摘要：   随着电子技术的快速发展，FPGA作为数字电路设计中最重要的成员，已经被设计者接受并成功应用到各个电子产业中。而各个FPGA半导体厂商推陈出新的产品特性，使得针对某一特定功能需求的性能得到最大程度的优化，同时兼顾通用性与灵活性的核心价值。

关键字：  医疗，  电子，  FPGA，  通信，  MCU

随着电子技术的快速发展，FPGA作为数字电路设计中最重要的成员，已经被设计者接受并成功应用到各个电子产业中。而各个FPGA半导体厂商推陈出新的产品特性，使得针对某一特定功能需求的性能得到最大程度的优化，同时兼顾通用性与灵活性的核心价值。可以相信，越来越多的应用设计工程师将更多意识到这一点并切实得到FPGA在产品设计中带来的益处。正是这种FPGA半导体厂商针对性的行业关注，FPGA的通用、灵活特性开始在功能实现上与产品设计的针对性需求找到切合点，这是一个全新的探索过程。

推动医疗电子应用发展

电子设计所要求的共性特征是早期FPGA进入医疗电子行业的公共途径。

相对于传统的FPGA优势领域，凸显出FPGA的某一或几个亮点特性，如通信对于FPGA的高速吞吐量的需求、汽车电子对于FPGA的高稳定性可靠性的需求、手持设备对于FPGA低功耗小体积的需求等，医疗电子的大多数需求似乎分布更加广泛，并且没有明显的行业特征，那么，电子设计所要求的共性特征是早期FPGA进入医疗电子行业的公共途径，也是最容易找到的途径。而事实上，医疗电子的最核心要求，才是值得进一步深入探索和研究的课题。

在过去的一年里，我们不断接触医疗电子设计师，并成功为国内最大的监护仪厂商之一的客户提供基于Microsemi FPGA的显示驱动以及接口扩展方案。由于监护仪的特性要求需要保证多路人体体征信号采集、处理、传送的同时，精确、美观的显示特定的波形信号。新的设计方案中以FPGA+MCU的结构替代单一MCU的方式，由FPGA完成分辨率为800×600的TFT屏驱动以及用于连接传感器探头的UART串行接口扩展，这样做的好处有几点：FPGA的并行处理和快速响应特性提高了多路信号采集的实时性和准确度;将重复性的屏幕刷新操作分离出来，显著减轻MCU的负担的同时，能够提高显示的质量，如灰度级、色度以及刷新率等;FPGA作为分担功能的协处理器控制方案中，MCU的选型要求放宽了，可以选择更低级别的MCU器件同样达到更好的产品整体性能，并平衡引入几万门规模的FPGA器件所带来的一小部分成本上升。我们同时为北方的一家医疗美容器械的企业提供了类似的方案。

同一客户的B超部门很快看到了FPGA的优越特性。结合B超的原理及需求，将FPGA引入作为前端阵元超声探头产生的数字波束接收、合成器很快就得到设计验证。对于具有128阵元和32收发通道的超声探头，FPGA负责同步处理32路ADC的数据，并根据回波响应的不同调整延时，达到波束聚焦的目的。这其中基于时钟的采样发生器是关键模块，FPGA内部的PLL锁相环为这一设计提供了核心优势，而同样的性能需求，传统设计中的MCU已经不再适合。

通过进一步总结发现，FPGA不仅要满足于医疗电子的技术应用需求，同时也要满足其产品特性的需要，甚至要求更加严苛的器件特性参数。Microsemi的ProASIC3系列器件之所以能够在GE医疗公司设计的超导核磁共振产品中运用到用于保护线圈的关键部位，除了FPGA本身快速响应、精准动作的性能之外，更重要的是基于Flash架构的ProASIC3系列器件，加之内部7层布线层，能够很好的抵御核磁共振运转时产生的强磁场。正是稳定可靠的特性保证了功能设计的实现，在保护这台价值上千万元的设备中起到关键的作用。

另一引人关注的应用是手持医疗设备。Microsemi公司FPGA产品仍然保持的Power Matters路线使可编程逻辑器件成为低功耗手持设备可能方案。其IGLOO系列能够为设计者提供最小3mm×3mm的极小封装、单芯片、低内核电压、最低静态功耗2uW的优秀特性指标，此系列器件已经在手机设计中得到的成功经验表明，Microsemi IGLOO器件已经瞄准了一切手持设备。可以预见，随着国内居民的保健意识增强和医疗水平的持续改善，家庭医疗设备在未来几年内必然迎来爆发性增长，新型的手持心电仪、血压计、血氧计等慢慢走向普通家庭，医疗设备开始向消费电子转变，其中器件的ASIC化趋势不可避免，而FPGA用以填补功能多样化的缺口是适合的，因为FPGA半导体厂商已经能够提供优秀的器件特性以及针对大批量消费级的价格。

丰富医疗行业多元化内涵

FPGA的通用性与灵活性为推动医疗行业的多元化发展起到了技术基础的作用。

除了以上传统的医疗电子之外，整个行业也在不断丰富其多元化的内涵，而FPGA的通用性与灵活性为适应并推动医疗行业的多元化发展起到了技术基础的作用。Microsemi公司去年推出的SmartFusion SoC器件在医疗电子中也找到了新的发展，在行业挖掘过程中，我们成功参与并协助客户设计了基于SmartFusion器件的生化分析仪，整个仪器使用到了SmartFusion器件内部的Cortex-M3内核作为主控单元，FPGA逻辑部分用以实现3路电机的精准控制，而器件自带有的多路ADC用于检测主板的参数以及3路电机的环路反馈。整个小体积器件可以使用单电源供电，并无需外部配置芯片，为仪器设计的模具节省了空间并通过内部AES加密机制使得知识产权得到有效保护。同时，低功耗的单颗器件替代了传统的主板分离元件，在仪器通过EMC试验和能耗测试时显现了优势。

同样的新探索在心理医疗中也有成功的应用。由中科院主持发起的心理医疗仪器研发，在其首款产品中引入FPGA的概念，依托于成熟的心理医疗理论，用电子测试的方式实现理论的判断。Microsemi公司提供的Fusion器件内部多大512KB的用户可用Flash Memory是关键的心理测试理论数据的载体，同时单芯片以及高度的安全机制，使得产品小巧的同时保护了这一份珍贵的知识产权。

总之，从电子角度来讲，医疗设备的本质是“医疗理论的一种载体”，电子技术的发展与医疗理论的结合是前提，从目前的应用需求来看，大多数医疗理论一旦用电子设计形式表示，就涉及较多的数据运算和数据处理，那么对于单一FPGA的设计来说，内嵌DSP以及MCU是合适的选择。这也同时与FPGA逐步走向SoC的大方向呼应起来。