中心議題：

• 個案研究—3個月製造出超聲波成像係統樣機
• 超聲波係統組件的集成
• 最終結果—可調和可定製的係統

解決方案：

• Diagnostic Sonar 利用 PXI 平台構建其超聲波成像係統樣機
• 利用集成 AFE 開發更高性能係統

產品上市時間對於醫療產品至關重要。產品發布時間差幾個月會對項目投資收益率 (ROI) 產chan生sheng極ji大da的de影ying響xiang，可ke能neng會hui損sun失shi收shou益yi，也ye可ke能neng會hui錯cuo過guo產chan品pin上shang市shi的de最zui佳jia時shi機ji。但dan是shi，另ling一yi方fang麵mian，醫yi療liao成cheng像xiang係xi統tong開kai發fa人ren員yuan還hai必bi須xu使shi用yong最zui新xin的de技ji術shu，讓rang係xi統tong擁yong有you優you異yi的de模mo擬ni性xing能neng、複合信號處理與可視化

，並利用高速模數轉換器 (ADC) 和更多的通道數目，獲得較高的數據吞吐量。

要求產品快速上市的同時又要使用新技術，這給產品設計帶來了巨大的挑戰。但是，現在新出現的一些工具可以幫助工程師們迅速地讓新的設計轉入樣機製造
，並使其係統達到最佳性能。這些工具幫助開發人員使用可重配置現場可編程門陣列 (FPGA) 技術和麵向應用型集成模擬前端 (AFE)

，並結合靈活的集成平台，更加快速地進行成像係統樣機開發。開發人員現在可以把模塊化 FPGA 硬件
、集成 AFE
、高級設計工具和工業標準平台組合到一起，以構建高度靈活、可調節和可定製的成像係統。

個案研究—3個月製造出超聲波成像係統樣機

一家總部位於英國的公司 Diagnostic Sonar，對一種新型相控陣超聲波成像係統進行了概念展示。通過對現成 FPGA 硬件和具體應用集成 AFET 進行設計，並使用高級設計工具
，它們從確定構架到製造出一台能夠顯示實時超聲波圖像的樣機係統，總共隻用了“3 個月”的時間。由於使用了現成的模塊化 FPGA 和 AFE 硬(ying)件(jian)構(gou)建(jian)係(xi)統(tong)，這(zhe)個(ge)開(kai)發(fa)團(tuan)隊(dui)才(cai)能(neng)夠(gou)在(zai)如(ru)此(ci)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)製(zhi)造(zao)出(chu)他(ta)們(men)的(de)首(shou)台(tai)樣(yang)機(ji)係(xi)統(tong)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)擁(yong)有(you)極(ji)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)可(ke)定(ding)製(zhi)特(te)性(xing)
，從(cong)而(er)讓(rang)開(kai)發(fa)團(tuan)隊(dui)可(ke)以(yi)專(zhuan)心(xin)致(zhi)力(li)於(yu)超(chao)聲(sheng)波(bo)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)和(he) I/O 接口這些更需要發揮其專業知識的方麵。
 

圖 1 Diagnostic Sonar 利用 PXI 平台構建其超聲波成像係統樣機

FPGA 擁有許多設計靈活性，讓開發人員可以嚐試一些新的想法
，降低了係統開發早期存在的風險。由於 FPGA 可以通過軟件進行再配置，設計人員可以節省開發時間，能夠對 FPGA 編程以適應某些改動的同時演示基於硬件的處理過程
，而這些改動是最初設計產品規格時所沒有想到的。

使用 FPGA進行樣機製造的一個挑戰是，利用傳統的硬件描述語言（例如：VHDL 等）對(dui)某(mou)個(ge)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)編(bian)程(cheng)是(shi)一(yi)件(jian)非(fei)常(chang)耗(hao)時(shi)的(de)工(gong)作(zuo)

，從(cong)而(er)加(jia)長(chang)了(le)項(xiang)目(mu)的(de)計(ji)劃(hua)時(shi)間(jian)線(xian)。但(dan)是(shi)，開(kai)發(fa)工(gong)具(ju)的(de)一(yi)些(xie)最(zui)新(xin)進(jin)展(zhan)讓(rang)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)將(jiang)高(gao)級(ji)圖(tu)形(xing)工(gong)具(ju)用(yong)於(yu)總(zong)體(ti)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)，從(cong)而(er)使(shi) FPGA 編程變得更加高效。在適當情況下


，它可使用現有的 VHDL IP（Xilinx CORE Generator™
、內部開發、第三方等）。若使用正確，這些工具可以實現非常快速的原型係統開發

，這樣算法和硬件性能便都能得到評估和改進。

Diagnostic Sonar 的開發團隊利用美國國家儀器公司的工具製造出了其係統樣機。這些工具包括使用 LabVIEW™ FPGA 組件編程的 NI FlexRIO™ 模塊化 FPGA 硬件，它是一種圖形設計語言
，可用於設計 FPGA 電路
，並且無需知道 VHDL 編碼知識。NI FlexRIO 把可交換、可定製 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 機架內。Virtex 係列 Xilinx FPGA 用在電路板上，目的是達到醫療成像等應用要求的 I/O 和信號處理性能。Diagnostic Sonar 公司過去使用 FPGA 開發電路板，但現在 NI FlexRIO 更能吸引他們，因為他們想使用熟悉的優秀硬件來製造樣機，而這些硬件已經包括了許多用於 I/O 連接

、PCI Express 總線接口和 DRAM 通tong信xin的de基ji礎chu組zu件jian。自zi己ji在zai內nei部bu開kai發fa這zhe些xie組zu件jian會hui花hua費fei大da量liang的de時shi間jian
，並bing且qie會hui轉zhuan移yi開kai發fa人ren員yuan的de注zhu意yi力li，讓rang其qi無wu法fa專zhuan心xin致zhi力li於yu產chan品pin的de創chuang新xin，而er產chan品pin的de最zui大da附fu加jia值zhi正zheng是shi創chuang新xin。[page]
 

 
圖 2 NI FlexRIO 是一個產品實例，它將用戶可編程 FPGA 和高度集成的 TI AFE與可定製 I/O 結合

一旦 Diagnostic Sonar 公司決定利用使用 NI FlexRIO 的現成模塊化 FPGA 構架來製造其係統樣機
，下一步便是定義係統的 I/O。NI FlexRIO 平台擁有各種模擬和數字適配器組件，可以滿足許多應用需求，但是它也允許係統開發人員設計其自己的定製 I/O，使用適配器組件開發工具包 (MDK) 連接至 FPGA。Diagnostic Sonar 公(gong)司(si)已(yi)經(jing)具(ju)備(bei)了(le)設(she)計(ji)超(chao)聲(sheng)波(bo)前(qian)端(duan)的(de)經(jing)驗(yan)。但(dan)是(shi)，他(ta)們(men)意(yi)識(shi)到(dao)要(yao)想(xiang)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)的(de)通(tong)道(dao)密(mi)度(du)要(yao)求(qiu)，他(ta)們(men)必(bi)需(xu)使(shi)用(yong)專(zhuan)門(men)為(wei)超(chao)聲(sheng)波(bo)應(ying)用(yong)設(she)計(ji)的(de)全(quan)集(ji)成(cheng) AFE。

利用集成 AFE 開發更高性能係統

超聲波係統性能會受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個特性對所有超聲波係統設計都至關重要。

超聲波係統的 AFE 由一個低噪放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、圖形保真濾波器 (AAF) 和模數轉換器 (ADC) 組成。LNA 提供獲得良好靈敏度所需的低噪放大。VCA 和 PGA 是時間增益控製 (TGC) mokuaidezuchengbufen，kegaishanxitongdedongtaifanwei。lingwai，tamenhaiyunxuzengyisuishijianerzengjia，mudeshizaixinhaotongguorentishiduizengdadexinhaoshuaijianjinxingbuchang。zhihou，duijingguofangdachulidexinhaojinxinglvbo，yigaishanqixinzaobi (SNR)。然後，通過一個 ADC 將所得到的信號轉換成數字格式，並利用接收波束生成器對其進行處理。AFE 的性能極大地推動著超聲波係統特性的演變
，讓它的體積更小、重量更輕
、電池壽命更長和圖像質量更高。

在開始 IC 設計以前
，工藝選擇是半導體製造廠商的一個關鍵考慮因素。工藝選擇必須平衡性能、功耗
、成本和升級可行性等方麵。

不管設計的對象是高端汽車還是一個手持便攜式係統，AFE 通道整合都很重要。便攜式係統開發人員必須盡可能多地節省其電路板空間，並且高端係統必須針對高通道數目進行優化。過去五年，AFE 迅猛發展。2004 年
，使用離散方法設計一個 16 通道的 AFE 需要超過 40 個組件。現在，隻需要 2 個！

半導體工藝技術的發展讓我們能夠縮小尺寸
、降低功耗和提高總性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，電路板空間減小了 94%，功耗降低了 67%。AFE　器件中更高的通道集成度讓尺寸大大減小，更少的組件數目節省了成本

，而其布局也更加簡單—所有這些，最終讓係統擁有更高成本效益和更短產品上市時間成為現實。
 

 
圖 3 過去幾年麵向具體應用的模擬前端極大地提高了集成度和性能

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超聲波係統組件的集成

許多設計人員的應用都要求盡可能地使用最高性能的 AFE，而 Diagnostic Sonar 公司則考慮使用 NI FlexRIO MDK 來圍繞最新的 AFE 構建其自己的設計。但是
，最終他們都意識到可以利用 TI 的 AFE5801 所提供的高性能來實現其應用。AFE5801 擁有 8 通道，可提供 –5Db 到 +31Db 的數控掃描增益。他們可以使用一種現貨適配器組件 NI 5752，其將四個這種 AFE 集成到一個 32 通道組件中
，擁有 50 MS/s 的采樣速率和 12 比特分辨率。

在係統接收端使用現成組件為他們節省了大量的開發時間，這樣他們可以將其精力放在硬件設計方麵：NI FlexRIO（同 NI 5752 配對使用）的 32 通道、高壓脈衝生成器組件。使用模塊化 FPGA 硬件進行樣機製造，讓他們能夠迅速地生產出一台可以工作運行的樣機係統，並確定需要進行哪些硬件改動，原因是 I/O 從 FPGA 反端分離了出來。由於他們都使用了模塊化 FPGA 板構建其設計，他們的樣機係統都隻有 32 條通道
，但對構架進行簡單的調整，便可以擁有 64 條、128 條、256 條甚至更多（需為 32 的倍數）同時用於收發的通道數目，集成多路傳輸功能，並且適應於各種超聲波陣列。另外，通過將 FPGA 用於硬件式信號處理，他們的信號處理可以根據係統增加通道數目情況進行調整
，無需讓 CPU 限製係統的成像速率。

在軟件端，Diagnostic Sonar 公司一開始在主機上使用 LabVIEW 編製算法—包括波束生成
、濾波和矯正等，並使用一種圖形用戶界麵 (GUI) 實現數據的可視化。在樣機係統演示之後
，他們便可以利用 LabVIEW FPGA 將算法移至 NI FlexRIO 板上的 FPGA，以進一步提高信號處理性能。最後，Diagnostic Sonar 公司使用模塊化 FPGA 硬件和圖形軟件
，創造出了一種高性能、duotongdaochaoshengbocaijihechulixitong。gaixitongkeyizhenduigezhongyingyongjinxingtiaozhenghedingzhi。zhexiejishurangtamennenggouweiqikehutigonggezhongxuanxiang
，keyitigongyizhongkelijitourushiyongdebiaozhunxitongpeizhi，yekeyixiangnaxieyongyouxitongjichengnenglidegongsifenkaichushoudangezujian（例如：32 通道脈衝生成器、定製陣列連接和波束生成IP等）。

最終結果—可調和可定製的係統

Diagnostic Sonar 是一家小型公司
，但是他們利用 FPGA 的信號處理能力和可重配置性以及 TI 超聲波AFE擁有的優異模擬性能，製造出了一個可輕鬆調整和定製的超聲波係統。另外
，他們利用現成定製硬件在非常短的時間內（僅 3 個月）便完成了對初始係統的樣機論證工作。

總zong之zhi
，這zhe種zhong需xu求qiu會hui不bu斷duan增zeng長chang。各ge大da醫yi療liao係xi統tong開kai發fa公gong司si需xu要yao使shi用yong各ge種zhong方fang法fa將jiang下xia一yi代dai技ji術shu集ji成cheng到dao其qi產chan品pin中zhong，並bing且qie還hai要yao在zai上shang市shi產chan品pin中zhong實shi現xian新xin的de創chuang新xin。Diagnostic Sonar 和許多其他公司都在使用同樣的設計方法，即利用 FPGA 和 AFE 幫助實現下一代成像係統的這些創新。