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06-18
诱发电位是指神经系统特定部位受到特定刺激后，大脑皮层产生的特定电活动。
对于神经系统功能异常的疾病具有独特的特点。
其检测和诊断能力也是脑认知和脑机接口研究中常用的技术手段。
诱发电位计通常包括视觉诱发电位、听觉诱发电位和体感诱发电位三种检测功能。
其硬件系统的核心组成部分包括：刺激信号源、脑电信号放大和数据采集。
刺激信号源包括视觉刺激信号（如棋盘图案、黑白闪烁等）、听觉刺激信号和神经刺激信号，一般设计为分离的。
脑电信号数据采集一般包括模/数转换、数据预处理和数据传输。
模/数转换芯片和主控微处理器芯片的选择决定了整个数据采集系统的性能。
目前的采集系统中，基于单片机的中低端控制芯片功能较弱，逐渐被DSP和ARM或增强型单片机所取代。
DSP芯片采用哈佛结构流水线工作方式，可以实现复杂的信号处理算法。
例如，文献中采用DSP来实现复杂的脑电信号采集系统；而ARM则适合事务处理或者中低端应用。
例如，文献中是通过ARM处理器建立的。
操作系统实现任务调度。
虽然使用DSP和ARM芯片可以大大增强系统的计算能力和管理能力，但组成完整的数据采集系统通常需要外部逻辑控制器件，特别是数据采集和刺激信号源无法集成在单个芯片上。
综合实施。
由于现代电子技术的飞速发展，可编程逻辑芯片FPGA的集成度越来越高，吸引了众多厂商和研究机构的关注。
利用其可编程性和可扩展性，大多数功能可以集成集成到FPGA芯片中。
例如，文献利用FPGA实现脑电信号的采集；文献在FPGA上实现了盲分离算法ICA，可以同时采集脑电信号并将其分解为独立的分量。
针对诱发电位仪的硬件系统设计，本文提出了一种在一块FPGA芯片上集成信号采集控制、处理、传输、刺激信号产生等功能的设计方案，并与ADSl模拟/数字转换芯片使系统具有16个通道，具有24位采样精度和每通道kHz采样率的高性能，且电路结构简单。
1 系统总体设计 本文提出的诱发电位计包括刺激信号源、数据采集和数据传输三部分。
核心控制芯片采用Altera的FPGA，产生包括听觉刺激、神经传导刺激和视觉刺激在内的刺激感应信号源，并控制A/D、USB等模块的外围电路，并在芯片内部集成滤波算法模块。
;数据采集??采用高精度多通道模数转换芯片ADSl将放大器放大后的诱发电位信号进行模数转换后输入FPGA进行预处理；数据通过 USB控制器Cypress 3A传输诱发电位数据至PC上位机，上位机应用程序实现诱发脑电信号的后处理、显示、存储等功能。
系统整体框图如图1所示。
关键词：FPGA诱发电位计 2 FPGA软件模块设计 2.1 FPGA的优点 FPGA是一种现场可编程门阵列，是一种新型的在CPLD基础上发展起来的高性能技术可编程逻辑器件不仅继承了ASIC大规模、高集成度、高可靠性的优点，而且克服了普通ASIC设计周期长、投资大、成本低等缺点。
灵活性差，逐渐成为复杂数字硬件电路设计的理想选择。
选择。
与传统诱发电位仪器设计不同，本文将分立元件实现的大部分功能集成到FPGA芯片中，实现多种刺激模式和滤波模块以及外围设备的控制。
不仅提高了集成度，使仪器小型化、便携化成为可能，而且片上模块可以反复修改，提高了设计开发效率、降低了成本，还可以轻松实现模块之间的同步。
2.2 软件模块总体设计 本设计中FPGA芯片软件模块包括诱发电位刺激模块、信号传输控制模块和数字信号处理模块三部分；它们通过共同的同步信号协调，完成诱发电位仪的诱发刺激、信号传输、数字滤波等核心控制处理功能。
FPGA中软件模块框图如图2所示。
2.3诱发电位刺激模块 诱发电位刺激模块设计在FPGA芯片中。
其主要功能包括：听觉诱发电位刺激、神经传导刺激和视觉诱发电位刺激。
刺激信号主要由脉冲信号控制，脉冲信号和VGA控制信号可通过FPGA芯片直接输出。
通过FPGA输出的脉冲信号的功率放大，可以产生听觉诱发刺激信号和神经传导刺激信号。
这里，听觉诱发电位刺激信号是双通道的。
一个信号生成脉冲信号，例如 PWM（脉冲宽度调制）波，另一个信号通过 FPGA 路由。
芯片内部模块通过DA转换器产生白噪声，可由FPGA输出PWM脉冲直接产生神经传导刺激信号，直接驱动电压放大器。
通过Verilog硬件描述语言，在FPGA中实现诱发电位刺激源信号，并通过FPGA端口输出。
例如，在芯片中使用以下代码可以生成占空比为 PWM_WIDTH 的 PWM 波形： 1: 视觉诱发刺激信号 VGA 时序控制信号直接由 FPGA 芯片中存储的刺激图像数据生成，控制VGA显示器显示棋盘格或彩条刺激图像，给人体提供视觉刺激。
诱发电位刺激信号的主要参数包括刺激脉冲宽度、刺激频率、刺激强度、刺激类型和刺激模式。
USB芯片接收上位机传来的参数配置信号，传递给诱发刺激信号发生模块，发出脉冲。
例如，产生如图3所示的听觉诱发电位刺激信号，其刺激脉冲宽度为O. 2 ms，刺激频率为12 Hz，设定一定的刺激强度（以分贝为单位）；生成视觉诱发电位刺激信号，刺激频率为2Hz，刺激类型为棋盘模式，刺激模式为16×16。
关键词：FPGA诱发电位器 2.4信号传输控制模块 在FPGA中完成诱发电位器同步信号发生模块、A/D转换器控制、USB传输控制口和主机。
机器命令解析模块构成了整个诱发电位仪的核心处理和控制模块。
各模块可以方便地完成外围设备的初始化、工作模式配置和系统数据传输。
图4是信号传输控制流程图。
2.5 数字信号处理模块 数字信号处理模块集成在FPGA中，可以将算法进行拆分，形成大规模数字信号处理并行结构，在不降低性能的情况下，将大大提高处理速度。
比如模式识别算法、盲源分离算法等，比较适合集成到FPGA中实现。
在经过预模拟电路放大之前，脑电信号是微弱的混合信号，需要进行一些滤波处理。
这里，前端部分的带通滤波器电路可以转换为数字滤波器并设置到FPGA芯片中，可以简化电路结构，大大减小系统的整体体积。
本设计在FPGA芯片中构建了一个四阶无限脉冲数字滤波器。
其系统传递函数H(z)为： 对感应电势信号进行放大，并对模/数转换后的数据进行实时滤波，实现信号的预处理。
处理、测试效果良好。
利用FPGA的并行性，在每个通道设置数字滤波器，大大提高了系统的实时性。
可以探索自适应和小波数字滤波器等设计来提高系统在硬件层面的处理能力。
3 高精度多通道模数转换器ADSl 在诱发电位仪采集系统中，模数转换模块芯片的选型对整个采集系统的结构和性能影响很大。
本文的模/数转换芯片采用ADSl器件，使本系统能够满足多通道高分辨率的要求。
3.1 ADSl的主要特点 ADSl是一款16通道24位分辨率低噪声模数转换芯片，满量程5V单端输入范围或±2.5V真正双极性输入，每通道采样率高达23.7KSPS（16通道同时采样），单通道采样率高达KSPS。
通过SPI兼容接口进行工作模式配置和串行数字通信，使用方便。
通过使用该芯片，电压分辨率可以达到1μV。
因此，只需将信号放大调理预处理电路的放大倍数提高一倍即可满足感应电位器的技术要求，大大简化了前端电路。
关键词：FPGA诱发电位计 3.2 ADSl与FPGA接口电路 ADSl通过SPI兼容的串行接口将数据写入配置寄存器，并使用命令控制转换器控制A/D芯片工作模式，最后读取通道数据。
该接口包含四个信号：SCLK、DIN 和 DOUT。
对ADSl的所有操作都必须先向其写入命令，然后AD根据写入的命令执行相应的操作。
FPGA的A/D配置模块启动后，ADSl将处于固定通道扫描模式或自动通道扫描模式，ADSl将能够转换16路共模输入信号或8路差分输入信号。
模拟信号通过AIN口输入，输入范围0~V。
外围控制端口连接FPGA，FPGA控制模块控制A/D采样。
START 启动ADC 开始工作。
通过DIN输入命令后，转换结果由DOUT输出。
与FPGA芯片的端口共使用8个端口。
连接的。
具体接口电路的实现如图5所示。
4 结论 利用FPGA芯片丰富的资源，实现了诱发电位器的刺激信号源、模/数转换控制逻辑、USB接口控制等。
数据传输、数字信号处理模块设计在单芯片上，可以最大程度地简化诱发电位仪的硬件电路复杂度，并利用其可编程性大大方便硬件设计。
结合ADSl的高分辨率优势，使系统能够兼具优异的性能和高集成度。
而且，该设计还有很多FPGA I/O端口。
如果需要更多通道，只需要增加多个A/D芯片即可，具有很高的应用价值。
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