產(chǎn)品上市時間對于醫(yī)療產(chǎn)品至關(guān)重要。產(chǎn)品發(fā)布時間差幾個月會對項(xiàng)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(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。
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要求產(chǎn)品快速上市的同時又要使用新技術(shù)，這給產(chǎn)品設(shè)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(shè)計轉(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，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、高級設(shè)計工具和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)平臺組合到一起，以構(gòu)建高度靈活、可調(diào)節(jié)和可定制的成像系統(tǒng)。
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個案研究—3個月制造出超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
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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(jìn)行了概念展示。通過對現(xiàn)成 FPGA 硬件和具體應(yīng)用集成 AFET 進(jìn)行設(shè)計，并使用高級設(shè)計工具，它們從確定構(gòu)架到制造出一臺能夠顯示實(shí)時超聲波圖像的樣機(jī)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(gòu)建系統(tǒng)，這個開發(fā)團(tuán)隊才能夠在如此短的時間內(nèi)制造出他們的首臺樣機(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(gòu)建其超聲波成像系統(tǒng)樣機(jī)
FPGA 擁有許多設(shè)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(fēng)險。由于 FPGA 可以通過軟件進(jìn)行再配置，設(shè)計人員可以節(jié)省開發(fā)時間，能夠?qū)?FPGA 編程以適應(yīng)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(shè)計產(chǎn)品規(guī)格時所沒有想到的。
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使用 FPGA進(jìn)行樣機(jī)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(jìn)行編程是一件非常耗時的工作，從而加長了項(xiàng)目的計劃時間線。但是，開發(fā)工具的一些最新進(jìn)展讓我們可以將高級圖形工具用于總體系統(tǒng)設(shè)計，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估和改進(jìn)。
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Diagnostic Sonar 的開發(fā)團(tuán)隊利用美國國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)計語言，可用于設(shè)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(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?yàn)樗麄兿胧褂檬煜さ膬?yōu)秀硬件來制造樣機(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)這些組件會花費(fèi)大量的時間，并且會轉(zhuǎn)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(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
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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)計超聲波前端的經(jīng)驗(yàn)。但是，他們意識到要想達(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)計的全集成 AFE。
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