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作者：德州儀器Veronica Marques和美國國家儀器John Hottenroth 產(chǎn)品上市時(shí)間對于醫療產(chǎn)品至關(guān)重要。產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間差幾個(gè)月會(huì )對項目投資收益率 (ROI) 產(chǎn)生極大的影響，可能會(huì )損失收益，也可能會(huì )錯過(guò)產(chǎn)品上市的最佳時(shí)機。但是，另一方面，醫療成像系統開(kāi)發(fā)人員還必須使用最新的技術(shù)，讓系統擁有優(yōu)異的模擬性能、復合信號處理與可視化，并利用高速模數轉換器 (ADC) 和更多的通道數目，獲得較高的數據吞吐量。 要求產(chǎn)品快速上市的同時(shí)又要使用新技術(shù)，這給產(chǎn)品設計帶來(lái)了巨大的挑戰。但是，現在新出現的一些工具可以幫助工程師們迅速地讓新的設計轉入樣機制造，并使其系統達到最佳性能。這些工具幫助開(kāi)發(fā)人員使用可重配置現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 技術(shù)和面向應用型集成模擬前端 (AFE)，并結合靈活的集成平臺，更加快速地進(jìn)行成像系統樣機開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)人員現在可以把模塊化 FPGA 硬件、集成 AFE、高級設計工具和工業(yè)標準平臺組合到一起，以構建高度靈活、可調節和可定制的成像系統。 個(gè)案研究—3個(gè)月制造出超聲波成像系統樣機 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進(jìn)行了概念展示。通過(guò)對現成 FPGA 硬件和具體應用集成 AFET 進(jìn)行設計，并使用高級設計工具，它們從確定構架到制造出一臺能夠顯示實(shí)時(shí)超聲波圖像的樣機系統，總共只用了“3個(gè)月”的時(shí)間。由于使用了現成的模塊化FPGA和AFE硬件構建系統，這個(gè)開(kāi)發(fā)團隊才能夠在如此短的時(shí)間內制造出他們的首臺樣機系統。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(kāi)發(fā)團隊可以專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識的方面。 
圖1 Diagnostic Sonar利用PXI平臺構建其超聲波成像系統樣機 FPGA擁有許多設計靈活性，讓開(kāi)發(fā)人員可以嘗試一些新的想法，降低了系統開(kāi)發(fā)早期存在的風(fēng)險。由于FPGA可以通過(guò)軟件進(jìn)行再配置，設計人員可以節省開(kāi)發(fā)時(shí)間，能夠對FPGA編程以適應某些改動(dòng)的同時(shí)演示基于硬件的處理過(guò)程，而這些改動(dòng)是最初設計產(chǎn)品規格時(shí)所沒(méi)有想到的。 使用 FPGA進(jìn)行樣機制造的一個(gè)挑戰是，利用傳統的硬件描述語(yǔ)言（例如：VHDL等）對某個(gè)系統進(jìn)行編程是一件非常耗時(shí)的工作，從而加長(cháng)了項目的計劃時(shí)間線(xiàn)。但是，開(kāi)發(fā)工具的一些最新進(jìn)展讓我們可以將高級圖形工具用于總體系統設計，從而使FPGA編程變得更加高效。在適當情況下，它可使用現有的VHDL IP（Xilinx CORE Generator™、內部開(kāi)發(fā)、第三方等）。若使用正確，這些工具可以實(shí)現非�？焖俚脑拖到y開(kāi)發(fā)，這樣算法和硬件性能便都能得到評估和改進(jìn)。 Diagnostic Sonar的開(kāi)發(fā)團隊利用美國國家儀器公司的工具制造出了其系統樣機。這些工具包括使用LabVIEW FPGA組件編程的 NI FlexRIO模塊化 FPGA 硬件，它是一種圖形設計語(yǔ)言，可用于設計 FPGA 電路，并且無(wú)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(gè)用戶(hù)可編程 FPGA 組件，一起組合到一個(gè) PXI或者PXI Express機架內。Virtex系列Xilinx FPGA用在電路板上，目的是達到醫療成像等應用要求的I/O和信號處理性能。Diagnostic Sonar公司過(guò)去使用 FPGA 開(kāi)發(fā)電路板，但現在 NI FlexRIO更能吸引他們，因為他們想使用熟悉的優(yōu)秀硬件來(lái)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(xiàn)接口和DRAM通信的基礎組件。自己在內部開(kāi)發(fā)這些組件會(huì )花費大量的時(shí)間，并且會(huì )轉移開(kāi)發(fā)人員的注意力，讓其無(wú)法專(zhuān)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(gè)產(chǎn)品實(shí)例，它將用戶(hù)可編程FPGA和高度集成的TI AFE與可定制I/O結合 一旦 Diagnostic Sonar 公司決定利用使用NI FlexRIO的現成模塊化FPGA構架來(lái)制造其系統樣機，下一步便是定義系統的I/O。NI FlexRIO 平臺擁有各種模擬和數字適配器組件，可以滿(mǎn)足許多應用需求，但是它也允許系統開(kāi)發(fā)人員設計其自己的定制I/O，使用適配器組件開(kāi)發(fā)工具包 (MDK) 連接至FPGA。Diagnostic Sonar公司已經(jīng)具備了設計超聲波前端的經(jīng)驗。但是，他們意識到要想達到最佳系統性能的通道密度要求，他們必需使用專(zhuān)門(mén)為超聲波應用設計的全集成AFE。 利用集成AFE開(kāi)發(fā)更高性能系統 超聲波系統性能會(huì )受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個(gè)特性對所有超聲波系統設計都至關(guān)重要。 超聲波系統的AFE由一個(gè)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) 和模數轉換器 (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(shí)間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統的動(dòng)態(tài)范圍。另外，它們還允許增益隨時(shí)間而增加，目的是在信號通過(guò)人體時(shí)對增大的信號衰減進(jìn)行補償。之后，對經(jīng)過(guò)放大處理的信號進(jìn)行濾波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通過(guò)一個(gè)ADC將所得到的信號轉換成數字格式，并利用接收波束生成器對其進(jìn)行處理。AFE 的性能極大地推動(dòng)著(zhù)超聲波系統特性的演變，讓它的體積更小、重量更輕、電池壽命更長(cháng)和圖像質(zhì)量更高。 在開(kāi)始IC設計以前，工藝選擇是半導體制造廠(chǎng)商的一個(gè)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。 不管設計的對象是高端汽車(chē)還是一個(gè)手持便攜式系統，AFE通道整合都很重要。便攜式系統開(kāi)發(fā)人員必須盡可能多地節省其電路板空間，并且高端系統必須針對高通道數目進(jìn)行優(yōu)化。過(guò)去五年，AFE迅猛發(fā)展。2004年，使用離散方法設計一個(gè)16通道的AFE需要超過(guò)40個(gè)組件�，F在，只需要2個(gè)！ 半導體工藝技術(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，更少的組件數目節省了成本，而其布局也更加簡(jiǎn)單—所有這些，最終讓系統擁有更高成本效益和更短產(chǎn)品上市時(shí)間成為現實(shí)。
圖3 過(guò)去幾年面向具體應用的模擬前端極大地提高了集成度和性能 超聲波系統組件的集成 許多設計人員的應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(lái)圍繞最新的AFE構建其自己的設計。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(lái)實(shí)現其應用。AFE5801擁有8通道，可提供–5Db到+31Db的數控掃描增益。他們可以使用一種現貨適配器組件NI 5752，其將四個(gè)這種AFE集成到一個(gè)32通道組件中，擁有50 MS/s的采樣速率和12比特分辨率。 在系統接收端使用現成組件為他們節省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間，這樣他們可以將其精力放在硬件設計方面：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(jìn)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，并確定需要進(jìn)行哪些硬件改動(dòng)，原因是I/O從FPGA反端分離了出來(lái)。由于他們都使用了模塊化FPGA板構建其設計，他們的樣機系統都只有32條通道，但對構架進(jìn)行簡(jiǎn)單的調整，便可以擁有64條、128條、256條甚至更多（需為32的倍數）同時(shí)用于收發(fā)的通道數目，集成多路傳輸功能，并且適應于各種超聲波陣列。另外，通過(guò)將FPGA用于硬件式信號處理，他們的信號處理可以根據系統增加通道數目情況進(jìn)行調整，無(wú)需讓CPU限制系統的成像速率。 在軟件端，Diagnostic Sonar公司一開(kāi)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(hù)界面 (GUI) 實(shí)現數據的可視化。在樣機系統演示之后，他們便可以利用LabVIEW FPGA將算法移至NI FlexRIO板上的FPGA，以進(jìn)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。該系統可以針對各種應用進(jìn)行調整和定制。這些技術(shù)讓他們能夠為其客戶(hù)提供各種選項，可以提供一種可立即投入使用的標準系統配置，也可以向那些擁有系統集成能力的公司分開(kāi)出售單個(gè)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）。 最終結果—可調和可定制的系統 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(gè)可輕松調整和定制的超聲波系統。另外，他們利用現成定制硬件在非常短的時(shí)間內（僅3個(gè)月）便完成了對初始系統的樣機論證工作。 總之，這種需求會(huì )不斷增長(cháng)。各大醫療系統開(kāi)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(shí)現新的創(chuàng )新。Diagnostic Sonar和許多其他公司都在使用同樣的設計方法，即利用FPGA和AFE幫助實(shí)現下一代成像系統的這些創(chuàng )新。 參考文獻 觀(guān)看Diagnostic Sonar公司樣機系統視頻演示，敬請訪(fǎng)問(wèn)：Ultrasonic Imaging and Non-Destructive Test with NI FlexRIO。 如欲了解TI超聲波解決方案的更多詳情，敬請訪(fǎng)問(wèn)： www.ti.com/ultrasound-ca 。 |
