基于FPGA的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位系統的設計

誘發(fā)電位是神經(jīng)系統接受各種外界刺激后所產(chǎn)生的特異性電反應。它在中樞神經(jīng)系統及周?chē)窠?jīng)系統的相應部位被檢出，與刺激有鎖時(shí)關(guān)系的電位變化，具有能定量及定位的特點(diǎn)，往往較常規腦電圖檢查有更穩定的效果，從而在診斷及研究神經(jīng)系統各部位神經(jīng)電生理變化方面，有重要作用。

0引言

本項目通過(guò)產(chǎn)生特定頻率的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)刺激信號，使人腦產(chǎn)生誘發(fā)電位。醫護人員可從誘發(fā)腦電中獲取更多信息，并幫助其更好地對病情進(jìn)行確診。本刺激器可產(chǎn)生音頻刺激和視頻刺激，其中音頻刺激包括發(fā)出短聲、純音、自己錄制的聲音等；視頻刺激包括棋盤(pán)格翻轉。刺激的時(shí)長(cháng)、頻率都可設定。本項目主要通過(guò)FPGA與相關(guān)芯片完成。使用平臺為ALTERA公司的DE2開(kāi)發(fā)平臺。

本文中的誘發(fā)腦電位在醫學(xué)診斷和治療領(lǐng)域有著(zhù)重要的地位，如今，隨著(zhù)理論的成熟和科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的技術(shù)設備被用來(lái)刺激提取并分析腦電波。本文在此基礎上研究了基于FPGA的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位系統的設計。

1誘發(fā)電位系統結構

本設計利用當前流行的FPGA芯片編程模擬實(shí)現刺激器的功能。其原理框圖如圖1所示：


圖1 誘發(fā)電位系統

在國內外相關(guān)產(chǎn)品中，有的所使用的元器件較多，成本較高；有的是用模擬器件產(chǎn)生刺激信號，不夠靈活；有的將視頻圖片存儲在FLASH芯片中，這樣存儲量受到限制。隨著(zhù)FPGA芯片的不斷升級換代，可在其內部建立DSP軟核，并支持C語(yǔ)言編程，這使其應用更加靈活方便，也就是說(shuō)可以在新的產(chǎn)品中只用一塊FPGA，就可以實(shí)現所有功能。

2系統硬件設計

本項目通過(guò)產(chǎn)生特定頻率的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)刺激信號，使人腦產(chǎn)生誘發(fā)電位。醫護人員可從誘發(fā)腦電中獲取更多信息，并幫助其更好地對病情進(jìn)行確診。所謂可編程是指通過(guò)控制指令，可以設置不同的刺激頻率，時(shí)長(cháng)，模式等，甚至可以播放自編的wav聲音文件和顯示自編的bmp圖像文件。

這件作品由以下幾個(gè)部分組成：開(kāi)發(fā)平臺，純音（正弦波）和短聲音頻輸出，輸入聲音音頻輸出，棋盤(pán)格翻轉視頻輸出。

設計構圖如圖2所示：


圖2 設計構圖

2.1開(kāi)發(fā)平臺

開(kāi)發(fā)平臺我們使用了ALTERA公司的DE2開(kāi)發(fā)平臺，具有核心的FPGA芯片-Cyclone II 2C35 F672C6.在本設計中，我們使用到了板上FPGA芯片，24位CD音質(zhì)音頻芯片WM8731（MIC輸入+LINEIN+LINEOUT），視頻解碼芯片（支持NTSC/PAL制式），帶有高速DAC視屏輸出VGA模塊等。

這件作品主要使用FPGA來(lái)完成有關(guān)功能的實(shí)現。我們認為，在以后的電子設計中，FPGA等可編程的邏輯器件具有極大的靈活性等很多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì )是電子開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向，FPGA是作為專(zhuān)用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又使得可編程器件門(mén)電路數有了擴展。

2.2音頻輸入、輸出模塊

本設計用到音頻編解碼芯片WM8731，WM8731是一款功能強大的低功耗立體聲24位音頻編解碼芯片，其高性能耳機驅動(dòng)器、低功耗設計、可控采樣頻率、可選擇的濾波器等功能使得WM8731芯片廣泛使用于便攜式MP3、CD、PDA的場(chǎng)合。其結構框圖如圖3所示。


圖3 WM8731結構框圖

WM8731包含線(xiàn)路輸入、麥克風(fēng)輸入和耳機輸出，并可以進(jìn)行音量調節。內置片上ADC（模擬數字轉換器）及可選擇的高通數字濾波器。采用高品質(zhì)過(guò)采樣率結構的DAC（數字模擬轉換器），線(xiàn)路輸出和耳機輸出。內置晶體振蕩器以及可配置的數字音頻接口和2或3線(xiàn)可選的微處理器控制接口等?？刂破骺赏ㄟ^(guò)控制接口對WM8731進(jìn)行配置。然后通過(guò)數字音頻接口讀寫(xiě)數據音頻信號。DE2平臺上的LINEOUT接在經(jīng)過(guò)耳機放大器放大的耳機輸出上，可以直接驅動(dòng)耳機。LINEIN經(jīng)過(guò)隔直電容輸入，而MICIN則可直接輸入。

本設計利用WM831音頻編解碼芯片實(shí)現系統控制輸出純音與短聲音頻，并實(shí)現MIC音頻輸入，經(jīng)過(guò)采樣后通過(guò)LINEOUT接口在耳機上輸出。

音頻輸入值范圍為負2的31次方到正2的31次方減1.純音即為標準的正弦波。通過(guò)把一個(gè)周期內的正弦值采樣48個(gè)點(diǎn)形成正弦表，存入FPGA的RAM中，并以特定的時(shí)間間隔將表內數值送入音頻輸出口。通過(guò)改變時(shí)間間隔來(lái)產(chǎn)生中斷控制音頻的頻率。每段純音約播放10秒后將定時(shí)器關(guān)閉，關(guān)閉聲音。純音的圖像如圖4下：


圖4 純音的圖像

短聲（Click）即為方波。通俗說(shuō)來(lái)，聽(tīng)來(lái)即為“滴，滴”的聲音。短聲與純音類(lèi)似，也為通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生中斷送入音頻輸出。短聲周期約為2秒，即1秒內有聲音，1秒無(wú)聲音。播放約10秒后關(guān)閉。短聲圖像如圖5所示：


圖5 短聲圖像

音頻輸入輸出：可以通過(guò)MIC輸入端口，向平臺錄入一段約10秒的聲音。音頻輸入采樣頻率為48k/sec，采樣完成后通過(guò)音頻輸出端口輸出。其余與純音、短聲類(lèi)似。

2.3視頻輸出模塊

VGA（Video Graphics Array）作為與監視器接口的標準，被用來(lái)顯示圖像到監視器上，是由IBM公司發(fā)布的顯示器分辨率規范。對于普通的VGA工業(yè)標準，其信號線(xiàn)包含5個(gè)：R、G、B三基色信號，HS行同步信號，VS場(chǎng)同步信號。本設計中只需要亮度信號，則從G通道輸入。符合VGA時(shí)序的水平同步信號HS和垂直同步信號VS需要合成。VGA的水平和幀同步信號用來(lái)確定一行和一幀圖像的開(kāi)始和結束時(shí)間，確保圖像數據從左到右，從上到下掃描，以形成一幅幅圖像。VGA顯示模塊模擬框圖如圖6所示：


圖6 VGA顯示模塊模擬框圖

本設計中視頻刺激輸出為棋盤(pán)格翻轉視頻輸出，視覺(jué)刺激輸出測試的參數為：橫豎條數為4×4，黑綠相間。翻轉頻率為1Hz，刺激時(shí)間為10秒。測試效果如圖7所示。


圖7 測試效果

刺激開(kāi)始時(shí)屏幕顯示如上圖所示，1s后進(jìn)行翻轉，顯示如下圖對應的棋盤(pán)格，再經(jīng)過(guò)1s后顯示第一幅棋盤(pán)格，如此循環(huán)，直至10s屏幕顯示為全黑。顯示過(guò)程中屏幕顯示輸出圖案清晰，切換時(shí)畫(huà)面無(wú)滯留，符合刺激要求。

3總結

我們認為該作品主要有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）只用一塊FPGA芯片實(shí)現刺激器所需全部功能，節省成本；

（2）設計使用一塊DE2集成板平臺，使設備體積小，重量輕，利于產(chǎn)品推廣；

（3）能以更高的效率，更短的延時(shí)產(chǎn)生并重置聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)刺激信號。

由于腦電電位綜合地反映了神經(jīng)系統中神經(jīng)元的電活動(dòng)，因此對腦電的研究有利于揭示腦電現象的生成機理和用來(lái)診斷病情，這在臨床醫學(xué)，精神病學(xué)以及認知科學(xué)中，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應用前景。