基于FPGA的誘發(fā)電位儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了基于FPGA的誘發(fā)電位儀完整系統(tǒng)。首先給出了整個(gè)誘發(fā)電位儀的總體設(shè)計(jì)，討論了FPGA作為主芯片的各模塊集成設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上論述了ADSl258模／教轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)并給出了其與FPGA的接口電路設(shè)計(jì)。該誘發(fā)電位儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可靠性高，通用性和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，并且具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：誘發(fā)電位儀；FPGA；ADSl258；接口電路

O 引言
誘發(fā)電位是指對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)某一特定部位給予特定刺激后在大腦皮層所產(chǎn)生的特定電活動(dòng)，對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)功能性異常的疾病有獨(dú)特的檢測(cè)診斷能力，也是大腦認(rèn)知和腦機(jī)接口研究常用的技術(shù)手段。誘發(fā)電位儀通常包括視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位三種檢測(cè)功能，其硬件系統(tǒng)核心組成部分包括：刺激信號(hào)源、腦電信號(hào)放大和數(shù)據(jù)采集。刺激信號(hào)源包括視覺刺激信號(hào)(如棋盤格、黑白閃光等)、聽覺刺激信號(hào)和神經(jīng)刺激信號(hào)，一般采用分離設(shè)計(jì)。
腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集一般包括模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠郑＃瘮?shù)轉(zhuǎn)換芯片和主控微處理器芯片的選擇主導(dǎo)了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。在目前的采集系統(tǒng)中，基于單片機(jī)的中低端控制芯片功能較弱，逐漸被DSP和ARM或增強(qiáng)型單片機(jī)所取代。DSP芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)的流水線工作方式，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)處理算法，如文獻(xiàn)采用DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)；而ARM適合做事務(wù)處理或者中低端應(yīng)用，如文獻(xiàn)中通過ARM處理器建立操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。盡管采用DSP和ARM芯片可使系統(tǒng)的運(yùn)算能力和管理事務(wù)的能力得到很大增強(qiáng)，但是構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常還需要外部邏輯控制器件，尤其不能將數(shù)據(jù)采集和刺激信號(hào)源在單片上集成實(shí)現(xiàn)。
由于現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA的集成度越來越高，受到很多廠家和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，利用它的可編程性和可擴(kuò)展，可將絕大部分的功能集成到FPGA芯片中。如文獻(xiàn)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)采集；文獻(xiàn)則將盲分離算法ICA在FPGA上實(shí)現(xiàn)，能同時(shí)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集和獨(dú)立分量分解。
本文針對(duì)誘發(fā)電位儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出將信號(hào)采集控制、處理、傳輸、刺激信號(hào)產(chǎn)生等功能集成在一塊FPGA芯片上的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合ADSl258模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，使得系統(tǒng)具有16通道，每個(gè)通道24位采樣精度和400 kHz采樣率的高性能，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文提出的誘發(fā)電位儀包括了刺激信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸三大部分。其中核心控制芯片采用Altera公司的FPGA，產(chǎn)生刺激誘發(fā)信號(hào)源包括聽覺刺激、神經(jīng)傳導(dǎo)刺激和視覺誘發(fā)刺激，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路如A／D，USB等模塊的控制并在芯片內(nèi)部集成濾波算法模塊；數(shù)據(jù)采集采用高精度多通道的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADSl258將通過放大器放大后的誘發(fā)電位信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換并輸入FPGA內(nèi)進(jìn)行前置處理；數(shù)據(jù)傳輸通
過USB控制器Cypress 68013A將誘發(fā)電位數(shù)據(jù)傳輸至PC上位機(jī)，由上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)誘發(fā)腦電信號(hào)的后期處理、顯示、存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)總體框圖見圖1。