摘要：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：

　　在国内外相关产品中，有的所使用的较多，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：

　　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。

　　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：

　　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：

　　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：

　　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。

　　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。（作者：范松，潘旭，张鹏飞）