基于FPGA的除顫器設(shè)計(jì)方案

越來(lái)越多的人們認(rèn)識(shí)到當(dāng)心臟病患者的心臟驟停時(shí)，快速及時(shí)的救治能夠帶來(lái)很大的好處。這促使更多公共場(chǎng)所和辦公室配備有AED設(shè)備。而且在美國(guó)，因?yàn)楦髦菡畯?qiáng)制規(guī)定，如果場(chǎng)地所有者沒(méi)有配備足夠的AED設(shè)備，將有可能被追究法律責(zé)任，這后果顯然比偶然出現(xiàn)的AED設(shè)備濫用狀況更嚴(yán)重。

由于AED的使用者可能是沒(méi)有經(jīng)過(guò)醫(yī)療培訓(xùn)的人，所以此類(lèi)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)必須避免有不安全運(yùn)作的機(jī)會(huì)。例如，AED設(shè)備需要具備判斷功能，在判斷出CPR是更合適的心臟復(fù)蘇急救法時(shí)，防止使用者進(jìn)行電擊急救法。為此，AED設(shè)備必須能夠確定有關(guān)的操作是否安全，這就需要模擬傳感器輸入和復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，以便檢測(cè)和分析心臟產(chǎn)生的電信號(hào)。

這并不意味著手動(dòng)除顫器就沒(méi)有發(fā)展空間，因?yàn)槭謩?dòng)除顫器可以加入更多的傳感器輸入來(lái)監(jiān)控附加的參數(shù)，讓醫(yī)護(hù)人員施行二氧化碳濃度（capnography）和脈搏血氧濃度（pulse oximetry）測(cè)試，同時(shí)獲取分辨率較高的12導(dǎo)心電圖。手動(dòng)設(shè)備在人體工程學(xué)設(shè)計(jì)方面也有所改善，包括：延長(zhǎng)電池壽命、遙測(cè)和改進(jìn)的顯示。

鑒于AED設(shè)備部署廣泛但使用并不頻繁，它們必須能夠在備用狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，利用IEEE 802.11 WiFi等無(wú)線(xiàn)協(xié)議向醫(yī)護(hù)人員發(fā)送信號(hào)，所以這些設(shè)備必須安全地部署在處于無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)范圍之內(nèi)的任何場(chǎng)所。如果能夠及早通報(bào)問(wèn)題，便能保障去顫器經(jīng)常處于良好的操作狀態(tài)，用于醫(yī)療救助任務(wù)。同時(shí)，AED設(shè)備需要設(shè)計(jì)成只有合格的工程師才能維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備，而未經(jīng)授權(quán)人員則無(wú)權(quán)取消此項(xiàng)操作。

美高森美公司（Microsemi Corporation）的非易失性FPGA可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備，而這些器件的安全性、高集成度和非易失性存儲(chǔ)的特點(diǎn)，特別適用于自動(dòng)化體外除顫器（automated external defibrillator, AED）。

美高森美的FPGA系列能夠滿(mǎn)足AED設(shè)備設(shè)計(jì)的眾多要求，SmartFusion和IGLOO器件能夠提供實(shí)現(xiàn)心臟除顫器核心功能所需的傳感器接入、用戶(hù)界面和致動(dòng)器控制，Microsemi器件固有的安全保障功能可以保證無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被攔截和破譯，而且用戶(hù)或電腦黑客無(wú)法篡改設(shè)備數(shù)據(jù)。

所有美高森美第三代FPGA，包括ProASIC3，IGLOO，F(xiàn)usion和SmartFusion系列，均使用快閃存儲(chǔ)器來(lái)永久儲(chǔ)存密鑰設(shè)置，這些密鑰設(shè)置決定產(chǎn)品出廠之后，哪些部件是可以重新編程的。沒(méi)有正確的密鑰，設(shè)備程序不可能重新編程；這項(xiàng)設(shè)計(jì)使得篡改數(shù)據(jù)幾乎不可能。另外，片上快閃也為保護(hù)數(shù)據(jù)所需密鑰提供了安全的存儲(chǔ)地點(diǎn)。

由于AED設(shè)備將會(huì)放置較長(zhǎng)的時(shí)間，所以降低待機(jī)功耗是必要的，以便盡可能地節(jié)省內(nèi)部電池能量，從而延長(zhǎng)兩次充電之間的備用時(shí)間。在待機(jī)期間，任何非系統(tǒng)監(jiān)控功能均需要禁用，以便防止其耗用電能。在傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)被使用之前，LCD和其它AED功能會(huì)一直處于禁用狀態(tài)。在檢測(cè)到使用信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)需要盡快恢復(fù)使用狀態(tài)，這項(xiàng)功能難以使用易失性FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于SRAM的FPGA器件需要恒定電流來(lái)維持其編程狀態(tài)，基于SRAM FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)向EEPROM寫(xiě)出狀態(tài)信息而進(jìn)入低功率狀態(tài)，然后，在恢復(fù)供電時(shí)重新加載配置位流。不過(guò)，這要求在硬連線(xiàn)邏輯和單獨(dú)的微處理器中實(shí)現(xiàn)大部分系統(tǒng)功能。

AED設(shè)備存放長(zhǎng)時(shí)間后重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化所需的時(shí)長(zhǎng)是至關(guān)重要的，為了有效，AED設(shè)備必須在從其存儲(chǔ)狀態(tài)恢復(fù)之時(shí)就可以使用。如果首個(gè)使用人員不得不等待AED啟動(dòng)方能使用，則不夠高效。因?yàn)槊栏呱篱_(kāi)發(fā)的基于反熔絲和快閃技術(shù)的 FPGA器件是非易失性的，在上電之際就可使用，可以立即使用AED功能。

由于非易失性FPGA是單芯片器件，可以省去與SRAM FPGA配置單元相關(guān)的附加電路。除了一個(gè)引導(dǎo)ROM和一個(gè)用于存儲(chǔ)未加密配置代碼的附加系統(tǒng)存儲(chǔ)器之外，基于SRAM的FPGA還可能需要一個(gè)復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）來(lái)處理系統(tǒng)配置和監(jiān)管任務(wù)，因?yàn)镕PGA只有讀入其自己的配置數(shù)據(jù)之后，才能接管那些功能。而且，還需要時(shí)鐘及復(fù)位信號(hào)發(fā)生電路在上電時(shí)幫助進(jìn)行電路板元件初始化。這些因素降低了可靠性，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及成本，減慢了開(kāi)發(fā)速度。

美高森美的SmartFusion FPGA器件能夠整合微處理器、可編程邏輯和系統(tǒng)I/O功能，最大限度地減少電路板空間并提供非易失性?xún)?yōu)勢(shì)。通過(guò)使用其IGLOO FPGA器件，可以進(jìn)一步節(jié)能。這些器件可在1μs之內(nèi)進(jìn)入Flash*Freeze模式，僅消耗5μW來(lái)保持系統(tǒng)存儲(chǔ)器和易失性數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。由于AED設(shè)備大部分時(shí)間都處于低功耗模式，美高森美用于節(jié)能的IGLOO解決方案以及用于傳感器和系統(tǒng)管理功能的SmartFusion器件是完美匹配AED設(shè)備需求的產(chǎn)品。