基于FPGA的視覺、聽覺誘發(fā)電位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

誘發(fā)電位是神經(jīng)系統(tǒng)接受各種外界刺激后所產(chǎn)生的特異性電反應(yīng)。它在中樞神經(jīng)系統(tǒng)及周圍神經(jīng)系統(tǒng)的相應(yīng)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(guī)腦電圖檢查有更穩(wěn)定的效果，從而在診斷及研究神經(jīng)系統(tǒng)各部位神經(jīng)電生理變化方面，有重要作用。

0引言

本項(xiàng)目通過產(chǎn)生特定頻率的聽覺和視覺刺激信號，使人腦產(chǎn)生誘發(fā)電位。醫(yī)護(hù)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；視頻刺激包括棋盤格翻轉(zhuǎn)。刺激的時(shí)長、頻率都可設(shè)定。本項(xiàng)目主要通過FPGA與相關(guān)芯片完成。使用平臺為ALTERA公司的DE2開發(fā)平臺。

本文中的誘發(fā)腦電位在醫(yī)學(xué)診斷和治療領(lǐng)域有著重要的地位，如今，隨著理論的成熟和科技的進(jìn)步，越來越多的技術(shù)設(shè)備被用來刺激提取并分析腦電波。本文在此基礎(chǔ)上研究了基于FPGA的視覺、聽覺誘發(fā)電位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1誘發(fā)電位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)利用當(dāng)前流行的FPGA芯片編程模擬實(shí)現(xiàn)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(tǒng)

在國內(nèi)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FPGA芯片的不斷升級換代，可在其內(nèi)部建立DSP軟核，并支持C語言編程，這使其應(yīng)用更加靈活方便，也就是說可以在新的產(chǎn)品中只用一塊FPGA，就可以實(shí)現(xiàn)所有功能。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目通過產(chǎn)生特定頻率的聽覺和視覺刺激信號，使人腦產(chǎn)生誘發(fā)電位。醫(yī)護(hù)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控制指令，可以設(shè)置不同的刺激頻率，時(shí)長，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，棋盤格翻轉(zhuǎn)視頻輸出。

設(shè)計(jì)構(gòu)圖如圖2所示：


圖2 設(shè)計(jì)構(gòu)圖

2.1開發(fā)平臺

開發(fā)平臺我們使用了ALTERA公司的DE2開發(fā)平臺，具有核心的FPGA芯片-Cyclone II 2C35 F672C6.在本設(shè)計(jì)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來完成有關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。我們認(rèn)為，在以后的電子設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA等可編程的邏輯器件具有極大的靈活性等很多優(yōu)點(diǎn)，將會是電子開發(fā)的發(fā)展方向，F(xiàn)PGA是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又使得可編程器件門電路數(shù)有了擴(kuò)展。

2.2音頻輸入、輸出模塊

本設(shè)計(jì)用到音頻編解碼芯片WM8731，WM8731是一款功能強(qiáng)大的低功耗立體聲24位音頻編解碼芯片，其高性能耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器、低功耗設(shè)計(jì)、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的場合。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。


圖3 WM8731結(jié)構(gòu)框圖

WM8731包含線路輸入、麥克風(fēng)輸入和耳機(jī)輸出，并可以進(jìn)行音量調(diào)節(jié)。內(nèi)置片上ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）及可選擇的高通數(shù)字濾波器。采用高品質(zhì)過采樣率結(jié)構(gòu)的DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器），線路輸出和耳機(jī)輸出。內(nèi)置晶體振蕩器以及可配置的數(shù)字音頻接口和2或3線可選的微處理器控制接口等。控制器可通過控制接口對WM8731進(jìn)行配置。然后通過數(shù)字音頻接口讀寫數(shù)據(jù)音頻信號。DE2平臺上的LINEOUT接在經(jīng)過耳機(jī)放大器放大的耳機(jī)輸出上，可以直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)。LINEIN經(jīng)過隔直電容輸入，而MICIN則可直接輸入。

本設(shè)計(jì)利用WM831音頻編解碼芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制輸出純音與短聲音頻，并實(shí)現(xiàn)MIC音頻輸入，經(jīng)過采樣后通過LINEOUT接口在耳機(jī)上輸出。

音頻輸入值范圍為負(fù)2的31次方到正2的31次方減1.純音即為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。通過把一個(gè)周期內(nèi)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(nèi)數(shù)值送入音頻輸出口。通過改變時(shí)間間隔來產(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。通俗說來，聽來即為“滴，滴”的聲音。短聲與純音類似，也為通過定時(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(nèi)有聲音，1秒無聲音。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，采樣完成后通過音頻輸出端口輸出。其余與純音、短聲類似。

2.3視頻輸出模塊

VGA（Video Graphics Array）作為與監(jiān)視器接口的標(biāo)準(zhǔn)，被用來顯示圖像到監(jiān)視器上，是由IBM公司發(fā)布的顯示器分辨率規(guī)范。對于普通的VGA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其信號線包含5個(gè)：R、G、B三基色信號，HS行同步信號，VS場同步信號。本設(shè)計(jì)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確定一行和一幀圖像的開始和結(jié)束時(shí)間，確保圖像數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中視頻刺激輸出為棋盤格翻轉(zhuǎn)視頻輸出，視覺刺激輸出測試的參數(shù)為：橫豎條數(shù)為4×4，黑綠相間。翻轉(zhuǎn)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

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

3總結(jié)

我們認(rèn)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(xiàn)刺激器所需全部功能，節(jié)省成本；

（2）設(shè)計(jì)使用一塊DE2集成板平臺，使設(shè)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)生并重置聽覺、視覺刺激信號。

由于腦電電位綜合地反映了神經(jīng)系統(tǒng)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(xiàn)象的生成機(jī)理和用來診斷病情，這在臨床醫(yī)學(xué)，精神病學(xué)以及認(rèn)知科學(xué)中，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。