現場可編程門陣列

隨着計算機技術和電子技術的發展， 現代醫學儀器已經向着智能化、小型化、多功能化方向發展， 在儀器設計中數字化程度越來越高， 用到的ASIC數量和規模越來越大。 由於現場可編程邏輯器件的出現，ASIC的設計與製造，已不再完全由半導體商家獨立承擔，設計者在實驗室裏也可以自己設計出合適的ASIC芯片，並且立即進行實際應用，現在應用最廣的主要是現場可編程門陣列。現場可編程門陣列器件是一種新型的高密度可編程邏輯器件，採用CMOS-SRAM工藝製造。 現場可編程門陣列是新一代的數字邏輯器件， 它們的規模比較大， 適合於時序、組合等邏輯電路應用場合， 它可替代幾十甚至上百片通用中等規模以上的 WI 芯片。它不僅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户可重複定義的邏輯功能，即具有可重複編程的特點。因此，現場可編程門陣列使數字電路系統的設計非常靈活， 並且顯著縮短了系統研製的週期，縮小了數字電路系統的體積和所用芯片的種類。 在生物醫學工程領域，得益於現場可編程門陣列的發展，現代醫學儀器設計用現場可編程門陣列取代中小規模芯片做邏輯控制， 在醫學信號採集與處理、圖像獲取與處理、便攜式醫學儀器設計等方面得到了應用 ^[1]  。

現場可編程門陣列是一種程序驅動邏輯器件， 就像一個微處理器， 其控制程序存儲在內存中， 加電後，程序自動裝載到芯片執行。 現場可編程門陣列一般由2 個可編程模塊和存儲SRAM構成。CLB是可編程邏輯塊，是現場可編程門陣列的核心組成部分， 是實現邏輯功能的基本單元， 主要由邏輯函數發生器、觸發器、數據選擇器等數字邏輯電路構成 ^[1]  。

IOB 是輸入輸出模塊， 它提供了芯片引腳和內部邏輯陣列之間的連接， 主要包括輸入觸發器、輸入緩衝器、輸出觸發 . 鎖存器和輸出緩衝器，每一個IOB控制一個引腳， 可獨立編程為輸入、輸出和雙向I/O， 非常靈活，而且兼容 CMOS和TTL兩種電平 ^[1]  。

IR是可編程互聯資源，包括各種金屬線和可編程連接開關，其主要任務是將各個CLB之間和IOB之間互相連接起來， 構成各種功能複雜的系統， 共有 2 種類型：①直接連接線，這種連接線延時最少， 但僅限於相鄰的CLB、IOB 之間選用。 ②通用內部連接線，這是最靈活的連接方式， 可以連接任意兩點， 是最常用的方式。 ③長線，這種方式是以最小延時做遠距離連接，是最貴的資源，實際使用時須做合理的運用 ^[1]  。

現場可編程門陣列的內部存儲單元 SRAM（ 靜態存儲器）是專門設計的， 具有可靠性高、抗干擾能力強、保密性好等優點， 器件在出廠時都由廠家進行安全可靠性測試，保證在最不利的情況下也能保證安全性， 不至於發生軟錯誤， 因此基於現場可編程門陣列設計的系統具有高度可靠性 ^[1]  。

基於現場可編程門陣列的系統設計不同於傳統的設計方法， 是一種自上而下的設計， 從系統設計總體要求出發， 逐步將設計內容細化， 最後完成系統的整體設計，這種設計使得電路設計更趨於合理， 顯著縮短了設計週期， 降低費用， 降低了硬件電路設計的難度 ^[1]  。

現場可編程門陣列是用軟件來實現硬件電路的功能， 通過設計軟件就可以得到想要的硬件電路功能， 而要修改硬件設計時只要重新修改軟件就可以了，時下各大現場可編程門陣列廠家都提供了功能強大的現場可編程門陣列開發軟件包， 對於一般的電路， 完全不需要人工干預就可以自動完成， 而採用人工干預，則可以實現特殊功能需求的設計 ^[1]  。

應用於醫學信號檢測與處理 由於現場可編程門陣列性能出眾，速度快， 因此廣泛用於信號採集與處理，可實現信號採集控制以及信號處理。在便攜式心電圖儀的設計中， 設計者採用現場可編程門陣列Cyclone IC6作為控制核心， 嵌入Nios微處理器， 加入DMA 以及Memory Controller 模塊， 實現了在心電Holter模式下心電信號採集與存儲。 由於現場可編程門陣列芯片可編程， 因此具體在實現時，是在現場可編程門陣列中用硬件的方法實現 DMA 控制器以及 CF 卡讀 a 寫控制器， 實現高速數據採集時的導聯切換和數據存儲控制。 並由現場可編程門陣列實現了數字濾波、信號整形等處理 ^[1]  。

在很多情況下，要求生物醫學系統具有實時處理信號的能力，如心電信號的實時濾波和壓縮處理對於心電圖的分析研究具有很大的意義。 信號的實時處理也對器件提出了更高的要求，目前現場可編程門陣列正處於革命性的數字信號處理技術前沿， 可以滿足採集量大、運算複雜實時性要求高的應用系統 ^[1]  。

在數字信號實時處理方面， 前端的可編程數字信號處理系統一般都是由 ASIC 或DSP等構建的， 或者是由DSP和現場可編程門陣列組成主從結構實現，以DSP 為主機， 完成大量複雜的信號處理算法， 而現場可編程門陣列為從機，主要實現邏輯功能控制。 隨着現場可編程門陣列技術的進步， 現代的現場可編程門陣列系列都提供了支持以低系統開銷、低成本實現高速乘-累加超前進位鏈的 DSO算法，使得現場可編程門陣列在前端數字信號處理領域逐漸替代DSP, 直接由現場可編程門陣列實現數字信號實時處理以及邏輯功能控制。 在實時心電信號處理系統設計中，採用了現場可編程門陣列器件作為核心處理芯片， 實現了對心電信號的前端數字信號處理， 包括心電信號採集、AD 轉換、心電濾波、數據壓縮以及與上位機進行通訊等模塊。 以現場可編程門陣列為核心的心電信號處理系統， 利用現代現場可編程門陣列內部豐富的硬件資源，把心電信號濾波和數據壓縮放在現場可編程門陣列內來實現，有效減小了電路的複雜性，降低了成本 ^[1]  。

應用於圖像獲取與圖像處理 圖像獲取時，需要進行AD 轉換控制、存儲器讀寫控制、數據傳輸控制以及數據預處理等操作， 作為大規模邏輯器件， 現場可編程門陣列能擔當此任 ^[1]  。

在基於現場可編程門陣列的圖像採集卡的設計中，以現場可編程門陣列器件 XC2S30-5PQ208作為核心控制芯片，進行 AD轉換控制SRAM讀寫控制， 並控制 AD 轉換和 SRAM之間以及採集卡與上位機之間的數據傳輸。 為了減輕上位機的負擔， 還在現場可編程門陣列內實現對AD轉換後的信號進行初次濾波處理 ^[1]  。

電子內窺鏡中採用 CCD 器件作為圖像傳感器進行圖像採集， 對 CCD 傳感器的控制， 關鍵是控制它的驅動信號， 即按給定的操作時序來產生驅動信號， 這樣才能得到 CCD 採集的視頻信號。在基於現場可編程門陣列的醫用電子內窺鏡設計中， 設計者採用現場可編程門陣列器件實現邏輯控制功能， 完成系統的傳輸控制、顯示緩存控制和時序協調控制等，通過現場可編程門陣列實現控制功能，可以在不改變硬件電路設計的情況下，僅通過更改軟件即可實現對硬件功能的改進 ^[1]  。

隨着數字圖像處理技術的不斷髮展， 圖像處理控制電路逐步由模擬轉向數字， 因此， 在數字圖像處理中， 可以應用現場可編程門陣列實現控制邏輯， 用來產生幀存儲器讀寫控制、奇偶場識別信號以及圖像處理時序等。

在基於現場可編程門陣列的醫用電子內窺鏡設計中， 設計者採用現場可編程門陣列器件來完成FIFO的讀寫控制， 產生VRAM 複雜而嚴格的時序控制信號， 實現顯示緩存， 並進行了 CCD 輸出圖像格式的轉換，保證了圖像在PAL制式顯示器上的正確顯示， 由現場可編程門陣列邏輯電路實現 Wash法插值放大和增強處理， 有效改善了顯示圖像的質量， 提高了圖像質量和顯示效果， 並通過現場可編程門陣列控制VRAM 存儲器讀寫， 實現多畫面顯示、圖像凍結等多種數字視頻特技。 同時6可以利用現場可編程門陣列集成度高、 速度快和容易實現複雜邏輯功能等優點，對電子內窺鏡畸變圖像進行實時校正, 這樣設計出來的校正電路，體積小，易管理，屏蔽性好 ^[1]  。

基於現場可編程門陣列的系統設計， 其硬件功能的描述完全在軟件上實現， 在設計中不斷調試軟件就可以隨時進行硬件功能的改進， 這種全新的軟硬件設計理念使設計的系統具有強大的靈活性和適應性， 隨着技術的進步， 將來可以通過升級軟件的方式來升級儀器的性能。 在現代醫療儀器的設計中採用現場可編程門陣列實現， 將顯著縮短開發週期， 減少設計風險，降低成本，提高產品的可靠性、靈活性，並實現模塊化、微型化。 可以預期，現場可編程門陣列在生物醫學工程領域中的應用必將前景無限 ^[1]  。