4通道脈沖刺激器

1、 課程名稱：FPGA原理及應(yīng)用 作業(yè)名稱：基于FPGA的多通道脈沖刺激器 任課教師：馮曉明 學(xué) 院：信息與通信工程 姓 名：蔡剛 學(xué) 號(hào)：2013124019 日 期：2014年6月10日 1、本作業(yè)時(shí)基于Altera公司Cyclone系列EP1C6型FPGA芯片的多通道視皮層刺激器。該刺激器由FPGA和外圍電壓/電流轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。FPGA內(nèi)部包括刺激脈沖發(fā)生器和多個(gè)多路選擇器:刺激脈沖發(fā)生器產(chǎn)生各種形式的脈沖序列信號(hào);多路選擇器作為控制端實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的選擇,每一通道對(duì)應(yīng)一個(gè)多路選擇器,增加多路選擇器即可實(shí)現(xiàn)通道的增加。 FPGA輸出的電壓信號(hào)通過(guò)外圍電壓/電流轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后傳

2、入電極陣列。采用Altera公司Cyclone系列EP1C6型FPGA制作了四通道實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行手部恢復(fù)訓(xùn)練。采用癱瘓的手作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在癱瘓的手掌五指都包裹可控制運(yùn)動(dòng)的支撐桿，而支持桿通過(guò)直流電機(jī)來(lái)控制，然后通過(guò)FPGA來(lái)控制直流電機(jī)，直流電機(jī)來(lái)控制支撐桿運(yùn)動(dòng)，使手部得到恢復(fù)訓(xùn)練。 2、功能性電刺激( functional electrical stimulation,FES)廣泛應(yīng)用于心臟起搏和除顫,緩解疼痛、呼吸維持、尿失禁控制、人工視覺(jué)、人工聽(tīng)覺(jué)和癲癇治療等。電刺激視皮層是功能性電刺激在視覺(jué)修復(fù)方面的重要應(yīng)用。電刺激醒覺(jué)人大腦皮質(zhì)的最早觀察見(jiàn)于20世紀(jì)20年代德國(guó)神經(jīng)外科學(xué)家的報(bào)告,點(diǎn)狀

3、刺激一側(cè)視皮質(zhì)則在對(duì)側(cè)視野產(chǎn)生靜止的點(diǎn)狀光覺(jué)。早期的刺激器可產(chǎn)生光感,不能形成圖像。最新的視皮層刺激器系統(tǒng)由微型數(shù)碼攝像機(jī)獲取圖像,經(jīng)微處理器編碼處理,產(chǎn)生特定模式的電刺激信號(hào)經(jīng)電極陣列刺激視皮層。雖然直接刺激皮層可能存在感染及誘發(fā)病灶性癲痛的危險(xiǎn),并且面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn),但該方法仍然具有可行性。美國(guó)猶他大學(xué)的Normannl等人,澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Chelvanayagam等人在視皮層視覺(jué)修復(fù)方面作進(jìn)行了大量的研究。多通道刺激器是視皮層視覺(jué)修復(fù)系統(tǒng)的核心部分,其功能是產(chǎn)生刺激視皮層的電流脈沖信號(hào)。為了研究人體對(duì)各種刺激的反應(yīng),刺激器可以輸出各種形狀與強(qiáng)度的刺激信號(hào),例如,矩形脈沖波、雙脈

4、沖波、系列脈沖涉及各類調(diào)制脈沖波等。電刺激脈沖也因參數(shù)不同而異,電刺激脈沖的基本參數(shù)包括刺激脈沖的寬度、幅度、重復(fù)頻率或周期及刺激的持續(xù)時(shí)間等。刺激器輸出的要求,或是需要供應(yīng)一定的功率,或是需要具有穩(wěn)壓或恒流輸出。 早期的晶體管刺激器功能不全,控制不夠精確,穩(wěn)定性較差。普通數(shù)字式刺激器雖然克服了上述缺點(diǎn),仍存在輸出幅度較低,電路復(fù)雜,控制不便等缺點(diǎn)。FPGA ( filed programmable gate array,FPGA)是專用集成電路(ASIC)概念上的一個(gè)新型范疇和門(mén)類,與數(shù)字器件相比,它具有簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)、高速度、低功耗等優(yōu)勢(shì),用戶可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)編程和配置來(lái)改變其內(nèi)部連接和元件參數(shù)從而

5、獲得所需要的電路功能;而與普通的模擬電路相比,它又具有全集成化、實(shí)用性強(qiáng),便于開(kāi)發(fā)和維護(hù)升級(jí)等顯著優(yōu)勢(shì)。因此,利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)高速度、低功耗、小體積和易于控制的電刺激器是一種高效可靠的解決方案。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多通道刺激器由FPGA和外圍轉(zhuǎn)換電路2部分組成,如圖1所示。FPGA內(nèi)部包括刺激脈沖發(fā)生器和多路選擇器。刺激脈沖發(fā)生器產(chǎn)生各種形式的脈沖序列信號(hào)。多路選擇器作為控制端實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的選擇,每一通道對(duì)應(yīng)一個(gè)多路選擇器,充分利用FPGA豐富的I/O資源,增加多路選擇器即可實(shí)現(xiàn)通道的增加。FPGA輸出的電壓信號(hào)通過(guò)外圍轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后傳入電極陣列。 圖1 多通道視皮層刺激器的結(jié)構(gòu)對(duì)以往的研

6、究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)用于人工視覺(jué)修復(fù)的電刺激參數(shù)十分接近,采用的電刺激信號(hào)多為單向脈沖或者雙向電流脈沖形式,幅值在幾個(gè)mA以內(nèi),多為微安級(jí),脈寬約為251 000 us,頻率在1 000 Hz以內(nèi)。與單個(gè)脈沖刺激相比,串脈沖可以在低幅值刺激下誘發(fā)穩(wěn)定的EEP波形,國(guó)外已有臨床實(shí)驗(yàn)報(bào)道串脈沖刺激能夠成功誘發(fā)光幻視。因此,本刺激器的輸出信號(hào)為串脈沖信號(hào)即脈沖序列。輸出的脈沖序列根據(jù)脈寬調(diào)制(PWM)原理構(gòu)成不同的等效波形,通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變等效信號(hào)的幅值。每個(gè)序列由一定個(gè)數(shù)的矩形脈沖構(gòu)成,這些矩形脈沖頻率相等,幅值相等,脈沖寬度按一定規(guī)律變化,從而構(gòu)成一定的等效波形。如圖2中的脈沖序列可等效為

7、三角波,要改變等效波形,按一定比例改變脈沖序列中各個(gè)脈沖寬度即可。 圖2 脈沖序列信號(hào)與等效波形 3.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由EP1C6型核心板與4通道外圍轉(zhuǎn)換電路組成,其核心為Altera公司Cyclone系列EP1C6型FPGA12,內(nèi)部資源包含5,980Les,20個(gè)4 Kbit存儲(chǔ)塊, 185 I/O口。軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為QUARTUSÒ7.2。4、FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)4通道的刺激脈沖發(fā)生器頂層設(shè)計(jì)圖如圖3所示。sel為波形選擇信號(hào),sel1x為多路選擇信號(hào),控制各通道的信號(hào)頻率,reset為清零控制信號(hào),clk為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)(50 MHz),s為多路輸出信號(hào)到多路選擇器。4通道

8、刺激信號(hào)發(fā)生器共占用600Les,占用率為10%,而增加一個(gè)通道僅多占用3Les,在充分利用現(xiàn)有I/O數(shù)的基礎(chǔ)上,可以擴(kuò)展到160個(gè)通道。 圖3 4通道刺激脈沖發(fā)生器頂層設(shè)計(jì)圖刺激脈沖發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。各種頻率的信號(hào)由多個(gè)process語(yǔ)句產(chǎn)生,在每個(gè)process中,基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)器控制基準(zhǔn)脈沖的頻率,頻率計(jì)數(shù)器控制脈沖序列的重復(fù)頻率即刺激信號(hào)頻率,頻率計(jì)數(shù)器通過(guò)讀取脈寬寄存器中的跳變值控制每個(gè)基準(zhǔn)脈沖的脈寬,在脈寬寄存器中設(shè)定序列中的脈沖個(gè)數(shù)。以下是指數(shù)形式脈沖序列的脈寬控制程序,其中tmp和len為process內(nèi)部變量,tmp控制脈沖序列的個(gè)數(shù),len控制脈沖的寬度。 圖4 刺

9、激脈沖發(fā)生器程序如下：CASE tmp ISWHEN 1=>len:=4900;WHEN 2=>len:=1646;WHEN 3=>len:=541;WHEN 4=>len:=178;WHEN 5=>len:=58;WHEN 6=>len:=19;WHEN 7=>len:=6;WHEN 8=>len:=2;WHEN 9=>len:=0;WHEN 10=>len:=0;WHEN others=>len:=0;END CASE;5、由于沒(méi)有FPGA的實(shí)驗(yàn)板子，所以運(yùn)行結(jié)果無(wú)法顯示，改作業(yè)僅在理論方面論證。6、結(jié) 論 作業(yè)應(yīng)用于手部恢復(fù)刺激的基于FPGA的多通道電刺激器,制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了癱瘓手部實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該刺激器的特點(diǎn)在于通道的增加可通過(guò)增加單元電路實(shí)現(xiàn),通道的擴(kuò)展只受FPGA的I/O數(shù)量的限制。另一特點(diǎn)在于參數(shù)的修改可在軟件