DEMCON缩短了fpga控制手术器械的开发时间

内切刀上的切割和钻孔仪器由带有D级功率放大器的压电驱动器驱动。执行器在谐振频率下工作时效率最高，但当仪器在操作过程中接触到组织时，频率就会发生变化。

DEMCON工程师需要开发一种闭环控制器，以在正常的手术过程中保持压电驱动器的共振频率。虽然一些制造商在这类应用中使用模拟控制，但DEMCON希望实现数字控制器，以提高效率并最大限度地降低功耗。

由于控制器需要大量的输入和输出通道，并且必须在高于1 MHz的频率下运行，因此团队决定在FPGA而不是通用处理器上实现设计。为了尽早在硬件上开始测试，团队希望生成HDL代码，而不是手工编写。

DEMCON工程师使用基于模型的设计进行信号处理、算法开发和实现。

在Simulink中，该团队开发了用于锁相环的比例积分(PI)控制器的浮点模型。该模型包括一个正弦波发生器，为压电驱动器产生激励信号，以及用于测量电压和电流的IQ解调器。该模型导出两个解调器输出之间的相位差，并将此相位差维持在特定的设定点。

由于认识到执行器的动力学很难精确建模，该团队选择将植物建模为线性系统。

他们在MATLAB中创建了植物模型^®和Simulink，并运行控制器和设备的闭环仿真，以验证锁相环在噪声存在下的正确锁定行为，并检查它对各种设定点保持锁定。

在项目开始时，他们计划以小型FPGA为目标。为了减少可编程逻辑资源容量的消耗，他们将Simulink控制器模型转换为定点。

一旦团队通过仿真验证了初始控制器设计的功能，他们就使用HDL Coder从定点Simulink模型生成可合成的HDL代码。

他们将生成的代码部署到FPGA开发板上，以便在实时硬件上运行时交互式测试他们的控制算法。使用这种设置，团队可以通过改变寄存器值来控制FPGA可编程逻辑中的设计参数，并获得不同参数值如何影响控制器性能的即时反馈。

随着设计工作的进展，该团队确定他们选择的FPGA没有足够的引脚来满足他们的要求。他们选择了一个有更多引脚的更大的FPGA。因为更大的FPGA也有更多的逻辑单元和DSP片，它们的控制器有更多的可编程逻辑。

DEMCON团队决定利用额外的逻辑，使用HDL Coder的本地浮点功能生成控制器的单精度浮点实现。浮点实现为他们在测试期间优化控制器提供了更大的灵活性。

该团队在各种组织上试验了不同的切割和钻孔仪器，以验证原型在一系列真实阻尼和负载条件下的运行情况。他们根据外科医生在随后的实际测试中提供的反馈，进一步改进了PI控制器参数，从而进一步提高了切割性能。

在整个开发过程中，DEMCON工程师遵循了符合IEC 62304医疗设备软件标准的流程，尽管FPGA实现并不正式要求符合标准。作为这项工作的一部分，该团队使用他们的Simulink模型和模拟作为开发单元测试和文档的基础，这些测试和文档映射到IEC 62304中强调的软件开发过程需求。

DEMCON工程师正在将控制器与电子设备和其他硬件进行集成，为最终硬件设计的测试做准备。