基于FPGA的腦機接口系統方案

光標控制模塊描述光標的圖形，控制光標的移動(dòng)。通過(guò)改變光標的坐標和分頻來(lái)控制光標移動(dòng)的方向和速度。光標的顏色為紅色。

基于FPGA的VGA視覺(jué)刺激器充分利用了FPGA半定制電路的特點(diǎn)，采用同步時(shí)序設計方式，不但性能穩定，而且能根據需要靈活地設計不同的視覺(jué)刺激器。它實(shí)現方便，功能強大，兼具用硬件或軟件方式實(shí)現視覺(jué)刺激器的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的提取與識別

累加平均方法是最經(jīng)典的誘發(fā)電位信號處理方法，也是電生理測量中提高信噪比最常用的方法[2]。在FPGA中設計的累加平均算法的框圖如圖3所示，包括觸發(fā)信號檢測模塊、RAM地址控制模塊、異步雙口RAM、累加器和除法器。

觸發(fā)信號檢測保證了刺激與視覺(jué)誘發(fā)電位的鎖時(shí)同步關(guān)系。只有檢測到最早閃爍的刺激模塊的觸發(fā)信號，才把腦電數據存儲到RAM中。當達到要求的閃爍次數時(shí)，停止數據的寫(xiě)入。根據刺激模塊之間的延時(shí)關(guān)系，可以確定與各個(gè)刺激模塊相應的數據在RAM中的起始地址。然后，按照起始地址讀出數據給累加器，累加的次數與閃爍次數相同。最后，用除法器除以累加的次數，得到累加后的平均結果.

知識產(chǎn)權(IP)核，是指己驗證的、可重利用的、具有某種確定功能的IC模塊。FPGA有大量各種用途的IP核。這些IP核對內核進(jìn)行了參數化，通過(guò)頭文件或圖形用戶(hù)接口(GUI)可以方便地對參數進(jìn)行操作。通過(guò)異步雙口RAM IP核調用片內RAM來(lái)緩存腦電數據，保證了數據接口的同步和數據處理速度。用累加器IP核和除法器IP核來(lái)實(shí)現算法中的累加器和除法器。

只采用累加平均的方法, 需要進(jìn)行上百次才能得到可靠的誘發(fā)電位波形, 信號提取的時(shí)間太長(cháng)。在少量次累加平均時(shí)，為了進(jìn)一步提高信噪比，提取出較為理想的誘發(fā)電位波形，采用數字濾波的方法來(lái)減少噪聲的影響。FIR濾波器具有嚴格的線(xiàn)性相位，穩定性好，而且通頻帶比較平坦。所以，采用FIR濾波器來(lái)實(shí)現數字濾波。用窗函數設計法設計一個(gè)15階的低通FIR濾波器，窗函數為海明窗，截止頻率為10 Hz。利用MATLAB工具箱中的FDATool設計濾波器，并轉換為HDL代碼，可以很方便地在FPGA中實(shí)現FIR濾波器。通過(guò)調用CycloneⅡ芯片中用于DSP運算的嵌入式乘法器來(lái)實(shí)現FIR濾波中的乘法運算。與基于邏輯單元的乘法器相比，嵌入式乘法器性能更高，占用邏輯單元更少。嵌入式乘法器能夠與CycloneⅡ器件的M4K RAM塊進(jìn)行無(wú)縫集成，實(shí)現高效的DSP算法[6]。

瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的識別，就是要將誘發(fā)電位信號轉換成一系列控制命令，從而實(shí)現人腦與外界的通信與控制。模板匹配是傳統的模式識別方法之一。相關(guān)系數是變量之間相關(guān)程度的指標，可以用于判斷曲線(xiàn)擬合程度。用相關(guān)系數來(lái)衡量模板與未知模式匹配的好壞，是一個(gè)有效且可行的方法。

首先,選定一個(gè)特征明顯的瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位波形，作為模板匹配的參考模板;然后，把實(shí)時(shí)提取誘發(fā)電位波形與參考模板做相關(guān)系數計算。若相關(guān)系數值大于設定的閾值時(shí)，就認為檢測到了的誘發(fā)電位，發(fā)出控制命令，使光標移向相應的刺激模塊，從而實(shí)現瞬態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的識別。

相關(guān)系數的計算公式如下：

假定模板的數據為y，可以先離線(xiàn)計算出公式(1)中含y項的值，存在ROM中，從而提高實(shí)時(shí)計算的速度。只需要1個(gè)乘加器IP核，調用FPGA芯片中的嵌入式乘法器，就可以實(shí)現分子和分母中的乘加運算，節省了器件的資源。用開(kāi)根號IP核來(lái)實(shí)現開(kāi)根號運算。

FPGA運行速度快，內部程序并行運行，并且有DSP運算IP核和嵌入式乘法器，能夠快速準確地完成腦電處理算法，滿(mǎn)足信號處理的實(shí)時(shí)性要求。