提升个人健康监测系统的便携性、功率效率和安全性
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随着健康意识的增加和全球各地不断上升的医疗保健费用，用于疾病预防和早期诊断及治疗的先进新技术获得越来越多的重视。个人健康监测器和其他便携式医疗设备使得人们能够更容易地评测其健康状态，采用更好的生活方式，以及预防大多数严重疾病。这些设备还改进了在医院环境外的现有长期医疗保健条件的管理。无论病人在哪里，都可以连接至治疗中心的可穿戴式设备，从而可在问题变得严重之前提醒医疗专业人士。
个人心脏监护器、超声设备、除颤器和其他便携式医疗设备有着共同的要求。它们必须小而轻，并且能够在一次电池充电下长期工作。这些设备还必须确保有效数据安全性，使得第三方不能截获个人身份的医疗数据。而采用现场可编程门阵列（F P G A ）技术可以应对所有这些挑战。
典型的可穿戴式心脏监护器包含了以无线方式连接至发射器的控制单元，传送来自胸带或贴片装置的心率信号、皮肤温度和其他测量数值。使这些便携式设备的功耗最小化是至关重要的，但是液晶显示（ L CD ）装置和其他新型外设的增加，同时预示系统的能源要求变得更高，因而令挑战变得更加困难。
例如，许多便携式超声扫描仪带有L CD，支持彩色和高清晰度，可是会消耗几乎5 0 %的应用功率预算。只要将L C D和控制逻辑置于节能模式，在这些情况下就有可能大大减少电池消耗。采用现有的专用标准产品（ AS S P ）很难做到，由于它们并非设计用于医疗应用。
另一方面，在便携式健康监测系统中，F P GA提供了非常简单的解决方案来实现节能技术。一个方法是关闭与RF传送功能相关的电路。许多定制器件增加了专用特性，比如数字信号处理（ d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ， D S P ）算法来监控特定条件：例如，在病况发展中每次心跳的电气参数曲性可提供至关重要的信息并提供潜在问题的预警。在系统内，传感器单元使用超低功率RF通信，将测量值传送到控制单元。传感器单元还可包含内部处理过程来过滤不必要的读数并压缩数据流和相关的RF传送时间，可显著延长电池寿命。通过将模拟捕获和预处理功能置入到F P GA硬件中，传感器单元的微控制器可运行在极低的时间占空比上，直到需要启动RF发射器并发送数据包到控制单元。所有必要的功能可在用户逻辑中实现，包括使F P GA监听无线数据包——这项功能通常在更耗电的微控制器上实施。
如果使用更高集成度F P GA器件，它具有一个嵌入式3 2位微处理器内核、一个可用于初始化和控制设备支持的模拟I / O端口的模拟计算引擎，自动捕获来自模拟输入的数据，然后传送到硬核后处理引擎。在将数据放入缓存通过嵌入式内核进行处理之前，该引擎可以实施低通（ l o w- p a s s ）滤波和其他功能。为改进功率效率并延长电池寿命，仅当缓存达到了某一极限，此处理器才需要被唤醒。
图1显示了典型心脏监护系统的配置。F P GA是系统的心脏，执行所有的控制、接口和存储功能。根据具体的应用需求，可以采用不同的F P GA实施方案。例如，如果模拟的需求很可观而数字控制则很复杂，S ma r t F u s i o n器件则是一个不错的选择。它集成了嵌入式行业标准微处理器、快闪和S R AM存储器、标准外设、丰富的高级安全功能、F P GA架构，以及可编程模拟功能（比如电压、电流和温度监测；集成ADC和DAC；模拟输入和输出，及卸载CP U负荷的模拟计算引擎），而且所有部分都在同一个芯片上。假如模拟需求较简单，但需要更多的数字功能，S ma r t F u s i o n 2器件可以提供更多可编程架构和额外固定功能能力，而降低模拟的能力。
另外，基于快闪的超低功耗F P GA可进一步帮助降低能耗。例如，I GL OO和I GL OO 2器件已为低功率优化，并且当系统不使用时，能够将能耗降低至2μW。虽然I GL OO器件不包含模拟功能，但可支持片上处理器，因此适用于低功耗是至关重要的设计。I GL OO 2器件不包含模拟功能或嵌入式处理器（但可以在F P G A架构中实现更复杂的控制功能），却包含了几个增强的内存功能，用于具有关键数据跨接和数据缓冲需求的设计。
当系统非积极使用时，它们能够使各种存储和I / O功能的功耗下降到2μW。对于自动体外除颤器等系统来说这是至关重要的因素，在检测期间这些设备可能数周或数月无人管理。
然而，不是所有的F P GA存储技术都可提供相同水平的功率效率。今天的高密度F P GA可以基于静态随机存储器（ S RAM）技术，或者非易失性快闪技术。前者常常要求大功率，因为需要恒定电流来保持它们的编程后的配置单元。在便携式或电池供电医疗设备中，这限制了S RAM F P GA器件的部署。与此相反，基于快闪技术的F P GA无需此附加电流。此外，当不使用时，基于快闪技术的F P GA有能力使整个设备进入到超低功率状态。对于经常具有低占空比并且使用或测量之间具有长间隔的医疗设备，这种特性可以造成电池寿命的显著差异。
基于快闪的F P GA还更容易将更多功能容纳在更小的空间中。基于S R AM的F P GA可能需要大量的附加电路，包括引导只读存储器（ R O M）和额外的不安全的配置代码存储器，以及用于系统配置和管理任务的复杂可编程序逻辑器件（ CP L D ）。在上电时还需要时钟和复位信号发生电路来帮助初始化电路板上的组件。这些问题降低了可靠性、增加了系统设计和复杂性和成本，并减慢了开发进程。
相反，基于快闪的F P GA可上电即行，所以它们无需此附加电路。除了改进系统运行并减少功耗，上电即行还可让用户立即使用控制功能，对于许多便携式医疗设备来说，这尤其重要。基于快闪的 F P GA还提供了一个重要的安全优势。因为基于快闪的 F P GA可保持上电周期之间的单元持电 状态，所以在上电时无需重新加载配置。可能更重要的是，编程比特流（ b i t s t r e a m）永远不会遭受潜在的黑客攻击。这为便携式居家系统提供了至关重要的保护功能，它们需要任务的关键和可靠性并且必须具有可信的个人病患数据传输。
安全性设计
日益增长的使用便携式设备来记录、存储和传输病人数据到中心服务器意味着个人健康档案现在延伸到了医院或医生的手术之外。这些设备需要安全的方式来高速传输它们记录的数据，确保个人档案在任何时候都不会被盗用。另外，保护与设计实现相关的知识产权（ I P ） 以避免偷窃或复制变得越来越重要。基于快闪的 F P GA具有多项关键特性，可以帮助保护设计I P，防止偷盗或复制。
因为基于快闪的FPGA在芯片上存储配置位（ c o n f i g u r a t i o n b i t ）文件，所以不会在复位或系统上电期间被“窥探”。另一方面，基于S RAM的F P GA，必须在芯片外存储配置文件，因此很容易被复制。另外，从捕获的比特流中逆向设计一个基于S RAM的F P GA设计是相当简单的，因而可以找到关键设计要素或商业秘密。此外，在编程期间，基于快闪的 F P GA可通过各种加密方法来保护片上配置文件，此功能使之易于进行设备编程，即使在不安全的合约制造设施中，也不会出现过多制造及因此而导致的设备销售被偷窃。通过使用基于快闪的F P GA，可以保护您的设计，以及您的制造工艺。
现今的便携式健康监测系统和其他医疗设备必须小而轻，它们还必须在一次电池充电后运行尽可能长的时间，并包含必要的安全特性来保护病患，防止可能导致不可预知的危险的性能和可靠性问题的产品盗窃和克隆。非易失性基于快闪的 F P GA技术提供了必要的集成和低功耗特性，能够实现非常紧凑的节能系统设计，这些设计极难复制或篡改。