嵌入式世界專欄─混合訊號FPGA嵌入式單晶片　提高血液透析機的可靠性

不少臨床醫療設備，例如病患監察器、血液分析機和血液透析機，都是以微控制器/微處理器為基礎，在機電裝置中採用相同的建構模組，包括電源/電池控制、用戶介面(鍵盤、LCD顯示螢幕和音訊控制)、用於記錄資料的快閃記憶體或EEPROM，以及泵浦/馬達控制等。不過，在對感測器和訊號調節電路以及機械結構的要求方面，它們則各有不同。例如，血液分析儀需要一個離心分離機，而血液透析機則需要一個透析器(過濾器)。

Microsemi美高森美公司產品行銷經理Minal Sawant表示，血液透析機的設計目的是在治療過程中持續控制和監視靜脈和動脈血壓，並會在透析過程中加入抗血凝劑(通常是肝磷脂)。一般採用數個控制器來監控血液及其它體液的流量，發出警報，並在必要時關閉儀器。

電源控制模組對溫度進行檢測，啟動風扇驅動器，並執行看門狗與電池備份等功能。用戶模組經由鍵盤或觸控板輸入病患資訊，按個別病患需要設置治療參數，還能協助醫療服務提供者監控透析期間病患的身體狀態和治療效果。資料記錄/通訊介面管理快閃/EEPROM和通訊埠的使用。可通過好幾個模組與控制器來啟動音頻/警報輸出功能，發出狀態警報。訊號調節/感測器控制模組與系統的機械部件(透析器和導管)緊密整合，共同控制抗凝劑的用量；利用比較器、高精度通用運算放大器以及類比數位轉換器來控制和感測溫度，控制透析液的混合與流量，以及其他關鍵功能。泵浦/馬達控制與驅動器電路管理透析機中眾多的泵浦、閥門、馬達和加熱器。動脈與靜脈控制模組包含了液位感測器和壓力感測器。

對於臨床應用而言，Microsemi Fusion混合訊號FPGA是一個適合的選擇。能提供非揮發性、低功耗FPGA優勢，並具有獨特的混合訊號、非揮發性記憶體(NVM)與可靠性特性的解決方案。此一混合訊號FPGA可以把原本一般得由數個離散式元件才能提供的功能，完全整合在單個可靠的低功耗可程式晶片中。只需利用此元件，就可取代由看門狗部件、風扇驅動器和溫度感測器組成的電源控制模組。馬達/泵浦驅動器模組的功能也可由單個元件來提供，包括微處理器和類比數位轉換器。在許多情況下，Fusion能整合若干個模組。例如，音頻/警報模組可以與用戶介面模組以及資料記錄/通訊模組儀器整合在一個晶片中。此單晶片也可以幫助系統主板省去多個元件 (如快閃記憶體、PWM、離散式類比IC、時脈源、EEPROM和即時時脈)，從而降低醫療設備的系統成本和電路板面積要求。

在許多血液透析機中，電源管理和熱管理單元執行關鍵任務，例如溫度感測和系統斷電/上電功能。準確測量溫度並控制透析設備的電源有助於提高系統可靠性，延長產品壽命。而運用FPGA元件中的嵌入式類比資源，這些關鍵特性很容易被整合和設置。一個典型的透析設備還可以利用EEPROM或快閃來進行資料記錄與儲存。另外，與許多FPGA有別，Fusion元件的上電湧入電流極低，也無冗長的電流轉換週期，故能夠最大化省能，適合醫療應用。

FPGA在臨床醫療應用中始終擁有強大的優勢地位。憑藉多功能性、可程式性、更短的開發週期以及易於使用等特點，FPGA一直以來都在這些領域中廣獲運用。整合化的Fusion提供一種嶄新的解決方案，可滿足系統關鍵型臨床醫療應用對可靠性、安全性和高度整合化的要求。

另外，針對現今複雜的嵌入式設計，美高森美公司發表SmartFusion，此元件是全球首款智慧型混合訊號FPGA元件，可為包括馬達控制、系統和電源管理、以及工業自動化等多種應用提供功能強大的解決方案。嵌入式設計人員無需再為設計做折衷選擇，他們能在單一晶片上，輕鬆地建置想要的系統，並具備所有需要的功能。

[嵌入式世界專欄每週二刊載]