中心議題：
- 個(gè)案研究—3個(gè)月制造出超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
- 超聲波系統(tǒng)組件的集成
- 最終結(jié)果—可調(diào)和可定制的系統(tǒng)
解決方案：
- Diagnostic Sonar 利用 PXI 平臺(tái)構(gòu)建其超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
- 利用集成 AFE 開發(fā)更高性能系統(tǒng)
產(chǎn)品上市時(shí)間對(duì)于醫(yī)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(duì)項(xiàng)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(cuò)過(guò)產(chǎn)品上市的最佳時(shí)機(jī)。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(hào)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(shí)又要使用新技術(shù)，這給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jì)轉(zhuǎn)入樣機(jī)制造，并使其系統(tǒng)達(dá)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(chǎng)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(tái)，更加快速地進(jìn)行成像系統(tǒng)樣機(jī)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(jí)設(shè)計(jì)工具和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)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(gè)案研究—3個(gè)月制造出超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
一家總部位于英國(guó)的公司 Diagnostic Sonar，對(duì)一種新型相控陣超聲波成像系統(tǒng)進(jìn)行了概念展示。通過(guò)對(duì)現(xiàn)成 FPGA 硬件和具體應(yīng)用集成 AFET 進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用高級(jí)設(shè)計(jì)工具，它們從確定構(gòu)架到制造出一臺(tái)能夠顯示實(shí)時(shí)超聲波圖像的樣機(jī)系統(tǒng)，總共只用了“3 個(gè)月”的時(shí)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(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)才能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)制造出他們的首臺(tái)樣機(jī)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(tuán)隊(duì)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(shí)的方面。
圖 1 Diagnostic Sonar 利用 PXI 平臺(tái)構(gòu)建其超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
FPGA 擁有許多設(shè)計(jì)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(xiǎn)。由于 FPGA 可以通過(guò)軟件進(jìn)行再配置，設(shè)計(jì)人員可以節(jié)省開發(fā)時(shí)間，能夠?qū)?FPGA 編程以適應(yīng)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(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格時(shí)所沒(méi)有想到的。
使用 FPGA進(jìn)行樣機(jī)制造的一個(gè)挑戰(zhàn)是，利用傳統(tǒng)的硬件描述語(yǔ)言（例如：VHDL 等）對(duì)某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編程是一件非常耗時(shí)的工作，從而加長(zhǎng)了項(xiàng)目的計(jì)劃時(shí)間線。但是，開發(fā)工具的一些最新進(jìn)展讓我們可以將高級(jí)圖形工具用于總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shí)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(píng)估和改進(jìn)。
Diagnostic Sonar 的開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)國(guó)家儀器公司的工具制造出了其系統(tǒng)樣機(jī)。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(jì)語(yǔ)言，可用于設(shè)計(jì) FPGA 電路，并且無(wú)需知道 VHDL 編碼知識(shí)。NI FlexRIO 把可交換、可定制 I/O 適配器組件和一個(gè)用戶可編程 FPGA 組件，一起組合到一個(gè) PXI 或者 PXI Express 機(jī)架內(nèi)。Virtex 系列 Xilinx FPGA 用在電路板上，目的是達(dá)到醫(yī)療成像等應(yīng)用要求的 I/O 和信號(hào)處理性能。Diagnostic Sonar 公司過(guò)去使用 FPGA 開發(fā)電路板，但現(xiàn)在 NI FlexRIO 更能吸引他們，因?yàn)樗麄兿胧褂檬煜さ膬?yōu)秀硬件來(lái)制造樣機(jī)，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(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，并且會(huì)轉(zhuǎn)移開發(fā)人員的注意力，讓其無(wú)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。[page]
圖 2 NI FlexRIO 是一個(gè)產(chǎn)品實(shí)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(lái)制造其系統(tǒng)樣機(jī)，下一步便是定義系統(tǒng)的 I/O。NI FlexRIO 平臺(tái)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(jì)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(jì)超聲波前端的經(jīng)驗(yàn)。但是，他們意識(shí)到要想達(dá)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(jì)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(huì)受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個(gè)特性對(duì)所有超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。
超聲波系統(tǒng)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(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(shí)間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統(tǒng)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(hào)通過(guò)人體時(shí)對(duì)增大的信號(hào)衰減進(jìn)行補(bǔ)償。之后，對(duì)經(jīng)過(guò)放大處理的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，并利用接收波束生成器對(duì)其進(jìn)行處理。AFE 的性能極大地推動(dòng)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(zhǎng)和圖像質(zhì)量更高。
在開始 IC 設(shè)計(jì)以前，工藝選擇是半導(dǎo)體制造廠商的一個(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(jí)可行性等方面。
不管設(shè)計(jì)的對(duì)象是高端汽車還是一個(gè)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(duì)高通道數(shù)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(shè)計(jì)一個(gè) 16 通道的 AFE 需要超過(guò) 40 個(gè)組件。現(xiàn)在，只需要 2 個(gè)！
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(jiǎn)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(shí)間成為現(xiàn)實(shí)。
圖 3 過(guò)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
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超聲波系統(tǒng)組件的集成
許多設(shè)計(jì)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(lái)圍繞最新的 AFE 構(gòu)建其自己的設(shè)計(jì)。但是，最終他們都意識(shí)到可以利用 TI 的 AFE5801 所提供的高性能來(lái)實(shí)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(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(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(shí)間，這樣他們可以將其精力放在硬件設(shè)計(jì)方面：NI FlexRIO（同 NI 5752 配對(duì)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(jī)制造，讓他們能夠迅速地生產(chǎn)出一臺(tái)可以工作運(yùn)行的樣機(jī)系統(tǒng)，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(gòu)建其設(shè)計(jì)，他們的樣機(jī)系統(tǒng)都只有 32 條通道，但對(duì)構(gòu)架進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)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(guò)將 FPGA 用于硬件式信號(hào)處理，他們的信號(hào)處理可以根據(jù)系統(tǒng)增加通道數(shù)目情況進(jìn)行調(diào)整，無(wú)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。在樣機(jī)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(jìn)一步提高信號(hào)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(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整和定制。這些技術(shù)讓他們能夠?yàn)槠淇蛻籼峁└鞣N選項(xiàng)，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(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(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(hào)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(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(shí)間內(nèi)（僅 3 個(gè)月）便完成了對(duì)初始系統(tǒng)的樣機(jī)論證工作。
總之，這種需求會(huì)不斷增長(zhǎng)。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(shí)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(jì)方法，即利用 FPGA 和 AFE 幫助實(shí)現(xiàn)下一代成像系統(tǒng)的這些創(chuàng)新。
