基于FPGA的视觉、听觉诱发电位系统的设计

　　摘要：诱发电位是神经系统接受各种外界刺激后所产生的特异性电反应。它在中枢神经系统及周围神经系统的相应部位被检出，与刺激有锁时关系的电位变化，具有能定量及定位的特点，往往较常规脑电图检查有更稳定的效果，从而在诊断及研究神经系统各部位神经电生理变化方面，有重要作用。

　　0 引言

　　本项目通过产生特定频率的听觉和视觉刺激信号，使人脑产生诱发电位。医护人员可从诱发脑电中获取更多信息，并帮助其更好地对病情进行确诊。本刺激器可产生音频刺激和视频刺激，其中音频刺激包括发出短声、纯音、自己录制的声音等；视频刺激包括棋盘格翻转。刺激的时长、频率都可设定。本项目主要通过FPGA 与相关芯片完成。使用平台为ALTERA 公司的DE2 开发平台。

　　本文中的诱发脑电位在医学诊断和治疗领域有着重要的地位，如今，随着理论的成熟和科技的进步，越来越多的技术设备被用来刺激提取并分析脑电波。本文在此基础上研究了基于FPGA的视觉、听觉诱发电位系统的设计。

　　1 诱发电位系统结构

　　本设计利用当前流行的FPGA 芯片编程模拟实现刺激器的功能。其原理框图如图1 所示：

　　

　　在国内外相关产品中，有的所使用的元器件较多，成本较高；有的是用模拟器件产生刺激信号，不够灵活；有的将视频图片存储在FLASH 芯片中，这样存储量受到限制。随着FPGA 芯片的不断升级换代，可在其内部建立DSP 软核，并支持C 语言编程，这使其应用更加灵活方便，也就是说可以在新的产品中只用一块FPGA,就可以实现所有功能。

　　2 系统硬件设计

　　本项目通过产生特定频率的听觉和视觉刺激信号，使人脑产生诱发电位。医护人员可从诱发脑电中获取更多信息，并帮助其更好地对病情进行确诊。所谓可编程是指通过控制指令，可以设置不同的刺激频率，时长，模式等，甚至可以播放自编的wav 声音文件和显示自编的bmp 图像文件。

　　这件作品由以下几个部分组成：开发平台，纯音（正弦波）和短声音频输出，输入声音音频输出，棋盘格翻转视频输出。

　　设计构图如图2 所示：

　　

　　2.1 开发平台

　　开发平台我们使用了ALTERA 公司的DE2 开发平台，具有的FPGA 芯片-Cyclone II 2C35 F672C6.在本设计中，我们使用到了板上FPGA 芯片，24 位CD 音质音频芯片WM8731（MIC 输入+LINEIN+LINEOUT），视频解码芯片（ 支持NTSC/PAL 制式），带有高速DAC 视屏输出VGA 模块等。

　　这件作品主要使用FPGA 来完成有关功能的实现。我们认为，在以后的电子设计中，FPGA 等可编程的逻辑器件具有极大的灵活性等很多优点，将会是电子开发的发展方向，FPGA 是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又使得可编程器件门电路数有了扩展。

　　2.2 音频输入、输出模块

　　本设计用到音频编解码芯片WM8731,WM8731 是一款功能强大的低功耗立体声24 位音频编解码芯片，其高性能耳机驱动器、低功耗设计、可控采样频率、可选择的滤波器等功能使得WM8731 芯片广泛使用于便携式MP3、CD、PDA 的场合。其结构框图如图3 所示。

　　

　　WM8731 包含线路输入、麦克风输入和耳机输出，并可以进行音量调节。内置片上ADC（ 模拟数字转换器） 及可选择的高通数字滤波器。采用高品质过采样率结构的DAC（ 数字模拟转换器），线路输出和耳机输出。内置晶体振荡器以及可配置的数字音频接口和2 或3线可选的微处理器控制接口等。控制器可通过控制接口对WM8731 进行配置。然后通过数字音频接口读写数据音频信号。DE2 平台上的LINEOUT 接在经过耳机放大器放大的耳机输出上，可以直接驱动耳机。LINEIN 经过隔直电容输入，而MICIN 则可直接输入。

　　本设计利用WM831 音频编解码芯片实现系统控制输出纯音与短声音频，并实现MIC 音频输入，经过采样后通过LINEOUT 接口在耳机上输出。

　　音频输入值范围为负2 的31 次方到正2 的31 次方减1.纯音即为标准的正弦波。通过把一个周期内的正弦值采样48 个点形成正弦表，存入FPGA 的RAM 中，并以特定的时间间隔将表内数值送入音频输出口。通过改变时间间隔来产生中断控制音频的频率。每段纯音约播放10 秒后将定时器关闭，关闭声音。纯音的图像如图4 下：

　　

　　短声（Click）即为方波。通俗说来，听来即为“滴，滴”的声音。短声与纯音类似，也为通过定时器产生中断送入音频输出。短声周期约为2 秒，即1 秒内有声音，1 秒无声音。播放约10 秒后关闭。短声图像如图5 所示：

　　

　　音频输入输出： 可以通过MIC 输入端口，向平台录入一段约10秒的声音。音频输入采样频率为48k/sec,采样完成后通过音频输出端口输出。其余与纯音、短声类似。

　　2.3 视频输出模块

　　VGA（Video Graphics Array） 作为与监视器接口的标准，被用来显示图像到监视器上，是由IBM 公司发布的显示器分辨率规范。对于普通的VGA 工业标准，其信号线包含5 个：R、G、B 三基色信号，HS 行同步信号，VS 场同步信号。本设计中只需要亮度信号，则从G通道输入。符合VGA 时序的水平同步信号HS 和垂直同步信号VS 需要合成。VGA 的水平和帧同步信号用来确定一行和一帧图像的开始和结束时间，确保图像数据从左到右，从上到下扫描，以形成一幅幅图像。VGA 显示模块模拟框图如图6 所示：

　　

　　本设计中视频刺激输出为棋盘格翻转视频输出，视觉刺激输出测试的参数为：横竖条数为4×4,黑绿相间。翻转频率为1Hz,刺激时间为10 秒。测试效果如图7 所示。

　　

　　刺激开始时屏幕显示如上图所示，1s 后进行翻转，显示如下图对应的棋盘格，再经过1s 后显示幅棋盘格，如此循环，直至10s 屏幕显示为全黑。显示过程中屏幕显示输出图案清晰，切换时画面无滞留，符合刺激要求。

　　3 总结

　　我们认为该作品主要有以下三点优势：

　　（1） 只用一块FPGA 芯片实现刺激器所需全部功能，节省成本；

　　（2） 设计使用一块DE2 集成板平台，使设备体积小，重量轻，利于产品推广；

　　（3） 能以更高的效率，更短的延时产生并重置听觉、视觉刺激信号。

　　由于脑电电位综合地反映了神经系统中神经元的电活动，因此对脑电的研究有利于揭示脑电现象的生成机理和用来诊断病情，这在临床医学，精神病学以及认知科学中，具有重要的学术价值和广阔的应用前景。（作者：范松，潘旭，张鹏飞）