基于FPGA的除顫器設(shè)計方案

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(shè)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(shè)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(shè)備濫用狀況更嚴重。

由于AED的使用者可能是沒有經(jīng)過醫(yī)療培訓的人，所以此類產(chǎn)品在設(shè)計時必須避免有不安全運作的機會。例如，AED設(shè)備需要具備判斷功能，在判斷出CPR是更合適的心臟復蘇急救法時，防止使用者進行電擊急救法。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雜的數(shù)字信號處理，以便檢測和分析心臟產(chǎn)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(shè)備在人體工程學設(shè)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(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(shè)備必須安全地部署在處于無線接入點范圍之內(nèi)的任何場所。如果能夠及早通報問題，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。同時，AED設(shè)備需要設(shè)計成只有合格的工程師才能維護保養(yǎng)設(shè)備，而未經(jīng)授權(quán)人員則無權(quán)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(shè)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(shè)備設(shè)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(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，均使用快閃存儲器來永久儲存密鑰設(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。沒有正確的密鑰，設(shè)備程序不可能重新編程；這項設(shè)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(shè)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(nèi)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(shù)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(shè)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(shè)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(guān)重要的，為了有效，AED設(shè)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(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(shè)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(nèi)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(nèi)容。由于AED設(shè)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(shè)備需求的產(chǎn)品。