基于FPGA的视觉、听觉诱发电位系统的设计

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：


图1 诱发电位系统

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：


图2 设计构图

2.1开发平台

开发平台我们使用了ALTERA公司的DE2开发平台，具有核心的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。


图3 WM8731结构框图

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：


图4 纯音的图像

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：


图5 短声图像

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：


图6 VGA显示模块模拟框图

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。


图7 测试效果

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后显示第一幅棋盘格，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。