應用于除顫器的FPGA解決方案

應用于除顫器的FPGA解決方案

越來越多的人們認識到當心臟病患者的心臟驟停時，快速及時的救治能夠帶來很大的好處。這促使更多公共場所和辦公室配備有AED設備。而且在美國，因為各州政府強制規(guī)定，如果場地所有者沒有配備足夠的AED設備，將有可能被追究法律責任，這后果顯然比偶然出現(xiàn)的AED設備濫用狀況更嚴重。

由于AED的使用者可能是沒有經過醫(yī)療培訓的人，所以此類產品在設計時必須避免有不安全運作的機會。例如，AED設備需要具備判斷功能，在判斷出CPR是更合適的心臟復蘇急救法時，防止使用者進行電擊急救法。為此，AED設備必須能夠確定有關的操作是否安全，這就需要模擬傳感器輸入和復雜的數(shù)字信號處理，以便檢測和分析心臟產生的電信號。

這并不意味著手動除顫器就沒有發(fā)展空間，因為手動除顫器可以加入更多的傳感器輸入來監(jiān)控附加的參數(shù)，讓醫(yī)護人員施行二氧化碳濃度（capnography）和脈搏血氧濃度（pulse oximetry）測試，同時獲取分辨率較高的12導心電圖。手動設備在人體工程學設計方面也有所改善，包括：延長電池壽命、遙測和改進的顯示。

鑒于AED設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)問題時，利用IEEE 802.11 WiFi等無線協(xié)議向醫(yī)護人員發(fā)送信號，所以這些設備必須安全地部署在處于無線接入點范圍之內的任何場所。如果能夠及早通報問題，便能保障去顫器經常處于良好的操作狀態(tài)，用于醫(yī)療救助任務。同時，AED設備需要設計成只有合格的工程師才能維護保養(yǎng)設備，而未經授權人員則無權取消此項操作。

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

美高森美的FPGA系列能夠滿足AED設備設計的眾多要求，SmartFusion和IGLOO器件能夠提供實現(xiàn)心臟除顫器核心功能所需的傳感器接入、用戶界面和致動器控制，Microsemi器件固有的安全保障功能可以保證無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被攔截和破譯，而且用戶或電腦黑客無法篡改設備數(shù)據(jù)。

所有美高森美第三代FPGA，包括ProASIC3，IGLOO，F(xiàn)usion和SmartFusion系列，均使用快閃存儲器來永久儲存密鑰設置，這些密鑰設置決定產品出廠之后，哪些部件是可以重新編程的。沒有正確的密鑰，設備程序不可能重新編程；這項設計使得篡改數(shù)據(jù)幾乎不可能。另外，片上快閃也為保護數(shù)據(jù)所需密鑰提供了安全的存儲地點。

由于AED設備將會放置較長的時間，所以降低待機功耗是必要的，以便盡可能地節(jié)省內部電池能量，從而延長兩次充電之間的備用時間。在待機期間，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。在傳感器檢測到系統(tǒng)被使用之前，LCD和其它AED功能會一直處于禁用狀態(tài)。在檢測到使用信號時，系統(tǒng)需要盡快恢復使用狀態(tài)，這項功能難以使用易失性FPGA技術來實現(xiàn)。

基于SRAM的FPGA器件需要恒定電流來維持其編程狀態(tài)，基于SRAM FPGA的系統(tǒng)設計通過向EEPROM寫出狀態(tài)信息而進入低功率狀態(tài)，然后，在恢復供電時重新加載配置位流。不過，這要求在硬連線邏輯和單獨的微處理器中實現(xiàn)大部分系統(tǒng)功能。

AED設備存放長時間后重新進行系統(tǒng)初始化所需的時長是至關重要的，為了有效，AED設備必須在從其存儲狀態(tài)恢復之時就可以使用。如果首個使用人員不得不等待AED啟動方能使用，則不夠高效。因為美高森美開發(fā)的基于反熔絲和快閃技術的 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配置單元相關的附加電路。除了一個引導ROM和一個用于存儲未加密配置代碼的附加系統(tǒng)存儲器之外，基于SRAM的FPGA還可能需要一個復雜可編程邏輯器件（CPLD）來處理系統(tǒng)配置和監(jiān)管任務，因為FPGA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，還需要時鐘及復位信號發(fā)生電路在上電時幫助進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)設計的復雜性及成本，減慢了開發(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優(yōu)勢。通過使用其IGLOO FPGA器件，可以進一步節(jié)能。這些器件可在1μs之內進入Flash*Freeze模式，僅消耗5μW來保持系統(tǒng)存儲器和易失性數(shù)據(jù)寄存器的內容。由于AED設備大部分時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設備需求的產品。