设计和实现基于FPGA的控制器，用于新型外科钻孔和切割仪器中使用的压电致动器
利用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，对控制算法和对象进行建模万博1manbetx，通过闭环仿真验证设计，并生成可合成的HDL代码
“作为一名机电系统工程师，我的专业知识是控制系统及其模型，而不是HDL和FPGA。通过基于模型的设计，我可以利用我对控制器和被控制系统的洞察力和知识来完成FPGA工程师通常做的更多工作，并减少他们的工作量。”
罗布·雷林，戴姆康
DEMCON endo切割机的方框图。
对于外科医生来说，通常新的手术装置的最重要特征是它在程序中处理的程度。虽然可以客观地量化和优化等特征，但优化，但不能评估使用设备的主观经验，直到使用早期原型进行实际测试。
为了最大限度地减少开发新的外科切割和钻井装置的工作原型所需的时间，Demcon的工程师使用基于模型的设计开发和实现了它的控制算法，使用模型为Simulink万博1manbetx®和HDL编码器™。因此，它们减少了整体开发时间，基于外科医生的反馈来减少了整体开发时间，精致和改进了设备，并在项目后期快速提供了需求变化。
DEMCON的高级电子工程师Ronald Grootelaar说：“外科医生最感兴趣的是内切割器的切割性能，这种性能很难用数字来衡量。评估它的唯一方法是让外科医生试用这种仪器。”。“通过基于模型的设计和HDL编码器的本地浮点功能，我们能够快速建立并运行一个工作原型，这使我们能够在开发早期结合外科医生的反馈。”
Endo-Cutter上的切割和钻孔器械由带有D类功率放大器的压电执行器驱动。当在其谐振频率下操作时，执行器最有效，但是当仪器在操作期间与组织接触时，该频率变化。
DEMCON工程师需要开发一个闭环控制器，以在正常手术过程中保持压电致动器在其共振频率。虽然一些制造商使用模拟控制用于此类应用，但DEMCON希望实现一个数字控制器，以提高效率并将功耗降至最低。
由于控制器需要大量的输入和输出通道，并且必须以高于1MHz的频率运行，因此团队决定在FPGA上而不是在通用处理器上实现该设计。为了尽早开始硬件测试，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的信号处理，算法开发和实现。
在Simulink中，万博1manbetx该团队开发了比例积分（PI）的浮点模型锁相环控制器。该模型包括一个正弦波发生器，用于生成压电驱动的激励信号，以及用于测量电压和电流的IQ解调器。该模型推导两个解调器输出之间的相位差，并将该相位差保持在特定设定点。
认识到执行器的动态难以准确地模拟，团队选择将工厂塑造为线性系统。
他们在matlab创建了植物模型®和Sim万博1manbetxulink，以及控制器的闭环模拟和工厂的闭环模拟，以验证PLL在存在噪声中的适当锁定行为，并检查其维持各种设定点的锁定。
在项目开始时，他们计划以一个小型FPGA为目标。为了减少可能消耗的可编程逻辑资源容量，他们将Simulink控制器模型转换为定点。万博1manbetx
一旦团队通过仿真验证了其初始控制器设计的功能，他们就使用HDL编码器从定点Simulink模型生成可合成的HDL代码。万博1manbetx
他们将生成的代码部署到FPGA开发板上，以交互方式测试在实时硬件上运行的控制算法。使用此设置，团队可以通过更改寄存器值来控制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的即时反馈更高的性能。
随着设计的工作进展，团队确定他们选择的FPGA没有足够的销钉，以满足他们的要求。他们选择了一个更大的FPGA。由于较大的FPGA也有更多的逻辑单元和DSP切片，因此它们具有可用于其控制器的可编程逻辑。
DEMCON团队决定利用附加逻辑，使用HDL编码器的本机浮点功能生成控制器的单精度浮点实现。浮点实现使他们在测试期间能够更灵活地调整控制器。
该团队在各种组织上尝试了不同的切割和钻井仪器，以验证原型在一系列现实世界阻尼和负载条件下的运行。它们通过基于外科医生在随后的实际测试中提供的反馈来进一步改善切割性能。
在整个开发过程中，DEMCON工程遵循一个符合IEC 62304用于医疗设备软件的IEC 62304标准的过程，即使FPGA实现不正式遵守合规性。作为这一努力的一部分，该团队使用了Simulink模型和模拟作为开发单元测试和文档的基础万博1manbetx，映射到IEC 62304中突出显示的软件开发过程要求。
Demcon工程师正在将控制器与电子产品和其他硬件集成，因为它们准备最终硬件设计的测试。
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