制造出超聲波成像系統(tǒng)樣機，只需三個月

產(chǎn)品上市時間對于醫(yī)療產(chǎn)品至關重要。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，讓系統(tǒng)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(shù)轉換器 (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，這給產(chǎn)品設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計轉入樣機制造，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(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 硬件和具體應用集成 AFET 進行設計，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平臺構建其超聲波成像系統(tǒng)樣機

FPGA 擁有許多設計靈活性，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)早期存在的風險。由于 FPGA 可以通過軟件進行再配置，設計人員可以節(jié)省開發(fā)時間，能夠對 FPGA 編程以適應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)設計，從而使 FPGA 編程變得更加高效。在適當情況下，它可使用現(xiàn)有的 VHDL IP（Xilinx CORE GeneratorTM、內(nèi)部開發(fā)、第三方等）。若使用正確，這些工具可以實現(xiàn)非常快速的原型系統(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 LabVIEWTM FPGA 組件編程的 NI FlexRIOTM 模塊化 FPGA 硬件，它是一種圖形設計語言，可用于設計 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 結合

一旦 Diagnostic Sonar 公司決定利用使用 NI FlexRIO 的現(xiàn)成模塊化 FPGA 構架來制造其系統(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，可以滿足許多應用需求，但是它也允許系統(tǒng)開發(fā)人員設計其自己的定制 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用設計的全集成 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)設計都至關重要。

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量更高。

在開始 IC 設計以前，工藝選擇是半導體制造廠商的一個關鍵考慮因素。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，使用離散方法設計一個 16 通道的 AFE 需要超過 40 個組件?，F(xiàn)在，只需要 2 個 ！

半導體工藝技術的發(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 所提供的高性能來實現(xiàn)其應用。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 板構建其設計，他們的樣機系統(tǒng)都只有 32 條通道，但對構架進行簡單的調(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)可以針對各種應用進行調(diào)整和定制。這些技術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準系統(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。