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一種基于FPGA的誘發(fā)電位儀系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2010-12-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  O 引言

  誘發(fā)電位是指對神經(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),對于神經(jīng)系統(tǒng)功能性異常的疾病有獨(dú)特的檢測診斷能力,也是大腦認(rèn)知和腦機(jī)接口研究常用的技術(shù)手段。通常包括視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位三種檢測功能,其硬件系統(tǒng)核心組成部分包括:刺激信號源、腦電信號放大和數(shù)據(jù)采集。刺激信號源包括視覺刺激信號(如棋盤格、黑白閃光等)、聽覺刺激信號和神經(jīng)刺激信號,一般采用分離設(shè)計(jì)。

  腦電信號數(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?,而模/?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)雜信號處理算法,如文獻(xiàn)采用DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的腦電信號采集系統(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芯片中。如文獻(xiàn)采用實(shí)現(xiàn)了腦電信號采集;文獻(xiàn)則將盲分離算法ICA在FPGA上實(shí)現(xiàn),能同時(shí)對腦電信號進(jìn)行采集和獨(dú)立分量分解。

  本文針對的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),提出將信號采集控制、處理、傳輸、刺激信號產(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)簡單。

  1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  本文提出的包括了刺激信號源、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)腦電信號的后期處理、顯示、存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)總體框圖見圖1。

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關(guān)鍵詞: FPGA 誘發(fā)電位儀

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