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。
01 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
1诱发电位系统结构
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。
1
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6vga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。
1
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。
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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。
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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。
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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。
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图6vga显示模块模拟框图
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（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。
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