摘 要： 設(shè)計了一種基于FPGA的用于誘發(fā)電位系統(tǒng)的刺激器，利用FPGA實現(xiàn)誘發(fā)電位所需的光刺激、聲刺激和電流刺激?？捎糜谝曈X誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位及體感誘發(fā)電位等多種自發(fā)和誘發(fā)電位等生理檢查中。與傳統(tǒng)的誘發(fā)電生理刺激系統(tǒng)相比，該設(shè)計簡化了電路、功能多、體積小、刺激輸出準確可靠，應(yīng)用范圍廣，能很好地滿足誘發(fā)電位檢測的性能要求。
關(guān)鍵詞： FPGA；VHDL；刺激器
誘發(fā)電位EPs(Evoked Potentials)是指對神經(jīng)系統(tǒng)某一特定部位給予特定刺激后在大腦皮層所產(chǎn)生的特定電活動，它是神經(jīng)系統(tǒng)對外界刺激的直接電生理反應(yīng)，其對于神經(jīng)系統(tǒng)功能性異常的疾病有獨特的檢測診斷能力[1]。誘發(fā)電位是繼心電圖和腦電圖技術(shù)之后臨床電生理學的第三大進展, 它與計算機斷層成像技術(shù)(CT)并稱為檢測神經(jīng)系統(tǒng)功能的兩大有力工具[2]。誘發(fā)電位根據(jù)刺激部位的不同分為視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位、體感誘發(fā)電位，與其對應(yīng)刺激信號源有光、聲、電三種。目前國際國內(nèi)的誘發(fā)電位儀的刺激信號源體積大、功能單一，且視覺誘發(fā)電位儀、聽覺誘發(fā)電位儀和體感誘發(fā)電位儀的功能相互獨立[2-4]。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)核心控制芯片F(xiàn)PGA采用美國Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8N，它提供了8256個邏輯單元。利用FPGA產(chǎn)生視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位等誘發(fā)電位檢測所需要的刺激信號。系統(tǒng)主要由圖形刺激模塊、閃光刺激模塊、聲音刺激模塊和電刺激模塊組成，系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
上位機（通常是PC機）根據(jù)誘發(fā)電位檢測的需要向FPGA發(fā)送相應(yīng)的刺激命令和參數(shù)，由于上位機向FPGA發(fā)送一些簡單的數(shù)字控制命令，因此選擇波特率為115.2 Kb/s的串口通信。選擇控制模塊接收上位機傳來的命令，經(jīng)分析確定輸出何種刺激。閃光刺激、電流刺激和聲音刺激的純音、疏波、密波、交替波是由FPGA產(chǎn)生的PWM脈沖調(diào)制波，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化為模擬信號。電流刺激中的雙極性刺激由外圍的雙極性恒流源控制電路把D/A輸出的單極性轉(zhuǎn)化為雙極性刺激信號，再由升壓電路使刺激電流達到體感刺激所需要的電流強度。
2 圖形刺激
圖形刺激模塊包括VGA時序模塊和圖形刺激生成模塊，VGA時序模塊生成控制CRT陰極射線槍的水平同步信號HS和垂直同步信號VS，圖形生成模塊生成顯示不同圖形的R、G、B三基色信號。圖形刺激有豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)。
2.1 VGA時序模塊
本設(shè)計采用的顯示器分辨率為800×600，像素頻率是50 MHz，場頻72 Hz。程序中設(shè)置2個變量：行點計數(shù)器hcnt和場行計數(shù)器vcnt。hcnt對系統(tǒng)時鐘clk進行計數(shù)，vcnt對hcnt進行計數(shù)，根據(jù)VGA的工業(yè)標準，hcnt是從第0個時鐘計數(shù)到第1 039個時鐘反復(fù)計數(shù)，vcnt是從第0計到665個hcnt反復(fù)計數(shù)。在HS信號生成中800個時鐘是有效的行顯示時間，120個時鐘是行同步時間。在VS生成中，600個行周期是有效的顯示時間，6個行周期是場同步時間。下面的程序產(chǎn)生HS行信號和VS場信號。
if (clk′event and clk = ′1′) then
if (hcnt >= 800+56 and hcnt < 800+56+120) then
HS <= ′0′;
else HS <= ′1′;
end if;
end if;
if (clk′event and clk = ′1′) then
if (vcnt >= 600+36 and vcnt < 600+36+6) then
VS <= ′0′;
else VS <= ′1′;
end if;
end if;
2.2 圖形生成模塊
刺激圖形生成模塊是對系統(tǒng)時鐘進行計數(shù)，通過對行計數(shù)器hcnt和場計數(shù)器vcnt的判斷和運算來產(chǎn)生圖形。在設(shè)計中把顯示器看作一個直角坐標系，其原點在左上角，hcnt（0~799）是橫坐標，vcnt（0~599）是縱坐標，通過對hcnt和vcnt的判斷，賦予R、G、B三基色不同的值，實現(xiàn)豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)圖形的生成。
2.2.1 豎條柵和橫條柵刺激圖形生成模塊
豎條柵和橫條柵的顯示，分別是通過對行點計數(shù)器hcnt和場行計數(shù)器vcnt的控制實現(xiàn)的。豎條柵是對hcnt判斷產(chǎn)生，其判斷公式為hcnt<(800÷n)×i，n是產(chǎn)生豎條柵的條數(shù)，i在1～n取值，表示顯示屏上第幾個豎條柵，如白黑交替的4條豎條柵的產(chǎn)生：hcnt<200，RGB=111111；hcnt<400，RGB=000000；hcnt<600，RGB=111111，hcnt<800，RGB=000000時，RGB是輸出到顯示器VGA接口的6位色彩信號，“000000”表示黑色，“111111”表示白色。橫條柵的產(chǎn)生與豎條柵原理相似，是根據(jù)vcnt來產(chǎn)生，它的判斷公式為vcnt<(600÷n)×i，n表示橫條柵的條數(shù)，i在1～n取值，表示顯示屏上第幾個橫條柵。
2.2.2 棋盤格圖形生成模塊
棋盤格是在橫條柵和豎條柵產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，通過橫條柵和豎條柵“異或”運算生成。由于視覺誘發(fā)電位的圖形刺激器所要求的棋盤格最高空間頻率為96×128，如果通過簡單“異或”運算，程序繁瑣，浪費FPGA資源。本文提出一種簡單的方法：以空間頻率6×8的棋盤格圖形為基礎(chǔ)，通過平移生成12×16、24×32、48×64、96×128等高空間頻率的棋盤格圖形。以空間分辨率為12×16的棋盤格圖形為例，首先使全屏6×8棋盤格圖形縮小在顯示屏的左上1/4角 ，然后再分別向右和向下平移縮小后的圖形，生成12×16的棋盤格刺激圖形。這樣通過縮小和平移生成高空間分辨率的刺激圖形，既簡化了程序，又節(jié)約了FPGA的硬件資源。
r是平移后到原點的距離，r的取值不同顯示出不同的圓環(huán)。實驗表明，如果直接采用乘法運算，由于運算的數(shù)據(jù)比較大（hcnt、vcnt都是10 bit的二進制數(shù)），顯示的同心圓環(huán)圖形中有多余的豎條，影響圖形的質(zhì)量。此時可通過調(diào)用FPGA內(nèi)部乘法器的IP核加快計算速度解決這一問題。試驗證明，通過設(shè)置乘法器IP核延時5個時鐘單元，可以避免顯示的同心圓環(huán)圖形中出現(xiàn)多余的豎條。而延時的多少與FPGA芯片類型的選取有關(guān)。
本系統(tǒng)圖形刺激器實現(xiàn)的功能：(1)實現(xiàn)不同參數(shù)的豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)圖形的輸出；(2)使棋盤格圖形按照一定頻率翻轉(zhuǎn)。
3 電流刺激
體感誘發(fā)電位SEP(Somatosensory Evoked Petential)是指對感覺神經(jīng)進行刺激時在感覺神經(jīng)通路相應(yīng)部位所記錄到的誘發(fā)電位[5]。電流刺激器的設(shè)計包括刺激脈沖的頻率控制、脈寬控制和電流強度控制等。刺激脈寬和刺激頻率控制由PWM控制。由于人體的體表電阻一般為幾千歐姆，因此需要升壓電路把系統(tǒng)的5 V供電電壓升到100 V左右，才能滿足刺激脈沖的電流達到毫安級別。
3.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊
本設(shè)計采用串行D/A 轉(zhuǎn)換器TLC5615，它是10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出范圍0 V~5 V。TLC5615與FPGA采用三線接口cs、sclk和data，cs是片選信號，sclk是串行時鐘信號，data是串行數(shù)據(jù)輸入端。data在cs和sclk信號的控制下將12 bit數(shù)據(jù)送入到TLC5615的輸入寄存器并完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，其中前10 bit為D/A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當片選cs為低電平時，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器。本設(shè)計中，cs和sclk都是通過對系統(tǒng)時鐘clk進行分頻產(chǎn)生，其時序圖如圖2所示。
3.2 雙極性控制和恒流源電路
在某些檢測中，電刺激需要脈沖為正、負的雙極性刺激源，雙極性恒流源控制電路可以把單極性轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性刺激，并控制電流刺激的大小不因人體電阻的改變而改變。而FPGA控制輸出的波形是單極性的。
本系統(tǒng)通過功率開關(guān)實現(xiàn)單極輸出電壓轉(zhuǎn)換為雙極性輸出[6]，如圖3所示。電路的工作原理：功率開關(guān)管Q2、Q3、Q4、Q5作電流開關(guān)，由FPGA產(chǎn)生的極性相反的一組脈沖信號XLY1、XLY2，通過非門74HC04驅(qū)動控制Q2、Q3、Q4、Q5在飽和與截止狀態(tài)之間切換。當XLY1=0、XLY2=1時，Q2和Q5飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q2→RL→Q5；當XLY1=1、XLY2=0時，Q3和Q4飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q4→RL→Q3，由此可實現(xiàn)負載RL雙極性脈沖的輸出。設(shè)計中采用了光電耦合電路確保人體的電氣安全。
運算放大器MCP6001、晶體管Q6、電阻R20組成電壓串聯(lián)負反饋電路，它和刺激電極(即負載電阻RL)組成恒流源電路，如圖3下半部分。由放大器的虛短和虛斷特性可知，放大器同相和反相輸入端電壓相同（VIN+=VIN-=Vdaout），即：電阻R20兩端的電壓為Vdaout。當外部供電電壓足夠高時，晶體管Q6將工作在放大狀態(tài)（Ic≈Ie）。Vdaout與電阻R20的比值決定了負載電阻上的電流的大小，而與RL的大小無關(guān)，實現(xiàn)電壓控制的恒定電流輸出。
3.3 升壓電路
本系統(tǒng)使用升壓芯片MCP1651， MCP1651是一種門控振蕩升壓控制器，通過外接一個N溝道MOSFET管、一個肖特基二極管和一個升壓電感，可以實現(xiàn)高的輸出功率，它可以在輸入電壓2.0 V～5.5 V內(nèi)工作，輸出電壓可以達到100 V以上。
升壓電路如圖4所示，工作原理為：通過外接分壓電阻(圖中R4、R5)把輸出電壓反饋到FB引腳，與內(nèi)部1.22 V的參考電壓進行比較。當分壓反饋低于1.22 V參考電壓時，外部門驅(qū)動（EXT）引腳以750 kHz門控振蕩頻率輸出脈沖來控制N溝道MOSFET接通，此時肖特基二極管DS反向偏置，電源經(jīng)由電感L至MOSFET形成回路，輸入電壓加在升壓電感中轉(zhuǎn)化為磁能儲存；直到FB腳的反饋電壓高出1.22 V時，內(nèi)部振蕩器停止工作， MOSFET關(guān)斷，肖特基二極管DS正向偏置，電感中的磁能因不能突變而轉(zhuǎn)化為電能，此電壓與電源一起為負載提供能量，并給電容C充電，需要幾個脈沖來提供足夠的能量以實現(xiàn)升壓功能。
本系統(tǒng)電刺激主要性能指標如下：(1)電流刺激脈寬：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7檔可調(diào)；(2)電流刺激強度：0 mA~100 mA可調(diào)；(3)電流刺激頻率：0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz。
4 聲音刺激
聽覺誘發(fā)電位AEP(Auditory Evoked Potential)指給予聲音刺激, 從耳蝸毛細胞起至各級中樞產(chǎn)生相應(yīng)的電位活動[7]。聽覺誘發(fā)電位刺激信號為雙通道信號，一路是刺激信號，一路是白噪聲掩蔽信號。刺激信號包括短聲、疏波、密波和交替波。連續(xù)波脈沖重復(fù)頻率在30 Hz以下稱為疏波，脈沖重復(fù)頻率在30 Hz～1 000 Hz之間稱為密波，疏波和密波交替輪流輸出稱為交替波。本系統(tǒng)對50 MHz系統(tǒng)時鐘分頻，就可得到一定頻率的疏波和密波。
4.1 短聲刺激的產(chǎn)生
短聲刺激的技術(shù)指標包括：刺激脈寬、刺激頻率和刺激強度。刺激脈寬和刺激頻率由PWM脈沖控制實現(xiàn)；刺激強度由外圍電路實現(xiàn)。PWM脈沖信號通過D/A輸出到耳機。
PWM的實現(xiàn)有三種方法：數(shù)字集成電路、軟件和專用集成芯片[8]。利用FPGA設(shè)計的數(shù)字比較器可以靈活地輸出PWM波形，具有軟件方法和專用集成芯片的共同優(yōu)點。以刺激頻率50 Hz、刺激脈寬1 ms的短聲刺激為例，分析PWM的產(chǎn)生。本系統(tǒng)時鐘是50 MHz，對系統(tǒng)時鐘在0~999 999計數(shù)，即對系統(tǒng)時鐘進行106分頻，當在0~49 999計數(shù)時，PWM=1，即脈寬50 000×1/(50×106）=
1 ms；當在50 000~999 999計數(shù)時，PWM=0。對于不同的短聲刺激，需要調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)以實現(xiàn)不同頻率和脈寬。
4.2 白噪聲的產(chǎn)生
白噪聲是定義在無限頻率范圍內(nèi)功率密度為常數(shù)的信號。m序列是最長線性反饋移位寄存器的簡稱。m序列的譜特性具有白噪聲特性，其周期越長，越接近白噪聲。在白噪聲發(fā)生器中利用m序列的這一性質(zhì)可產(chǎn)生高性能的噪聲源。圖5是利用Matlab對15 bit的m序列進行的功率譜分析。從圖中可以看出功率譜基本恒定。結(jié)合FPGA的硬件資源和m序列的白噪聲特性，這里采用32 bit線性反饋的移位寄存器。其特征多項式為：
本系統(tǒng)聲音刺激主要性能指標如下：(1)聲音刺激脈寬：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7檔可調(diào)；(2)聲音刺激頻率：0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz，共15檔可調(diào)；（3）聲音刺激強度：1 dB~120 dB；（4）聲音刺激模式：疏波、密波、交替波；（5）噪聲：白噪聲。
5 閃光刺激
閃光刺激源應(yīng)用在閃光VEP（視覺誘發(fā)電位）、閃光ERG(視網(wǎng)膜電圖)、閃光EOG(眼電圖)等測定中。閃光刺激源采用全視野刺激器(或者稱為Ganzfeld)。閃光刺激源的光源多為氙燈，其主要特點為極短的閃光時程和寬的輸出光譜，其強度可用電子控制也可用中性濾光片衰減，可提供高頻率閃光[9]。閃光的頻率可通過對系統(tǒng)時鐘的分頻來控制，閃光強度可由外部的升壓電路來控制。
本系統(tǒng)閃光刺激源可以實現(xiàn)以下功能：(1)閃光強度分為8級可調(diào)；(2)閃光頻率：0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz，共15檔可調(diào)。
本系統(tǒng)以FPGA作為微處理器和主控制芯片，并采用少量的外圍電路設(shè)計了一種用于誘發(fā)電位系統(tǒng)的多功能刺激器，能產(chǎn)生多種刺激信號。與傳統(tǒng)的刺激器相比，電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可擴展性好，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。實驗和測試結(jié)果表明，刺激信號輸出準確可靠，較好地完成了各性能參數(shù)。
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