Für komplexe, funktionelle Verifikationstests von implantierbaren Defibrillatoren wurde ein Echtzeit-Testsystem auf Basis der CompactRIO-Plattform

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1 Echtzeit-Testsystem für Herzschrittmacher und Defibrillatoren mit FPGA-Kommandointerpreter "Der erstellte LabVIEW-Code (PC/RT/FPGA) lässt sich mit geringem Aufwand auf verschiedene NI-Hardwareplattformen übertragen und lässt sich daher auch in Produktionstestsystemen wiederverwenden." - Dipl.-Ing. Ulrich Tietze, BIOTRONIK SE & Co. KG, Entwicklung Elektronische Implantate Die Aufgabe: Entwicklung eines Testsystems für Herzschrittmacher und Defibrillatoren, das sich durch die kompakten Abmaße und den geräuschlosen Betrieb für den direkten Einsatz am Arbeitsplatz eignet. Die Lösung: Für komplexe, funktionelle Verifikationstests von implantierbaren Defibrillatoren wurde ein Echtzeit-Testsystem auf Basis der CompactRIO-Plattform entwickelt. Autor(en): Dipl.-Ing. Ulrich Tietze - BIOTRONIK SE & Co. KG, Entwicklung Elektronische Implantate Christian Wienhold - BIOTRONIK SE & Co. KG, Entwicklung Elektronische Implantate Eingesetzte Produkte: Grafische Entwicklungsumgebung NI LabVIEW FPGA und NI LabVIEW Real-Time, rekonfigurierbares Steuerungs- und Überwachungssystem NI CompactRIO Kurzfassung Für komplexe, funktionelle Verifikationstests von implantierbaren Defibrillatoren wurde ein Echtzeit-Testsystem auf Basis der CompactRIO-Plattform entwickelt. Die Kernkomponente des Systems ist ein auf dem FPGA implementierter Kommando-Interpreter. Mittels einer speziellen Kommandosprache ist die freie Definition von Testszenarien möglich. In Kommandosequenzen können Ereignisse getriggert, Pulse vermessen, Testpunkte abgetastet sowie Herzrhythmen simuliert werden. Ein auf dem Real-Time-Controller autark arbeitender Herzsimulator kann innerhalb einer Kommandosequenz angesteuert werden. Die Abarbeitung der Kommandosequenzen kann auf definierte Ereignisse synchronisiert werden. Alle Testdaten (Vorgabe, Messung, Ereignisse) stehen nach einem Testlauf im TDMS-Format zur Verfügung. FPGA-Funktionen Die folgenden Funktionsblöcke wurden auf dem FPGA realisiert: Bild 1: FPGA-Funktionsblöcke Die FPGA-Hauptschleife hat eine Zykluszeit von 50 µs. Der Kommandointerpreter Mit Beginn eines Testlaufs wird durch den Host-PC eine Kommandodatei gelesen und in ein Array von 32-bit-Werten konvertiert. Ein 32-bit-Wert enthält den 8-bit-Kommandocode und bis zu 24-bit-Parameter. Dieses Array wird auf einen Speicherblock des FPGA geschrieben und nach FPGA-Start ähnlich dem Befehlspeicher einer CPU abgearbeitet. In einem Zyklus können mehrere Kommandos abgearbeitet werden. Bild 2: FPGA-Detail-Kommandointerpreter Die Triggereinheit Zur Testlaufzeit werden in jedem Zyklus acht analoge Kanäle erfasst und bewertet. Jedem Kanal ist ein individueller Parametersatz zur Triggerung zugeordnet. Trigger- und Messereignisse werden mit Zeitstempel an den Logger übergeben. Die Triggerparameter der einzelnen Kanäle können zur Laufzeit per Kommando verändert werden. Die Synchronisationseinheit 1/7

2 Die Synchronisationseinheit Neben der Synchronisation auf Implantatereignisse ist es auch möglich, auf bestätigte Aktionen des Host-PC zu warten und die Kommandosequenz echtzeitsynchron fortzusetzen. Die Synchronisationsanforderung erfolgt per Kommando und wird neben der Art des Ereignisses immer mit einem Timeout-Parameter abgesetzt. Je nach Ergebnis wird entweder die erfolgreiche Synchronisation oder ein Synchronisations-Timeout an den Logger mit dem zugehörigen Zeitstempel übergeben. Der Pulsgenerator Die Signalsynthese erfolgt auf vier unabhängigen Kanälen. Jeder Puls kann individuell parametrisiert werden. Dafür stehen fünf Signalformen zur Verfügung. Alle Pulsformen sind normiert im FPGA-Speicher abgelegt. Zur Laufzeit lassen sich neben der Signalform die Amplitude, Nulllinie, Polarität und die Pulsbreite per Kommando verändern. Jeder der vier Kanäle kann mit einem sinusförmigen Störsignal individueller Amplitude, aber gemeinsamer Störfrequenz überlagert werden. Bild 3: Signalformspeicher 1024 Werte, I16 Der Logger Der Logger prüft einmal pro Zyklus alle Ereignisregister und schreibt Ereignisse mit ihrem Zeitstempel in einen FIFO. Die Ereignisregister sind mit Masken versehen, über die kommandogesteuert das Loggen von einzelnen Ereignissen gesperrt oder freigegeben werden kann. Neben der beschriebenen Funktionalität der FPGA-Hauptschleife sind Kommandos für Wait, AnalogRead, AnalogForce, RT-Control, RepeatLoop und DigitalPort Read/Write implementiert. Bild 4: FPGA-Hauptschleife (50-µs-Zyklus) Unabhängig von der FPGA-Hauptschleife laufen das Schockerfassungsmodul und das EKG-Erfassungsmodul. Die Schockerfassung Zur Testlaufzeit vom Implantat abgegebene Hochenergiepulse werden vom FPGA getriggert und vermessen. Erfasst werden Maximalspannungen sowie über eine Quadrierung und Integration die Energieäquivalente der Pulse. Der EKG-Rekorder Mittels externer Hardware werden Telemetriedaten des Implantats erfasst und dem Testsystem über eine SPI-Schnittstelle übermittelt. Das SPI-Slave-Modul arbeitet ereignisgesteuert. Alle Ereignisse werden an den Logger übertragen. Real-Time-Controller: Funktionen Der Controller empfängt alle Loggerdaten des FPGA über einen DMA-FIFO. Die Daten werden an eine gepufferte Netzwerkvariable für die Verarbeitung auf dem Host-PC übergeben. Einige der Ereignisse werden zusätzlich für den auf dem Real-Time-Controller laufenden Herzsimulator verarbeitet. 2/7

3 Bild 5 : RT-DMA-FIFO Detail Der Herzsimulator ist ein Dreiknotenmodell und erlaubt die komfortable Erzeugung von Herzrhythmen. Er arbeitet mit einer Zykluszeit von 1 ms. Eine Sequenzsteuerung ermöglicht das ereignisgesteuerte Umprogrammieren der Parameter des Simulators in Echtzeit. Für die Signalerzeugung wird der Pulsgenerator des FPGA genutzt. Alle Ereignisse werden vom Logger des FPGA mit Zeitstempel (50 µs Auflösung) erfasst. Host-PC-Funktionen Die folgende Host-PC-Funktionalität ist in LabVIEW realisiert: Kodierung von Testvorgaben, Teststeuerung, DUT-Kommunikation, Dekodierung von Loggerevents, Generierung von TDMS-Files aus Loggerdaten. Eine LabVIEW-.net-Interop-Assembly kapselt die Funktionen in einer Bibliothek. Anwenderhilfen Das Erstellen von Kommandosequenzen (Testvorgaben) wird durch einen speziellen Editor mit Code-Vervollständigung (ähnlich Intellisense) für die Kommandosyntax unterstützt. Bild 6: Control-File-Editor Das Erstellen von Herzsimulatorsequenzen wird ebenfalls durch einen speziellen Editor unterstützt. Dieser ermöglicht die einfache Zusammenstellung von Ereignis-/Parameterkombinationen. Ein Test-GUI erleichtert die Einarbeitung und Entwicklung von Einzeltests. Verarbeitung der Testdaten Neben einer chronologischen Logdatei im ASCII-Format werden alle Testdaten gruppen- und kanalbezogen im TDMS-Format gespeichert. Die Daten können daher schnell mit NI-DIAdem visualisiert werden. Mit NI Measurement Studio erstellte Funktionsbibliotheken ermöglichen die Automatisierung von Standardauswertungen. Bild 7: Visualisierung mit NI DIAdem 3/7

4 Zusammenfassung Das Testsystem wird in der Elektronikentwicklung für die Hardware- und Firmwareverifizierung eingesetzt. Es eignet sich durch die kompakten Abmaße und den geräuschlosen Betrieb für den direkten Einsatz am Arbeitsplatz. Die Testsystemsoftware basiert ausschließlich auf lizenzfreien Laufzeitkomponenten. Der erstellte LabVIEW-Code (PC/Real-Time/FPGA) lässt sich mit geringem Aufwand auf verschiedene NI-Hardwareplattformen übertragen und lässt sich daher auch in Produktionstestsystemen wiederverwenden. Autor: Dipl.-Ing. Ulrich Tietze BIOTRONIK SE & Co. KG, Entwicklung Elektronische Implantate Woermannkehre 1 Berlin Deutschland ulrich.tietze@biotronik.com (mailto:ulrich.tietze@biotronik.com) Bild 1: FPGA-Funktionsblöcke Bild 2: FPGA Detail Kommandointerpreter 4/7

5 Bild 3: Signalformspeicher 1024 Werte, I16 Bild 4: FPGA-Hauptschleife (50-µs-Zyklus) 5/7

6 Bild 5 : RT-DMA-FIFO Detail Bild 6: Control-File-Editor Bild 7: Visualisierung mit NI-DIAdem Rechtliche Hinweise Diese Kundenlösung ( Kundenlösung ) wurde von einem Kunden von National Instruments ( NI ) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM IST-ZUSTAND ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM. 6/7

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