应用于除颤器的FPGA解决方案

应用于除颤器的FPGA解决方案

越来越多的人们认识到当心脏病患者的心脏骤停时，快速及时的救治能够带来很大的好处。这促使更多公共场所和办公室配备有AED设备。而且在美国，因为各州政府强制规定，如果场地所有者没有配备足够的AED设备，将有可能被追究法律责任，这后果显然比偶然出现的AED设备滥用状况更严重。

由于AED的使用者可能是没有经过医疗培训的人，所以此类产品在设计时必须避免有不安全运作的机会。例如，AED设备需要具备判断功能，在判断出CPR是更合适的心脏复苏急救法时，防止使用者进行电击急救法。为此，AED设备必须能够确定有关的操作是否安全，这就需要模拟传感器输入和复杂的数字信号处理，以便检测和分析心脏产生的电信号。

这并不意味着手动除颤器就没有发展空间，因为手动除颤器可以加入更多的传感器输入来监控附加的参数，让医护人员施行二氧化碳浓度（capnography）和脉搏血氧浓度（pulse oximetry）测试，同时获取分辨率较高的12导心电图。手动设备在人体工程学设计方面也有所改善，包括：延长电池寿命、遥测和改进的显示。

鉴于AED设备部署广泛但使用并不频繁，它们必须能够在备用状态出现问题时，利用IEEE 802.11 WiFi等无线协议向医护人员发送信号，所以这些设备必须安全地部署在处于无线接入点范围之内的任何场所。如果能够及早通报问题，便能保障去颤器经常处于良好的操作状态，用于医疗救助任务。同时，AED设备需要设计成只有合格的工程师才能维护保养设备，而未经授权人员则无权取消此项操作。

美高森美公司（Microsemi Corporation）的非易失性FPGA可广泛应用于医疗仪器设备，而这些器件的安全性、高集成度和非易失性存储的特点，特别适用于自动化体外除颤器（automated external defibrillator, AED）。

美高森美的FPGA系列能够满足AED设备设计的众多要求，SmartFusion和IGLOO器件能够提供实现心脏除颤器核心功能所需的传感器接入、用户界面和致动器控制，Microsemi器件固有的安全保障功能可以保证无线传输的数据不被拦截和破译，而且用户或电脑黑客无法篡改设备数据。

所有美高森美第三代FPGA，包括ProASIC3，IGLOO，Fusion和SmartFusion系列，均使用快闪存储器来永久储存密钥设置，这些密钥设置决定产品出厂之后，哪些部件是可以重新编程的。没有正确的密钥，设备程序不可能重新编程；这项设计使得篡改数据几乎不可能。另外，片上快闪也为保护数据所需密钥提供了安全的存储地点。

由于AED设备将会放置较长的时间，所以降低待机功耗是必要的，以便尽可能地节省内部电池能量，从而延长两次充电之间的备用时间。在待机期间，任何非系统监控功能均需要禁用，以便防止其耗用电能。在传感器检测到系统被使用之前，LCD和其它AED功能会一直处于禁用状态。在检测到使用信号时，系统需要尽快恢复使用状态，这项功能难以使用易失性FPGA技术来实现。

基于SRAM的FPGA器件需要恒定电流来维持其编程状态，基于SRAM FPGA的系统设计通过向EEPROM写出状态信息而进入低功率状态，然后，在恢复供电时重新加载配置位流。不过，这要求在硬连线逻辑和单独的微处理器中实现大部分系统功能。

AED设备存放长时间后重新进行系统初始化所需的时长是至关重要的，为了有效，AED设备必须在从其存储状态恢复之时就可以使用。如果首个使用人员不得不等待AED启动方能使用，则不够高效。因为美高森美开发的基于反熔丝和快闪技术的 FPGA器件是非易失性的，在上电之际就可使用，可以立即使用AED功能。

由于非易失性FPGA是单芯片器件，可以省去与SRAM FPGA配置单元相关的附加电路。除了一个引导ROM和一个用于存储未加密配置代码的附加系统存储器之外，基于SRAM的FPGA还可能需要一个复杂可编程逻辑器件（CPLD）来处理系统配置和监管任务，因为FPGA只有读入其自己的配置数据之后，才能接管那些功能。而且，还需要时钟及复位信号发生电路在上电时帮助进行电路板元件初始化。这些因素降低了可靠性，增加了系统设计的复杂性及成本，减慢了开发速度。

美高森美的SmartFusion FPGA器件能够整合微处理器、可编程逻辑和系统I/O功能，最大限度地减少电路板空间并提供非易失性优势。通过使用其IGLOO FPGA器件，可以进一步节能。这些器件可在1μs之内进入Flash*Freeze模式，仅消耗5μW来保持系统存储器和易失性数据寄存器的内容。由于AED设备大部分时间都处于低功耗模式，美高森美用于节能的IGLOO解决方案以及用于传感器和系统管理功能的SmartFusion器件是完美匹配AED设备需求的产品。