架构
架构
医疗电子设备涉及各种设备实施,包括占据整个房间的大型诊断成像设备和患者可手持的小型移动设备。
医疗行业越来越多地需要以较低的成本提供卓越的患者护理,在这种趋势的推动下,供应商要求提高 OEM 医疗影像和视频数据的可视化和传输速度。因此,众多技术趋势不断涌现,影响未来的设备架构:
- 朝商业化现成 (COTS) 同构硬件平台发展
- 从专有并行迁移至标准化串行组件互联 (HSIO)
- 将有线和无线设备连接提升至互联网连接
这些趋势以及各种设备实施推动着设备迁移至以下实施架构:
- 基于机箱 — -采用异构或同构处理卡的无源背板
- 基于模块化 — 采用 PCIe* 模块的单一主板计算机,以实施特定于应用的功能
- 便携式设备 — 采用嵌入式 CPU 的 FPGA,实施所有处理功能
机箱
规模较大的影像系统使用机箱来实现灵活性和可扩展性,提供各种价格点供医院/诊所选择。这些系统还支持跨多种平台、多个团队和多个地点加速开发复杂的软硬件。
诊断影像需要多个电子子系统和特殊组件采集并重建人体宏大的生命图像。这些子系统必须满足以下要求:
- 能够容纳用于数据采集、处理、控制和交换互联的多种卡
- 通过专有并行总线结构来传送大量的数据
现在您可以实施商业化现成 (COTS) 或专有机箱背板架构(见图 1),将标准化串行实施用于集成串行收发器[例如英特尔® Arria® 和英特尔® Stratix® FPGA 家族上的PCI Express* (PCIe*),它支持:
- 显著提高子系统数据传送速率
- 降低开发成本,减小设备引脚布局。
- CPU 结合 FPGA 协处理卡,打造性能更高的同构刀片服务器
同构处理架构提供能够立即使用的可扩展硬件平台,包括了用户接口、存储和互联,能够通过 FPGA 插件卡添加算法加速。OEM 增加特定于应用的模拟接口卡,完成系统的电子部分。参见下图。
基于机箱的架构
模块化
超声等模块化医疗设备设计人员一直需要定制设计硬件。现在,商业化现成 (COTS) 模块化系统越来越普遍,它基于单板计算机 (SBC) 和嵌入式 CPU 主板,包括了:
- 基于 x86 CPU 技术,支持 Windows OS
或 - 开放式标准操作系统,比如 Linux*,结合 RISC CPU
这些 SBC 以前使用 PCI 并行标准作为其 I/O 扩展接口来传输数据,大部分设备功能在软件中实现。今后,这些 SBC 将实施:
- 带宽更高的 PCI Express (PCIe) I/O,同时保持 PCI 软件兼容
- 千兆位以太网,支持连接至其他设备和互联网
为了满足特定于应用的需求,您现在可以:
- 使用面向 PCI Express 的英特尔® FPGA IP 轻松实施 PCI Express 模块化主板
- 在英特尔® Arria® FPGA 和英特尔® Stratix® FPGA 家族内部集成多个超过 10 Gbps 的串行器/解串器 (SERDES) 通道
- 使用英特尔® Stratix® FPGA和英特尔® Quartus® Prime 设计软件快速创建定制功能和接口
图 1 显示了这些模块化 PCIe 功能主板可以独立于应用,将连接探测器/传感器的特定于应用的模拟接口放到子卡上,提高了多种模块化医疗设备的容量。
基于模块化的系统
便携式
手掌大小的便携式设备能够实现对病人生命体征的移动监视,例如,心脏脉搏、血压和血糖跟踪等。
以前采用一系列独立组件和 CPU 来实施这些便携式设备。但需要耗费大量的时间和资源来实施定制硬件平台,导致:
- 过多地投入开发标准模块而非定制应用模块
- 多个独立 ASSP 和 CPU 组件面临过时的风险
- ASIC 集成风险高、成本高、灵活性差
借助最新英特尔® Quartus® Prime 设计软件,Platform Designer,Nios® II 嵌入式处理器,SoC 设备家族和英特尔® Cyclone®、英特尔® Arria® 和英特尔® Stratix® FPGA 的可编程硬件功能,您可以
- 将多个 ASSP 设备和处理器集成至单个独立于应用的 FPGA
- 在单个 FPGA 上的多颗 Nios® II 处理器中实施独立功能
- 生成协处理逻辑,大幅度提高功能性能
- 轻松集成所有特定于应用和标准知识产权 (IP) 模块与 Platform Designer
其他工作效率方面的优势包括:
- 重复利用之前工程部的 IP 开发投入
- 充分利用其他英特尔® FPGA 和合作伙伴 IP 模块
- 将特定于应用的模拟 I/O 和传感器电路分开放在模块化子卡上
下图显示了英特尔® Cyclone® 或英特尔® Stratix® 系列 FPGA 如何使用一颗或多颗 Nios® II 处理器(包括定制逻辑)实施系统可编程芯片。 可以将用户接口、特定于应用的模拟功能和网络连接添加至整套便携式设备。