现代生物医学仪器正在向着微型化、多功能化、系列化等方向发展 ， 系 统 中 的 数 字 部 分 越 来 越 重 要 。 现 场 可 编 程 门 阵 列是一种新型可编程逻辑器件， 性能优良，应用于生物医学工程领域，可显著降低数字系统的开发成本。
随着计算机技术和电子技术的发展， 现代医学仪器已经向着智能化、小型化、多功能化方向发展， 在仪器设计中数字化程度越来越高， 用到的ASIC数量和规模越来越大。 由于现场可编程逻辑器件的出现，ASIC的设计与制造，已不再完全由半导体商家独立承担，设计者在实验室里也可以自己设计出合适的ASIC芯片，并且立即进行实际应用，现在应用最广的主要是现场可编程门阵列。现场可编程门阵列器件是一种新型的高密度可编程逻辑器件，采用CMOS-SRAM工艺制造。 现场可编程门阵列是新一代的数字逻辑器件， 它们的规模比较大， 适合于时序、组合等逻辑电路应用场合， 它可替代几十甚至上百片通用中等规模以上的 WI 芯片。它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户可重复定义的逻辑功能，即具有可重复编程的特点。因此，现场可编程门阵列使数字电路系统的设计非常灵活， 并且显著缩短了系统研制的周期，缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的种类。 在生物医学工程领域，得益于现场可编程门阵列的发展，现代医学仪器设计用现场可编程门阵列取代中小规模芯片做逻辑控制， 在医学信号采集与处理、图像获取与处理、便携式医学仪器设计等方面得到了应用。
现场可编程门阵列现场可编程门阵列的基本结构和工作原理
现场可编程门阵列是一种程序驱动逻辑器件， 就像一个微处理器， 其控制程序存储在内存中， 加电后，程序自动装载到芯片执行。 现场可编程门阵列一般由2 个可编程模块和存储SRAM构成。CLB是可编程逻辑块，是现场可编程门阵列的核心组成部分， 是实现逻辑功能的基本单元， 主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等数字逻辑电路构成。
IOB 是输入输出模块， 它提供了芯片引脚和内部逻辑阵列之间的连接， 主要包括输入触发器、输入缓冲器、输出触发 . 锁存器和输出缓冲器，每一个IOB控制一个引脚， 可独立编程为输入、输出和双向I/O， 非常灵活，而且兼容 CMOS和TTL两种电平。
IR是可编程互联资源，包括各种金属线和可编程连接开关，其主要任务是将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来， 构成各种功能复杂的系统， 共有 2 种类型：
①直接连接线，这种连接线延时最少， 但仅限于相邻的CLB、IOB 之间选用。
②通用内部连接线，这是最灵活的连接方式， 可以连接任意两点， 是最常用的方式。
③长线，这种方式是以最小延时做远距离连接，是最贵的资源，实际使用时须做合理的运用。
现场可编程门阵列的内部存储单元 SRAM（ 静态存储器）是专门设计的， 具有可靠性高、抗干扰能力强、保密性好等优点， 器件在出厂时都由厂家进行安全可靠性测试，保证在最不利的情况下也能保证安全性， 不至于发生软错误， 因此基于现场可编程门阵列设计的系统具有高度可靠性。
基于现场可编程门阵列的系统设计不同于传统的设计方法， 是一种自上而下的设计， 从系统设计总体要求出发， 逐步将设计内容细化， 最后完成系统的整体设计，这种设计使得电路设计更趋于合理， 显著缩短了设计周期， 降低费用， 降低了硬件电路设计的难度。
现场可编程门阵列是用软件来实现硬件电路的功能， 通过设计软件就可以得到想要的硬件电路功能， 而要修改硬件设计时只要重新修改软件就可以了，时下各大现场可编程门阵列厂家都提供了功能强大的现场可编程门阵列开发软件包， 对于一般的电路， 完全不需要人工干预就可以自动完成， 而采用人工干预，则可以实现特殊功能需求的设计。
现场可编程门阵列现场可编程门阵列的生物医学工程应用
应用于医学信号检测与处理 由于现场可编程门阵列性能出众，速度快， 因此广泛用于信号采集与处理，可实现信号采集控制以及信号处理。在便携式心电图仪的设计中， 设计者采用现场可编程门阵列Cyclone IC6作为控制核心， 嵌入Nios微处理器， 加入DMA 以及Memory Controller 模块， 实现了在心电Holter模式下心电信号采集与存储。 由于现场可编程门阵列芯片可编程， 因此具体在实现时，是在现场可编程门阵列中用硬件的方法实现 DMA 控制器以及 CF 卡读 a 写控制器， 实现高速数据采集时的导联切换和数据存储控制。 并由现场可编程门阵列实现了数字滤波、信号整形等处理。
在很多情况下，要求生物医学系统具有实时处理信号的能力，如心电信号的实时滤波和压缩处理对于心电图的分析研究具有很大的意义。 信号的实时处理也对器件提出了更高的要求，目前现场可编程门阵列正处于革命性的数字信号处理技术前沿， 可以满足采集量大、运算复杂实时性要求高的应用系统。
在数字信号实时处理方面， 前端的可编程数字信号处理系统一般都是由 ASIC 或DSP等构建的， 或者是由DSP和现场可编程门阵列组成主从结构实现，以DSP 为主机， 完成大量复杂的信号处理算法， 而现场可编程门阵列为从机，主要实现逻辑功能控制。 随着现场可编程门阵列技术的进步， 现代的现场可编程门阵列系列都提供了支持以低系统开销、低成本实现高速乘-累加超前进位链的 DSO算法，使得现场可编程门阵列在前端数字信号处理领域逐渐替代DSP, 直接由现场可编程门阵列实现数字信号实时处理以及逻辑功能控制。 在实时心电信号处理系统设计中，采用了现场可编程门阵列器件作为核心处理芯片， 实现了对心电信号的前端数字信号处理， 包括心电信号采集、AD 转换、心电滤波、数据压缩以及与上位机进行通讯等模块。 以现场可编程门阵列为核心的心电信号处理系统， 利用现代现场可编程门阵列内部丰富的硬件资源，把心电信号滤波和数据压缩放在现场可编程门阵列内来实现，有效减小了电路的复杂性，降低了成本。
应用于图像获取与图像处理 图像获取时，需要进行AD 转换控制、存储器读写控制、数据传输控制以及数据预处理等操作， 作为大规模逻辑器件， 现场可编程门阵列能担当此任。
在基于现场可编程门阵列的图像采集卡的设计中，以现场可编程门阵列器件 XC2S30-5PQ208作为核心控制芯片，进行 AD转换控制SRAM读写控制， 并控制 AD 转换和 SRAM之间以及采集卡与上位机之间的数据传输。 为了减轻上位机的负担， 还在现场可编程门阵列内实现对AD转换后的信号进行初次滤波处理。
电子内窥镜中采用 CCD 器件作为图像传感器进行图像采集， 对 CCD 传感器的控制， 关键是控制它的驱动信号， 即按给定的操作时序来产生驱动信号， 这样才能得到 CCD 采集的视频信号。在基于现场可编程门阵列的医用电子内窥镜设计中， 设计者采用现场可编程门阵列器件实现逻辑控制功能， 完成系统的传输控制、显示缓存控制和时序协调控制等，通过现场可编程门阵列实现控制功能，可以在不改变硬件电路设计的情况下，仅通过更改软件即可实现对硬件功能的改进。
随着数字图像处理技术的不断发展， 图像处理控制电路逐步由模拟转向数字， 因此， 在数字图像处理中， 可以应用现场可编程门阵列实现控制逻辑， 用来产生帧存储器读写控制、奇偶场识别信号以及图像处理时序等。
在基于现场可编程门阵列的医用电子内窥镜设计中， 设计者采用现场可编程门阵列器件来完成FIFO的读写控制， 产生VRAM 复杂而严格的时序控制信号， 实现显示缓存， 并进行了 CCD 输出图像格式的转换，保证了图像在PAL制式显示器上的正确显示， 由现场可编程门阵列逻辑电路实现 Wash法插值放大和增强处理， 有效改善了显示图像的质量， 提高了图像质量和显示效果， 并通过现场可编程门阵列控制VRAM 存储器读写， 实现多画面显示、图像冻结等多种数字视频特技。 同时6可以利用现场可编程门阵列集成度高、 速度快和容易实现复杂逻辑功能等优点，对电子内窥镜畸变图像进行实时校正, 这样设计出来的校正电路，体积小，易管理，屏蔽性好。
现场可编程门阵列发展
基于现场可编程门阵列的系统设计， 其硬件功能的描述完全在软件上实现， 在设计中不断调试软件就可以随时进行硬件功能的改进， 这种全新的软硬件设计理念使设计的系统具有强大的灵活性和适应性， 随着技术的进步， 将来可以通过升级软件的方式来升级仪器的性能。 在现代医疗仪器的设计中采用现场可编程门阵列实现， 将显著缩短开发周期， 减少设计风险，降低成本，提高产品的可靠性、灵活性，并实现模块化、微型化。 可以预期，现场可编程门阵列在生物医学工程领域中的应用必将前景无限。
