)注，F(xiàn)PGA的通用、靈活特性開(kāi)始在功能實(shí)現(xiàn)上與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的針對(duì)性需求找到切合點(diǎn)，這是一個(gè)全新的探索過(guò)程。

推動(dòng)醫(yī)療電子應(yīng)用發(fā)展

電子設(shè)計(jì)所要求的共性特征是早期FPGA進(jìn)入醫(yī)療電子行業(yè)的公共途徑。

相對(duì)于傳統(tǒng)的FPGA優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，凸顯出FPGA的某一或幾個(gè)亮點(diǎn)特性，如通信對(duì)于FPGA的高速吞吐量的需求、汽車(chē)電子對(duì)于FPGA的高穩(wěn)定性可靠性的需求、手持設(shè)備對(duì)于FPGA低功耗小體積的需求等，醫(yī)療電子的大多數(shù)需求似乎分布更加廣泛，并且沒(méi)有明顯的行業(yè)特征，那么，電子設(shè)計(jì)所要求的共性特征是早期FPGA進(jìn)入醫(yī)療電子行業(yè)的公共途徑，也是最容易找到的途徑。而事實(shí)上，醫(yī)療電子的最核心要求，才是值得進(jìn)一步深入探索和研究的課題。

在過(guò)去的一年里，我們不斷接觸醫(yī)療電子設(shè)計(jì)師，并成功為國(guó)內(nèi)最大的監(jiān)護(hù)儀廠商之一的客戶(hù)提供基于Microsemi FPGA的顯示驅(qū)動(dòng)以及接口擴(kuò)展方案。由于監(jiān)護(hù)儀的特性要求需要保證多路人體體征信號(hào)采集、處理、傳送的同時(shí)，精確、美觀的顯示特定的波形信號(hào)。新的設(shè)計(jì)方案中以FPGA+MCU的結(jié)構(gòu)替代單一MCU的方式，由FPGA完成分辨率為800×600的TFT屏驅(qū)動(dòng)以及用于連接傳感器探頭的UART串行接口擴(kuò)展，這樣做的好處有幾點(diǎn)：FPGA的并行處理和快速響應(yīng)特性提高了多路信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度；將重復(fù)性的屏幕刷新操作分離出來(lái)，顯著減輕MCU的負(fù)擔(dān)的同時(shí)，能夠提高顯示的質(zhì)量，如灰度級(jí)、色度以及刷新率等；FPGA作為分擔(dān)功能的協(xié)處理器控制方案中，MCU的選型要求放寬了，可以選擇更低級(jí)別的 MCU器件同樣達(dá)到更好的產(chǎn)品整體性能，并平衡引入幾萬(wàn)門(mén)規(guī)模的FPGA器件所帶來(lái)的一小部分成本上升。我們同時(shí)為北方的一家醫(yī)療美容器械的企業(yè)提供了類(lèi)似的方案。

同一客戶(hù)的B超部門(mén)很快看到了FPGA的優(yōu)越特性。結(jié)合B超的原理及需求，將FPGA引入作為前端陣元超聲探頭產(chǎn)生的數(shù)字波束接收、合成器很快就得到設(shè)計(jì)驗(yàn)證。對(duì)于具有128陣元和32收發(fā)通道的超聲探頭，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)同步處理32路ADC的數(shù)據(jù)，并根據(jù)回波響應(yīng)的不同調(diào)整延時(shí)，達(dá)到波束聚焦的目的。這其中基于時(shí)鐘的采樣發(fā)生器是關(guān)鍵模塊，F(xiàn)PGA內(nèi)部的PLL鎖相環(huán)為這一設(shè)計(jì)提供了核心優(yōu)勢(shì)，而同樣的性能需求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的MCU已經(jīng)不再適合。

通過(guò)進(jìn)一步總結(jié)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA不僅要滿(mǎn)足于醫(yī)療電子的技術(shù)應(yīng)用需求，同時(shí)也要滿(mǎn)足其產(chǎn)品特性的需要，甚至要求更加嚴(yán)苛的器件特性參數(shù)。Microsemi的ProASIC3系列器件之所以能夠在GE醫(yī)療公司設(shè)計(jì)的超導(dǎo)核磁共振產(chǎn)品中運(yùn)用到用于保護(hù)線(xiàn)圈的關(guān)鍵部位，除了FPGA本身快速響應(yīng)、精準(zhǔn)動(dòng)作的性能之外，更重要的是基于Flash架構(gòu)的ProASIC3系列器件，加之內(nèi)部7層布線(xiàn)層，能夠很好的抵御核磁共振運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。正是穩(wěn)定可靠的特性保證了功能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，在保護(hù)這臺(tái)價(jià)值上千萬(wàn)元的設(shè)備中起到關(guān)鍵的作用。

另一引人關(guān)注的應(yīng)用是手持醫(yī)療設(shè)備。Microsemi公司FPGA產(chǎn)品仍然保持的Power Matters路線(xiàn)使可編程邏輯器件成為低功耗手持設(shè)備可能方案。其IGLOO系列能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供最小3mm×3mm的極小封裝、單芯片、低內(nèi)核電壓、最低靜態(tài)功耗2uW的優(yōu)秀特性指標(biāo)，此系列器件已經(jīng)在手機(jī)設(shè)計(jì)中得到的成功經(jīng)驗(yàn)表明，Microsemi IGLOO器件已經(jīng)瞄準(zhǔn)了一切手持設(shè)備?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著國(guó)內(nèi)居民的保健意識(shí)增強(qiáng)和醫(yī)療水平的持續(xù)改善，家庭醫(yī)療設(shè)備在未來(lái)幾年內(nèi)必然迎來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)，新型的手持心電儀、血壓計(jì)、血氧計(jì)等慢慢走向普通家庭，醫(yī)療設(shè)備開(kāi)始向消費(fèi)電子轉(zhuǎn)變，其中器件的ASIC化趨勢(shì)不可避免，而FPGA用以填補(bǔ)功能多樣化的缺口是適合的，因?yàn)镕PGA半導(dǎo)體廠商已經(jīng)能夠提供優(yōu)秀的器件特性以及針對(duì)大批量消費(fèi)級(jí)的價(jià)格。
豐富醫(yī)療行業(yè)多元化內(nèi)涵

FPGA的通用性與靈活性為推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的多元化發(fā)展起到了技術(shù)基礎(chǔ)的作用。

除了以上傳統(tǒng)的醫(yī)療電子之外，整個(gè)行業(yè)也在不斷豐富其多元化的內(nèi)涵，而FPGA的通用性與靈活性為適應(yīng)并推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的多元化發(fā)展起到了技術(shù)基礎(chǔ)的作用。Microsemi公司去年推出的SmartFusion SoC器件在醫(yī)療電子中也找到了新的發(fā)展，在行業(yè)挖掘過(guò)程中，我們成功參與并協(xié)助客戶(hù)設(shè)計(jì)了基于SmartFusion器件的生化分析儀，整個(gè)儀器使用到了SmartFusion器件內(nèi)部的Cortex-M3內(nèi)核作為主控單元，F(xiàn)PGA邏輯部分用以實(shí)現(xiàn)3路電機(jī)的精準(zhǔn)控制，而器件自帶有的多路ADC用于檢測(cè)主板的參數(shù)以及3路電機(jī)的環(huán)路反饋。整個(gè)小體積器件可以使用單電源供電，并無(wú)需外部配置芯片，為儀器設(shè)計(jì)的模具節(jié)省了空間并通過(guò)內(nèi)部AES加密機(jī)制使得知識(shí)產(chǎn)權(quán)得到有效保護(hù)。同時(shí)，低功耗的單顆器件替代了傳統(tǒng)的主板分離元件，在儀器通過(guò)EMC試驗(yàn)和能耗測(cè)試時(shí)顯現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。

同樣的新探索在心理醫(yī)療中也有成功的應(yīng)用。由中科院主持發(fā)起的心理醫(yī)療儀器研發(fā)，在其首款產(chǎn)品中引入FPGA的概念，依托于成熟的心理醫(yī)療理論，用電子測(cè)試的方式實(shí)現(xiàn)理論的判斷。Microsemi公司提供的Fusion器件內(nèi)部多大512KB的用戶(hù)可用Flash Memory是關(guān)鍵的心理測(cè)試?yán)碚摂?shù)據(jù)的載體，同時(shí)單芯片以及高度的安全機(jī)制，使得產(chǎn)品小巧的同時(shí)保護(hù)了這一份珍貴的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

總之，從電子角度來(lái)講，醫(yī)療設(shè)備的本質(zhì)是“醫(yī)療理論的一種載體”，電子技術(shù)的發(fā)展與醫(yī)療理論的結(jié)合是前提，從目前的應(yīng)用需求來(lái)看，大多數(shù)醫(yī)療理論一旦用電子設(shè)計(jì)形式表示，就涉及較多的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，那么對(duì)于單一FPGA的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，內(nèi)嵌DSP以及MCU是合適的選擇。這也同時(shí)與FPGA逐步走向 SoC的大方向呼應(yīng)起來(lái)。