基于FPGA的诱发电位仪完整系统设计

过FPGA端口输出，例如在芯片中使用以下代码可产生一个占空比为PWM_WIDTH：1的PWM波形：

　　视觉诱发刺激信号由在FPGA芯片中存储的刺激图像数据直接产生VGA时序控制信号，控制VGA显示器显示棋盘格或彩条刺激图像给予人体视觉刺激。

　　诱发电位刺激信号主要参数包括刺激脉宽、刺激频率、刺激强度、刺激类型和刺激模式，USB芯片从上位机接收到参数配置信号，传递给诱发刺激信号生成模块发出脉冲。例如，生成听觉诱发电位刺激信号如图3所示，它的刺激脉宽为0.2 ms，刺激频率为12 Hz，设置某一刺激强度(由分贝进行度量);而生成视觉诱发电位刺激信号，刺激频率为2 Hz，刺激类型为棋盘格模式，刺激模式为16×16。

　　图3 刺激信号脉宽和周期

　　2.4 信号传输控制模块

　　在FPGA内部将完成诱发电位仪同步信号发生模块、A/D转换器的控制、USB传输控制端口和上位机命令解析模块，从而形成一整个诱发电位仪核心处理控制模块，可以方便地使用各个模块来完成外围器件的初始化、工作模式配置和系统的数据传输。图4为信号传输控制流程图。

　　图4 信号传输控制流程图

　　2.5 数字信号处理模块

　　数字信号处理模块集成到FPGA中，可以将算法拆分，形成大规模的数字信号处理并行结构，将极大地提高处理速度，且性能不会下降，如模式识别算法、盲源分离算法等，均比较适合集成到FPGA中实现。在前置模拟电路放大之前，脑电信号为微弱混杂的信号，需要做一些滤波处理，而此处可以将前段部分的带通滤波电路转化为数字滤波器，设置到FPGA芯片中去，可简化电路结构，使系统整体体积大大减小。本设计在FPGA芯片中搭建了四阶无限脉冲数字滤波器，其系统传递函数H(z)如下：

　　将诱发电位信号放大模/数转换之后的数据实时经过滤波，实现信号的前置处理，经测试效果良好。利用FPGA的并行性，在每个通道设置一个数字滤波器，大大增强了系统实时性，而且可探索自适应、小波数字滤波器等设计，在硬件层次提高系统的处理能力。

　　3 高精度多通道模/数转换器ADSl258

　　在诱发电位仪采集系统中，模/数转换模块芯片的选取对整个采集系统的结构和性能影响非常大，本文模/数转换芯片选用ADSl258器件，使得本系统达到多通道高分辨率的要求。

　　3.1 ADSl258的主要特点

　　ADSl258是16通道24位分辨率的低噪声模/数转换芯片，全量程5 V的单端输入范围或者±2.5 V的真双极输入，每个通道采样速率最高23.7 KSPS(16通道同时采样)，单个通道采样最高可达400 KSPS，通过SPI兼容接口进行工作模式配置和串行数字通信，使用方便。选用此芯片，电压分辨率即可达到1 μV，因此信号放大和调理预处理电路的放大倍数只要100倍就可满足诱发电位仪的技术要求，大大简化了前级电路。

　　3.2 ADSl258与FPGA接口电路

　　ADSl258通过一个SPI兼容串行接口将数据写入配置寄存器，使用命令控制转换器以此来控制A/D芯片的工作模式，并最终读取通道数据。接口包含，SCLK，DIN 和DOUT四个信号。对ADSl258的所有操作都得先向其写入命令，然后由AD根据写入的命令做相应的操作。经过FPGA的A/D配置模块启动之后，ADSl258将处于固定通道扫描模式下或者自动通道扫描模式下，ADSl258将可转换16路共模输入信号或8路差分输入信号。模拟信号由AIN口输入，输入范围0～+5 V。外围控制端口接驳到FPGA，由FPGA控制模块控制A/D采样，由进行选通，START启动ADC开始工作，通过DIN输入命令之后由DOUT输出转换结果，共使用8个端口与FPGA芯片的端口相连接。具体接口电路的实现如图5所示。

　　图5 ADS1258 与FPGA 芯片的接口电路

　　4 结语

　　利用FPGA芯片丰富的资源，将诱发电位仪的刺激信号源、模/数转换控制逻辑和USB接口控制与数据传输以及数字信号处理等模块设计在单个芯片上，可最大限度地简化诱发电位仪的硬件电路复杂度，利用其可编程性极大地方便了硬件设计，结合ADSl258的高分辨率的优势，可以使系统既具有优异的性能又具有很高的集成度，而且本设计尚余很多FPGA的I/O口，如需更多通道则仅需要加入多块A/D芯片，具有较高的应用价值。