產(chǎn)品上市時間對于醫(yī)療產(chǎn)品至關(guān)重要。產(chǎn)品發(fā)布時間差幾個月會對項目投資收益率 (ROI) 產(chǎn)生極大的影響，可能會損失收益，也可能會錯過產(chǎn)品上市的最佳時機。但是，另一方面，醫(yī)療成像系統(tǒng)開發(fā)人員還必須使用最新的技術(shù)，讓系統(tǒng)擁有優(yōu)異的模擬性能、復(fù)合信號處理與可視化，并利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和更多的通道數(shù)目，獲得較高的數(shù)據(jù)吞吐量。
要求產(chǎn)品快速上市的同時又要使用新技術(shù)，這給產(chǎn)品設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。但是，現(xiàn)在新出現(xiàn)的一些工具可以幫助工程師們迅速地讓新的設(shè)計轉(zhuǎn)入樣機制造，并使其系統(tǒng)達到最佳性能。這些工具幫助開發(fā)人員使用可重配置現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 技術(shù)和面向應(yīng)用型集成模擬前端 (AFE)，并結(jié)合靈活的集成平臺，更加快速地進行成像系統(tǒng)樣機開發(fā)。開發(fā)人員現(xiàn)在可以把模塊化 FPGA 硬件、集成 AFE、高級設(shè)計工具和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺組合到一起，以構(gòu)建高度靈活、可調(diào)節(jié)和可定制的成像系統(tǒng)。
個案研究—3個月制造出超聲波成像系統(tǒng)樣機
一家總部位于英國的公司Diagnostic Sonar，對一種新型相控陣超聲波成像系統(tǒng)進行了概念展示。通過對現(xiàn)成 FPGA 硬件和具體應(yīng)用集成 AFET 進行設(shè)計，并使用高級設(shè)計工具，它們從確定構(gòu)架到制造出一臺能夠顯示實時超聲波圖像的樣機系統(tǒng)，總共只用了“3個月”的時間。由于使用了現(xiàn)成的模塊化FPGA和AFE硬件構(gòu)建系統(tǒng)，這個開發(fā)團隊才能夠在如此短的時間內(nèi)制造出他們的首臺樣機系統(tǒng)。這種方法擁有極大的靈活性，并且具有可定制特性，從而讓開發(fā)團隊可以專心致力于超聲波處理算法和I/O接口這些更需要發(fā)揮其專業(yè)知識的方面。
圖1 Diagnostic Sonar利用PXI平臺構(gòu)建其超聲波成像系統(tǒng)樣機
FPGA擁有許多設(shè)計靈活性，讓開發(fā)人員可以嘗試一些新的想法，降低了系統(tǒng)開發(fā)早期存在的風(fēng)險。由于FPGA可以通過軟件進行再配置，設(shè)計人員可以節(jié)省開發(fā)時間，能夠?qū)PGA編程以適應(yīng)某些改動的同時演示基于硬件的處理過程，而這些改動是最初設(shè)計產(chǎn)品規(guī)格時所沒有想到的。
使用 FPGA進行樣機制造的一個挑戰(zhàn)是，利用傳統(tǒng)的硬件描述語言(例如：VHDL等)對某個系統(tǒng)進行編程是一件非常耗時的工作，從而加長了項目的計劃時間線。但是，開發(fā)工具的一些最新進展讓我們可以將高級圖形工具用于總體系統(tǒng)設(shè)計，從而使FPGA編程變得更加高效。在適當(dāng)情況下，它可使用現(xiàn)有的VHDL IP(Xilinx CORE Generator?、內(nèi)部開發(fā)、第三方等)。若使用正確，這些工具可以實現(xiàn)非?？焖俚脑拖到y(tǒng)開發(fā)，這樣算法和硬件性能便都能得到評估和改進。
Diagnostic Sonar的開發(fā)團隊利用美國國家儀器公司的工具制造出了其系統(tǒng)樣機。這些工具包括使用LabVIEW FPGA組件編程的 NI FlexRIO模塊化 FPGA 硬件，它是一種圖形設(shè)計語言，可用于設(shè)計 FPGA 電路，并且無需知道VHDL編碼知識。NI FlexRIO把可交換、可定制I/O適配器組件和一個用戶可編程 FPGA 組件，一起組合到一個 PXI或者PXI Express機架內(nèi)。Virtex系列Xilinx FPGA用在電路板上，目的是達到醫(yī)療成像等應(yīng)用要求的I/O和信號處理性能。Diagnostic Sonar公司過去使用 FPGA 開發(fā)電路板，但現(xiàn)在 NI FlexRIO更能吸引他們，因為他們想使用熟悉的優(yōu)秀硬件來制造樣機，而這些硬件已經(jīng)包括了許多用于I/O連接、PCI Express總線接口和DRAM通信的基礎(chǔ)組件。自己在內(nèi)部開發(fā)這些組件會花費大量的時間，并且會轉(zhuǎn)移開發(fā)人員的注意力，讓其無法專心致力于產(chǎn)品的創(chuàng)新，而產(chǎn)品的最大附加值正是創(chuàng)新。
圖2 NI FlexRIO是一個產(chǎn)品實例，它將用戶可編程FPGA和高度集成的TI AFE與可定制I/O結(jié)合
一旦 Diagnostic Sonar 公司決定利用使用NI FlexRIO的現(xiàn)成模塊化FPGA構(gòu)架來制造其系統(tǒng)樣機，下一步便是定義系統(tǒng)的I/O。NI FlexRIO 平臺擁有各種模擬和數(shù)字適配器組件，可以滿足許多應(yīng)用需求，但是它也允許系統(tǒng)開發(fā)人員設(shè)計其自己的定制I/O，使用適配器組件開發(fā)工具包 (MDK) 連接至FPGA。Diagnostic Sonar公司已經(jīng)具備了設(shè)計超聲波前端的經(jīng)驗。但是，他們意識到要想達到最佳系統(tǒng)性能的通道密度要求，他們必需使用專門為超聲波應(yīng)用設(shè)計的全集成AFE。
利用集成AFE開發(fā)更高性能系統(tǒng)
超聲波系統(tǒng)性能會受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個特性對所有超聲波系統(tǒng)設(shè)計都至關(guān)重要。
超聲波系統(tǒng)的AFE由一個低噪放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、圖形保真濾波器 (AAF) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 組成。LNA提供獲得良好靈敏度所需的低噪放大。VCA和PGA是時間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍。另外，它們還允許增益隨時間而增加，目的是在信號通過人體時對增大的信號衰減進行補償。之后，對經(jīng)過放大處理的信號進行濾波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通過一個ADC將所得到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，并利用接收波束生成器對其進行處理。AFE 的性能極大地推動著超聲波系統(tǒng)特性的演變，讓它的體積更小、重量更輕、電池壽命更長和圖像質(zhì)量更高。
在開始IC設(shè)計以前，工藝選擇是半導(dǎo)體制造廠商的一個關(guān)鍵考慮因素。工藝選擇必須平衡性能、功耗、成本和升級可行性等方面。
不管設(shè)計的對象是高端汽車還是一個手持便攜式系統(tǒng)，AFE通道整合都很重要。便攜式系統(tǒng)開發(fā)人員必須盡可能多地節(jié)省其電路板空間，并且高端系統(tǒng)必須針對高通道數(shù)目進行優(yōu)化。過去五年，AFE迅猛發(fā)展。2004年，使用離散方法設(shè)計一個16通道的AFE需要超過40個組件。現(xiàn)在，只需要2個!
半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展讓我們能夠縮小尺寸、降低功耗和提高總性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，電路板空間減小了94%，功耗降低了67%。AFE器件中更高的通道集成度讓尺寸大大減小，更少的組件數(shù)目節(jié)省了成本，而其布局也更加簡單—所有這些，最終讓系統(tǒng)擁有更高成本效益和更短產(chǎn)品上市時間成為現(xiàn)實。
圖3 過去幾年面向具體應(yīng)用的模擬前端極大地提高了集成度和性能
超聲波系統(tǒng)組件的集成
許多設(shè)計人員的應(yīng)用都要求盡可能地使用最高性能的AFE，而Diagnostic Sonar公司則考慮使用NI FlexRIO MDK來圍繞最新的AFE構(gòu)建其自己的設(shè)計。但是，最終他們都意識到可以利用TI的AFE5801所提供的高性能來實現(xiàn)其應(yīng)用。AFE5801擁有8通道，可提供–5Db到+31Db的數(shù)控掃描增益。他們可以使用一種現(xiàn)貨適配器組件NI 5752，其將四個這種AFE集成到一個32通道組件中，擁有50 MS/s的采樣速率和12比特分辨率。
在系統(tǒng)接收端使用現(xiàn)成組件為他們節(jié)省了大量的開發(fā)時間，這樣他們可以將其精力放在硬件設(shè)計方面：NI FlexRIO(同NI 5752配對使用)的32通道、高壓脈沖生成器組件。使用模塊化FPGA硬件進行樣機制造，讓他們能夠迅速地生產(chǎn)出一臺可以工作運行的樣機系統(tǒng)，并確定需要進行哪些硬件改動，原因是I/O從FPGA反端分離了出來。由于他們都使用了模塊化FPGA板構(gòu)建其設(shè)計，他們的樣機系統(tǒng)都只有32條通道，但對構(gòu)架進行簡單的調(diào)整，便可以擁有64條、128條、256條甚至更多(需為32的倍數(shù))同時用于收發(fā)的通道數(shù)目，集成多路傳輸功能，并且適應(yīng)于各種超聲波陣列。另外，通過將FPGA用于硬件式信號處理，他們的信號處理可以根據(jù)系統(tǒng)增加通道數(shù)目情況進行調(diào)整，無需讓CPU限制系統(tǒng)的成像速率。
在軟件端，Diagnostic Sonar公司一開始在主機上使用LabVIEW編制算法—包括波束生成、濾波和矯正等，并使用一種圖形用戶界面 (GUI) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。在樣機系統(tǒng)演示之后，他們便可以利用LabVIEW FPGA將算法移至NI FlexRIO板上的FPGA，以進一步提高信號處理性能。最后，Diagnostic Sonar公司使用模塊化FPGA硬件和圖形軟件，創(chuàng)造出了一種高性能、多通道超聲波采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以針對各種應(yīng)用進行調(diào)整和定制。這些技術(shù)讓他們能夠為其客戶提供各種選項，可以提供一種可立即投入使用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置，也可以向那些擁有系統(tǒng)集成能力的公司分開出售單個組件(例如：32通道脈沖生成器、定制陣列連接和波束生成IP等)。
最終結(jié)果—可調(diào)和可定制的系統(tǒng)
Diagnostic Sonar是一家小型公司，但是他們利用FPGA的信號處理能力和可重配置性以及TI超聲波AFE擁有的優(yōu)異模擬性能，制造出了一個可輕松調(diào)整和定制的超聲波系統(tǒng)。另外，他們利用現(xiàn)成定制硬件在非常短的時間內(nèi)(僅3個月)便完成了對初始系統(tǒng)的樣機論證工作。
總之，這種需求會不斷增長。各大醫(yī)療系統(tǒng)開發(fā)公司需要使用各種方法將下一代技術(shù)集成到其產(chǎn)品中，并且還要在上市產(chǎn)品中實現(xiàn)新的創(chuàng)新。Diagnostic Sonar和許多其他公司都在使用同樣的設(shè)計方法，即利用FPGA和AFE幫助實現(xiàn)下一代成像系統(tǒng)的這些創(chuàng)新。
