基于FPGA的视觉、听觉诱发电位系统的设计

FPGA设计论坛 发表于 2020-11-20 16:17:29 收藏 已收藏
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基于FPGA的视觉、听觉诱发电位系统的设计

FPGA设计论坛 发表于 2020-11-20 16:17:29

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。
 

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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。
 

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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。
 

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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。

责任编辑:lq

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