基于FPGA的诱发电位仪系统设计

摘要：设计了基于FPGA的诱发电位仪完整系统。首先给出了整个诱发电位仪的总体设计，讨论了FPGA作为主芯片的各模块集成设计，在此基础上论述了ADSl258模／教转换芯片的特点并给出了其与FPGA的接口电路设计。该诱发电位仪系统设计具有可靠性高，通用性和扩展性好等优点，并且具有非常重要的应用价值和良好的市场前景。
关键词：诱发电位仪；FPGA；ADSl258；接口电路

O 引言
诱发电位是指对神经系统某一特定部位给予特定刺激后在大脑皮层所产生的特定电活动，对于神经系统功能性异常的疾病有独特的检测诊断能力，也是大脑认知和脑机接口研究常用的技术手段。诱发电位仪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(如棋盘格、黑白闪光等)、听觉刺激信号和神经刺激信号，一般采用分离设计。
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等部分，而模／数转换芯片和主控微处理器芯片的选择主导了整个数据采集系统的性能。在目前的采集系统中，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芯片采用哈佛结构的流水线工作方式，能实现复杂信号处理算法，如文献采用DSP实现复杂的脑电信号采集系统；而ARM适合做事务处理或者中低端应用，如文献中通过ARM处理器建立操作系统实现任务调度。尽管采用DSP和ARM芯片可使系统的运算能力和管理事务的能力得到很大增强，但是构成完整的数据采集系统通常还需要外部逻辑控制器件，尤其不能将数据采集和刺激信号源在单片上集成实现。
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，受到很多厂家和研究机构的关注，利用它的可编程性和可扩展，可将绝大部分的功能集成到FPGA芯片中。如文献采用FPGA实现了脑电信号采集；文献则将盲分离算法ICA在FPGA上实现，能同时对脑电信号进行采集和独立分量分解。
本文针对诱发电位仪的硬件系统设计，提出将信号采集控制、处理、传输、刺激信号产生等功能集成在一块FPGA芯片上的设计方案，并结合ADSl258模／数转换芯片，使得系统具有16通道，每个通道24位采样精度和400 kHz采样率的高性能，而且电路结构简单。

1 系统总体设计
本文提出的诱发电位仪包括了刺激信号源、数据采集和数据传输三大部分。其中核心控制芯片采用Altera公司的FPGA，产生刺激诱发信号源包括听觉刺激、神经传导刺激和视觉诱发刺激，以及实现对外围电路如A／D，USB等模块的控制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的模／数转换芯片ADSl258将通过放大器放大后的诱发电位信号进行模／数转换并输入FPGA内进行前置处理；数据传输通
过USB控制器Cypress 68013A将诱发电位数据传输至PC上位机，由上位机应用程序实现诱发脑电信号的后期处理、显示、存储等功能。系统总体框图见图1。