基于fpga视觉诱发电位数据采集系统

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1、VisualEvokedPotential(VEP)SignalAcquisitionSystemBaseonFPGAAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringByPangNingSupervisedbyProf.ChenJiSpecialty：ME（BiomedicalEngineering）CollegeofBioengineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaA

2、pril,2014重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着电子信息技术的发展，设计灵活、速度快、规模大和集成度高的现场可编程门阵列FPGA受到越来越多厂家和研究机构的关注。作为可编程器件的主导，FPGA弥补了CPLD、PAL等原有可编程器件门电路数有限的缺点，而且拥有比DSP更快的速度，比专用芯片有更短的设计周期，能满足现代医疗仪器小型化、低功耗和智能化的发展趋势，现已广泛应用与包括诱发电位数据采集系统和病人监控设备等医疗产品。视觉诱发电位（VisuallyEvokedPotential,VEP）检测是临床眼科检查的重要项目，其信号比较稳定且易检测，与受试者自控能力关系不大，为视觉神经

3、系统疾病和眼底病变的诊断和鉴别提供了客观依据，在判断视路功能异常、评估眼科疾病的疗效和儿童视觉发展水平等医学研究和临床诊断等方面都发挥着愈发重要的作用。临床上常用电视屏幕棋盘格翻转法作为视觉诱发电位刺激源，这种方式诱发出的视觉诱发电位潜伏期易测定、波形稳定、个体差异比较小，是检测VEP的可靠指标。对于性能良好的视觉诱发电位数据采集系统而言，稳定可靠的测量系统、准确无误的传输以及合理科学的信号处理与分析方法缺一不可。由于视觉诱发电位幅值只有µV级，容易被环境噪声（如工频干扰）、系统内部噪音和其他电生理信号（如肌电和脑电等）淹没，所以多次采集的原始信号一般都要通过叠加平均处理来增强有用

4、信号和减小噪声干扰。为达到这一目的，要保证每一次的采集到的信号相位一致。本课题设计的视觉诱发电位数据采集系统有效解决了传统的基于Windows多任务处理调度机制和双显卡技术的视觉诱发电位采集系统的不足，设计的基于FPGA的硬件电路能同时控制图形刺激器和信号采集模块，消除了刺激图形的产生和信号采集的启动间的不确定延时，保证了采样的实时性。另一创新之处在于本系统充分考虑到了图形信号和诱发电位间存在的锁时关系，在显示器产生刺激图形的同时启动采样，保证了采样信号的同步性和以及后续叠加平均处理数据的有效性。本系统采用Altera公司的FPGA芯片EP1K100QC208-3作为核心器件，利用

5、其资源丰富、可编程的特点，将视觉诱发电位刺激信号模块以及模数转换、数据存储和USB上传的控制模块集成起来，设计了电路结构简单、体积小、功能齐全的视觉诱发电位信号采集系统的主控模块。硬件描述语言采用了层次结构清晰、语法严谨、易于共享和复用的VHDL。在AlteraQuartusⅡ环境下完成逻辑仿真、I重庆大学硕士学位论文中文摘要功能验证、逻辑综合等任务。模数转换功能单元采用低功耗和体积小的逐次逼近型12位AD转换器ADS7822，最高采样率可达75MHz，完全满足采集视觉诱发电位的技术需求。采集的数据暂时保存在高性能的静态随机存储器IS61LV25616中，该SRAM不需要定时刷新电

6、路就能保存内部存储的数据。所有信号采集完成以后，数据批量传到上位机。基于VisualBasic6.0设计的上位机控制软件，能便捷有效地控制整个系统，不仅能设置AD参数、VGA图形参数、启动和停止系统工作、参与数据上传，还能处理采集结果，显示经过叠加平均后噪声降低的视觉诱发电位信号曲线，检测并标记NPN三项复合波的N75、P100和N135。实验数据和参数设置可以保存在TXT文本中。上位机和FPGA通信由支持热插拔的USB接口完成。相比于传统的诸如RS232串口或PCI总线等方式，USB接口传输具有可靠性高、速度快、数据不丢失和抗干扰性强等优点。系统软硬件设计完成以后，用Signal

7、TapⅡ和函数信号发生器分别验证了信号源启动与信号采集的同步性和多次采样起点的一致性，并实测了人体视觉诱发电位信号，VEP波形清晰准确。总体而言，该系统性能稳定，满足了视觉诱发电位信号采集系统的性能指标和基本需求，具有良好的应用前景和实用价值。关键词：现场可编程门阵列FPGA、USB、VGA图形刺激、视觉诱发电位II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofElectronicInformationTechnology,FPG