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

推動醫(yī)療電子應(yīng)用發(fā)展

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

相對于傳統(tǒng)的FPGA優(yōu)勢領(lǐng)域，凸顯出FPGA的某一或幾個亮點特性，如通信對于FPGA的高速吞吐量的需求、汽車電子對于FPGA的高穩(wěn)定性可靠性的需求、手持設(shè)備對于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，并且沒有明顯的行業(yè)特征，那么，電子設(shè)計所要求的共性特征是早期FPGA進入醫(yī)療電子行業(yè)的公共途徑，也是最容易找到的途徑。而事實上，醫(yī)療電子的最核心要求，才是值得進一步深入探索和研究的課題。

在過去的一年里，我們不斷接觸醫(yī)療電子設(shè)計師，并成功為國內(nèi)最大的監(jiān)護儀廠商之一的客戶提供基于Microsemi FPGA的顯示驅(qū)動以及接口擴展方案。由于監(jiān)護儀的特性要求需要保證多路人體體征信號采集、處理、傳送的同時，精確、美觀的顯示特定的波形信號。新的設(shè)計方案中以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)動以及用于連接傳感器探頭的UART串行接口擴展，這樣做的好處有幾點：FPGA的并行處理和快速響應(yīng)特性提高了多路信號采集的實時性和準確度；將重復(fù)性的屏幕刷新操作分離出來，顯著減輕MCU的負擔的同時，能夠提高顯示的質(zhì)量，如灰度級、色度以及刷新率等；FPGA作為分擔功能的協(xié)處理器控制方案中，MCU的選型要求放寬了，可以選擇更低級別的 MCU器件同樣達到更好的產(chǎn)品整體性能，并平衡引入幾萬門規(guī)模的FPGA器件所帶來的一小部分成本上升。我們同時為北方的一家醫(yī)療美容器械的企業(yè)提供了類似的方案。

同一客戶的B超部門很快看到了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)計驗證。對于具有128陣元和32收發(fā)通道的超聲探頭，F(xiàn)PGA負責同步處理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，達到波束聚焦的目的。這其中基于時鐘的采樣發(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)計提供了核心優(yōu)勢，而同樣的性能需求，傳統(tǒng)設(shè)計中的MCU已經(jīng)不再適合。

通過進一步總結(jié)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA不僅要滿足于醫(yī)療電子的技術(shù)應(yīng)用需求，同時也要滿足其產(chǎn)品特性的需要，甚至要求更加嚴苛的器件特性參數(shù)。Microsemi的ProASIC3系列器件之所以能夠在GE醫(yī)療公司設(shè)計的超導(dǎo)核磁共振產(chǎn)品中運用到用于保護線圈的關(guān)鍵部位，除了FPGA本身快速響應(yīng)、精準動作的性能之外，更重要的是基于Flash架構(gòu)的ProASIC3系列器件，加之內(nèi)部7層布線層，能夠很好的抵御核磁共振運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的強磁場。正是穩(wěn)定可靠的特性保證了功能設(shè)計的實現(xiàn)，在保護這臺價值上千萬元的設(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系列能夠為設(shè)計者提供最小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，此系列器件已經(jīng)在手機設(shè)計中得到的成功經(jīng)驗表明，Microsemi IGLOO器件已經(jīng)瞄準了一切手持設(shè)備?？梢灶A(yù)見，隨著國內(nèi)居民的保健意識增強和醫(yī)療水平的持續(xù)改善，家庭醫(yī)療設(shè)備在未來幾年內(nèi)必然迎來爆發(fā)性增長，新型的手持心電儀、血壓計、血氧計等慢慢走向普通家庭，醫(yī)療設(shè)備開始向消費電子轉(zhuǎn)變，其中器件的ASIC化趨勢不可避免，而FPGA用以填補功能多樣化的缺口是適合的，因為FPGA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大批量消費級的價格。
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)挖掘過程中，我們成功參與并協(xié)助客戶設(shè)計了基于SmartFusion器件的生化分析儀，整個儀器使用到了SmartFusion器件內(nèi)部的Cortex-M3內(nèi)核作為主控單元，F(xiàn)PGA邏輯部分用以實現(xiàn)3路電機的精準控制，而器件自帶有的多路ADC用于檢測主板的參數(shù)以及3路電機的環(huán)路反饋。整個小體積器件可以使用單電源供電，并無需外部配置芯片，為儀器設(shè)計的模具節(jié)省了空間并通過內(nèi)部AES加密機制使得知識產(chǎn)權(quán)得到有效保護。同時，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EMC試驗和能耗測試時顯現(xiàn)了優(yōu)勢。

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，用電子測試的方式實現(xiàn)理論的判斷。Microsemi公司提供的Fusion器件內(nèi)部多大512KB的用戶可用Flash Memory是關(guān)鍵的心理測試理論數(shù)據(jù)的載體，同時單芯片以及高度的安全機制，使得產(chǎn)品小巧的同時保護了這一份珍貴的知識產(chǎn)權(quán)。

總之，從電子角度來講，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)用需求來看，大多數(shù)醫(yī)療理論一旦用電子設(shè)計形式表示，就涉及較多的數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)處理，那么對于單一FPGA的設(shè)計來說，內(nèi)嵌DSP以及MCU是合適的選擇。這也同時與FPGA逐步走向 SoC的大方向呼應(yīng)起來。