1 Elektroniczna aparatura medyczna Układy programowalne

2 Historia techniki cyfrowej 3000 lat p.n.e. magiczne symbole chińskie 8 sekcji 3 elementowych kombinacji binarnych 1700 lat p.n.e. papirus, starożytny Egipt mnożenie binarne

3 ENIAC - The first electronic computer (1946) 140KW 100 kHz 5,000 additions per second 500 multiplications per second 18,000 vacuum tubes resistors, capacitors 6,000 switches 30m * 3m * 1m

4

5 Liczba tranzystorów w procesorze w tysiącach Transistor Counts 1,000, ,000 10,000 1, i386 i486 Pentium ® Pentium ® Pro K 1 Billion Transistors Source: Intel Projected Pentium ® II Pentium ® III

6 Tranzystor w układzie scalonym kosztuje niewiele cost: ¢-per-transistor Fabrication capital cost per transistor (Moore’s law)

7 Wielkość pojedynczego tranzystora

8 PLD (ang. Programmable Logic Device) – układ elektroniczny o programowalnej strukturze Układ PLD może zostać zaprogramowany tak, żeby działał jak dowolny układ cyfrowy. Ograniczeniem jest tylko wielkość zasobów układu PLD, czyli liczba wewnętrznych elementów które można zaprogramować. Układy programowalne nie są procesorami, ponieważ procesor to układ o stałej strukturze wewnętrznej, natomiast struktura bramek logicznych w układach PLD zależy od tego jak zaprogramujemy dany układ. Najważniejsze typy układów PLD to: SPLD, CPLD, FPGA Strukturę układu PLD definiuje się zazwyczaj przy pomocy języka opisu sprzętu – HDL (Hardware Description Language).

9 SPLD (ang. Simple Programmable Logic Device) – grupa prostych programowalnych układów elektronicznych pierwszej generacji. Z powodu stosunkowo ograniczonych możliwości logicznych służyły głównie jako układy zastępujące klasyczne obwody logiczne. CPLD (ang. Complex Programmable Logic Device) – złożone programowalne układy elektroniczne. Układy te są koncepcyjnie podobne do SPLD, mają większe zasoby logiczne i możliwości funkcjonalne. Architektura hierarchiczna oparta na makrokomórkach logicznych (od kilkudziesięciu do kilkuset). Zazwyczaj od 4 do 16 makrokomórek jest połączonych w większe bloki funkcjonalne. Większa liczba bloków jest łączona za pomocą matrycy połączeniowej kluczy, której zdolność łączeniowa określa, w jakim stopniu układ jest programowalny.

10 FPGA Field Programmable Gate Array (bezpośrednio programowalna macierz bramek) – rodzaj programowalnego układu logicznego. Układy FPGA są zazwyczaj wolniejsze od odpowiadających im układów ASIC i pobierają więcej mocy. Natomiast krótszy jest czas ich projektowania, niższe koszty produkcji (dla małych serii). Istnieje obecnie możliwość wykonania tzw. Hard-Copy układu FPGA, czyli układu scalonego o funkcjonalności takiej jak wgrany do układu FPGA projekt. Układ taki jest szybszy i pobiera mniej mocy.

11 ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuit) – typ elektronicznych układów scalonych zaprojektowanych do realizacji z góry ściśle określonego zadania. Zaleta - potrafią zastąpić cały zestaw układów ogólnego przeznaczenia realizujących tę samą funkcję przez co są od nich mniejsze, tańsze, szybsze, zużywają mniej energii, są bardziej niezawodne oraz potrafią zrealizować nowe funkcje zgodnie z pomysłem projektanta. Dodatkowo poprzez zastosowania pojedynczego chipu obniżają się koszty projektowania, produkcji i montażu płytek drukowanych i uruchamiania. Wada - wysoki koszt opracowania, a więc wysoki koszt jednostkowy przy niewielkiej produkcji, mniejsza uniwersalność w porównaniu do na przykład mikroprocesorów oraz długi czas projektowania.

12 Do budowy prototypów układów ASIC lub w przypadku niedużej produkcji stosuje się technologię FPGA. Układy, które w jednej obudowie mieszczą kompletną funkcjonalność urządzenia, nazywa się SoC. SoC (System-on-a-chip) lub SOC (System On Chip) - układ scalony zawierający kompletny system elektroniczny, w tym układy cyfrowe, analogowe (także radiowe) oraz cyfrowo- analogowe. Typowy obszar zastosowań SoC - systemy wbudowane – urządzenia używane do kontroli, monitoringu lub wspomagania pracy urządzeń i maszyn, stanowią integralną część systemu w którym pracują.

13 Systemy wbudowane - zastosowania układy sterujące pracą silnika samochodowego i ABS, komputery pokładowe; sprzęt sterujący samolotami, rakietami, pociskami rakietowymi, inteligentnymi bombami; sprzęt medyczny, w tym m.in. monitory holterowskie; sprzęt pomiarowy, w tym m.in. oscyloskopy, analizatory widma; bankomaty i podobne urządzenia ATM (urządzenia wielofunkcyjne do operacji bankowych); termostaty, klimatyzatory; kuchenki mikrofalowe, zmywarki; sterowniki PLC stosowane w przemyśle do sterowania, kontroli procesów i maszyn produkcyjnych;

14 Systemy wbudowane - zastosowania sterowniki do wszelkiego rodzaju robotów mechanicznych; systemy alarmowe służące do ochrony osób i mienia np. antywłamaniowe, przeciwpożarowe i inne; telefony komórkowe i centrale telefoniczne; drukarki, kserokopiarki; kalkulatory; sprzęt komputerowy, w tym między innymi: dyski twarde, napędy optyczne, routery, serwery czasu i firewalle; systemy rozrywki multimedialnej i interaktywnej: - konsole do gier, stacjonarne i mobilne; - automaty do gier oraz o innym zastosowaniu; - telewizory, odtwarzacze DVD, kamery cyfrowe.

15 Opracowywanie układów SoC: - emulacja bloków sprzętowych na platformie FPGA połączona z rozwijaniem sterowników programowych, - zaprojektowanie struktury SoC w pojedynczym układzie scalonym, - sprawdzanie poprawności funkcjonowania układów scalonych z użyciem języków HDL. OMAP (Open Multimedia Application Platform) – seria układów SOC firmy Texas Instruments Procesor OMAP wykonuje dalsze cyfrowe przetwarzanie sygnału, pomiary i analizę do monitorowania stanu pacjenta.

16 Rozwiązania dla systemów znieczulenia - Texas Instruments

17 Wbudowany wieleparametrowy przenośny monitoring pacjenta z OMAP- Texas Instruments

18 Potrzeba minimalizacji kosztów opieki zdrowotnej wymusza przeniesienie leczenia i monitorowania pacjenta poza szpital. Zapewnienie opieki zdrowotnej w obszarach oddalonych napędza potrzebę zdalnego monitorowania pacjenta i telemedycyny. Najważniejsze wymagania dotyczące monitorowania pacjenta: - przenośność, - łatwość użycia, - bardzo wysoka wydajność, - możliwość uruchamiania wielomodalnej analizy - i niższe koszty.

19 Inna klasyfikacja układów programowalnych Full-Custom ASICs Semi-Custom ASICs User Programmable PLDFPGA

20 Co wybrać? dostępne od ręki niskie koszty opracowania krótki czas wprowadzania na rynek rekonfigurowalny wysoka wydajność ASICsCPLD/FPGAs niski pobór energii niski koszt przy dużych ilościach

21 Co wybrać?

22 Full (Fully) Custom Design: technika wymaga zaawansowanych metod optymalizacji, bramki, tranzystory i połączenia projektowane i optymalizowane przez projektanta. Semi Custom Design: technika stosowana do projektowania dużych układów, bramki, tranzystory i połączenia projektowane i optymalizowane przez program, w procesie projektowania używa się języków HDL (VHDL, Verilog).

23 PLD - ASIC – Full Custom Design CMOS Inverter in out synteza struktury pakowanie, kontrola jakości maskowanie technika stosowana do projektowania małych systemów, optymalizowane w sposób specyficzny, projektowanie na poziomie analogowym, długi cykl projektowy, nie występują struktury CPLD i FPGA.

24 PLD - ASIC – Semi Custom Design a.Założenia projektowe b.Modelowanie w języku HDL c.Synteza (ze standardowych modułów - cel) d.Symulacja oraz weryfikacja e.Fizyczne/geometryczne rozmieszczenie oraz trasowanie połączeń f.Montaż chip-ów g.Kontrola jakości - realizowane z użyciem specjalistycznych narzędzi - z użyciem specjalistycznego wyposażenia produkcyjnego - z użyciem specjalistycznego oprzyrządowania

25 PLD - ASIC – Semi Custom Design Dwie różne drogi syntezy: elastyczna, krótki cykl projektowy, odpowiednia dla krótkich serii PLD FPGA or CPLD Real ASIC chip Xilinx, Altera Fab (TSMC, UMC,..) sztywna, długi cykl projektowy, długie serie redukujące koszt jednostkowy Standard cell

26 PLD - ASIC – Semi Custom Design Wymagania projektowe Projektowanie logiczne Projektowanie układu Fizyczne projektowanie Synteza wysokiego poziomu Behavioralna reprezentacja Boolowskie równania i RTL Synteza logiczna Strukturalna reprezentacja Bramki, połączenia Cell generator Strukturalna reprezentacja Tranzystory i połączenia Przyporządkowanie, Rozmieszczenie, Trasowanie Fizyczna reprezentacja Maskowanie, połączenia Symulacja behawioralna Weryfikacja logiczna, Symulacja logiczna, Testowanie Układowa analiza i symulacja Dekompozycja układu Projektowanie funkcjonalne

27 Systemy HardCopy® ASICs

28 Klasyfikacja małych układów programowalnych - układy SPLD Stała AND matryca (dekoder) Programowalna OR matryca Programowalne połączenia (Programmable) Read-Only Memory (ROM) INPUT OUTPUT Programowalna OR matryca Programowalne połączenia Programmable Logic Array (PLA) Programowalna AND matryca INPUTOUTPUT Programowalna AND matryca Stała OR matryca Programmable Array Logic (PAL) Devices INPUT OUTPUT F/F

29 Pamięć ROM jako układ SPLD

30 Układ PLA

31 Układ PAL realizujący funkcję logiczną

32 PAL 16L8 Do 16 wejść i 8 wyjść w 20 nóżkowej obudowie. 7 bramek AND na stałe połączonych z bramką OR. Matryca programowalna AND zawiera zawiera 64 wiersze i 32 kolumny.

33 Porównanie CPLD i FPGA Układy różnią się: wielkością, techniką programowania, złożonością matryc PLD.

34 W układach CPLD/FPGA makrokomórki połączone w większe zespoły wraz z lokalną siecią połączeniową LI oraz dodatkowymi elementami stanowią bloki LAB (Logic Array Block)

35 Makrokomórka współczesnego FPGA/CPLD – Logic Element/Logic Cell LUT służy do implementacji logiki kombinacyjnej, Przerzutnik używany jest do syntezy układów sekwencyjnych, Element posiada dodatkowe składniki (not shown): –Carry logic do syntezy funkcji arytmetycznych –Elementy Expansion logic do łączenia w większe struktury niż 4 wejściowe LUT Out Select DQ ABCDABCD Clock

36 Istota programowania układów CPLD/FPGA polega na tworzeniu połączeń

37

38 Architektura układów FPGA/CPLD

39 Quartus II

40 Quartus II

41 Zasilacze medyczne - Polska Norma PN-EN :1999 Medyczne urządzenia elektryczne. Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa podstawowego oraz funkcjonowania zasadniczego. Norma ta jest stosowana wraz z dodatkowymi, tzw. normami uzupełniającymi bądź szczegółowymi. PN-EN :2002 Medyczne urządzenia elektryczne. Część 1-1: Ogólne wymagania bezpieczeństwa. Norma uzupełniająca: Wymagania bezpieczeństwa medycznych systemów elektrycznych (oryg.) PN-EN :2006 Medyczne urządzenia elektryczne. Część 1: Ogólne wymagania bezpieczeństwa i podstawowe wymagania techniczne (oryg.)

42 PN-EN :2011 Medyczne urządzenia elektryczne. Część 1: Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa podstawowego oraz funkcjonowania zasadniczego Zastępuje: PN-EN :2006 PN-EN :2011/A11:2011 Medyczne urządzenia elektryczne. Część 1: Wymagania ogólne dotyczące bezpieczeństwa podstawowego oraz funkcjonowania zasadniczego (oryg.) Trzecia edycja normy medycznej IEC/EN

43 Zasilacze medyczne

44 Zasilacze medyczne - przykład ECM140 ecm140-info

45 XP Power certyfikuje wszystkie zasilacze na zgodność z trzecią edycją normy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej EN (przy zwielokrotnionymi dwukrotnie w większości zasilaczy środkami ochrony pacjenta), a także testuje zasilacze również na zgodność z edycją drugą. Certyfikowanie zgodnie z 2 x MOPP (Means Of Patient Protection) w 3. edycji jest równoważne z edycją 2. pod względem spełnienia wymagań odnośnie odległości separacji, schematów izolowania, oraz wytrzymałości na przebicie. Oznacza to, że producenci sprzętu OEM będą mogli żądać poziomu bezpieczeństwa zasilacza przynajmniej takiego, jakiego wymaga aktualna norma (edycja 2.) i utrzymania certyfikowania sprzętu na zgodność z normą 2. nawet wtedy, gdy zasilacz ma certyfikat edycji 3. (2 x MOPP).

46 Podczas, gdy druga edycja dotyczyła po prostu podstawowych aspektów bezpieczeństwa po to, aby zapewnić odporność na wszystkie zagrożenia elektryczne, mechaniczne, termiczne, oraz radiację; to nie wymagała jednak od urządzeń, aby jednocześnie funkcjonowały i spełniały nadal kryteria testowe bazujące na wyniku dobry/zły, czego nie brały też pod uwagę specyfikacje podstawowych parametrów testowanych urządzeń. Uwzględniając te ograniczenia, trzecia edycja wprowadza specyfikację „parametrów podstawowych”, która wymaga od sprzętu kontynuacji funkcjonowania w trakcie procesu testowego zgodnie z założeniami jego konstruktora.

47 W zakresie bezpieczeństwa elektrycznego, nowa norma wymaga nadal, aby sprzęt dysponował dwoma środkami ochrony (MOP) takimi, że w przypadku wystąpienia awarii w jednym obszarze, drugi mechanizm będzie chronić operatora i/lub pacjenta przed porażeniem prądem elektrycznym. Trzecia edycja normy IEC wymaga obecności dwóch środków ochrony (MOP), lub barier izolujących tam, gdzie może pacjent może wejść w kontakt ze sprzętem. Norma pozwala na stosowanie trzech podejść do zagadnienia obrony przed zagrożeniami, których można używać w różnych kombinacjach — izolacja ochronna, uziemienie ochronne, oraz impedancja ochronna.

48 Czynnością podstawową na początku procesu projektowania urządzenia jest, określenie paru elementów kluczowych w tym klasy ochronności, i czy konstrukcja tego urządzenia będzie bazować na doprowadzeniu masy uziemienia ochronnego. Powyższe uwagi odnoszą się też do “elementu przykładanego”, który, o ile istnieje, jest celowo dołączany do pacjenta. Takie przykładane elementy są oddzielnie klasyfikowane pod względem zapewnianego przez nie poziomu ochrony przed wstrząsem elektrycznym.

49 Dla zasilaczy trzecia edycja normy różni się znacznie od drugiej, szczególnie pod względem ochrony operatora sprzętu, oraz pacjenta w zakresie kategorii Ochrony Operatora (MOOP) i Ochrony Pacjenta (MOPP). Różnica wynika z całkiem innej izolacji ochronnej i wymagań odnośnie izolacji stawianym układom, z którymi może zetknąć się zarówno operator jak i pacjent. Norma narzuca jeszcze, aby były spełnione wymagania odnośnie prądu upływowego. W przypadku zasilaczy oznacza to prąd upływowy nie większy niż 300 µA (w USA) i 500 µA (w UE).

50 Zasilacz przeznaczony do urządzenia medycznego powinien zapewniać najwyższy stopień ochrony, w celu zredukowania do minimum ryzyka porażenia prądem elektrycznym. Zasilacze XP Power mają kategorię 2 x MOPP w obszarze od wejścia do wyjścia (od wejścia napięcia sieciowego do wyjścia napięcia stałego). Zapewnia to odbiorcom elastyczność, oraz pewność, że zminimalizowali ryzyko porażenia prądem elektrycznym.