0 引言

　　人的視網(wǎng)膜感受光信號(hào)刺激后，將會(huì)誘發(fā)一系列源于視覺(jué)傳導(dǎo)通路及枕葉視皮層的電生理活動(dòng)，即視覺(jué)誘發(fā)電位(Visual Evoked Potential，VEP)[1]。在低刺激率(＜3rev/s)下，會(huì)誘發(fā)暫態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(transient VEP，tVEP)。而當(dāng)刺激率提高(＞7rev/s)，視覺(jué)誘發(fā)電位會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)(Steady-State VEP，SSVEP)[2]。Bobak的研究表明，tVEP和SSVEP是由大腦不同生理通道處理產(chǎn)生[3]。Herrmann認(rèn)為，SSVEP反映了受刺激信號(hào)驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)節(jié)律現(xiàn)象[4]。另外，SSVEP在神經(jīng)視功能的評(píng)估方面有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前視覺(jué)誘發(fā)電位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　在研究SSVEP的實(shí)驗(yàn)中，需要給予受試者一個(gè)高頻率的視覺(jué)刺激信號(hào)，并保證刺激圖像和觸發(fā)信號(hào)的同步性與準(zhǔn)確性。視覺(jué)刺激器產(chǎn)生用于VEP檢查的視覺(jué)刺激信號(hào)，傳統(tǒng)的刺激器主要有兩種：(1)基于單片機(jī)的視覺(jué)刺激器，其原理是利用單片機(jī)輸出刺激圖像。其性能穩(wěn)定，但單片機(jī)內(nèi)部資源有限，變更刺激模式困難；(2)基于PC的視覺(jué)刺激器，是通過(guò)PC上的軟件編程實(shí)現(xiàn)圖像刺激。其優(yōu)點(diǎn)是方便修改代碼，能靈活地產(chǎn)生不同刺激模式。但因刺激器需運(yùn)行在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，其時(shí)間精度有賴于CPU性能及對(duì)硬件的調(diào)度。刺激器在產(chǎn)生高頻圖像刺激時(shí)，圖像刺激和觸發(fā)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)[5]，導(dǎo)致同步性變差。在本實(shí)驗(yàn)中采用MATLAB產(chǎn)生高于30 rev/s的圖像刺激，出現(xiàn)圖像失真和觸發(fā)信號(hào)延遲?？梢?jiàn)，單片機(jī)方式的不靈活和軟件方式的同步性差不能滿足目前SSVEP研究對(duì)刺激器的要求。

　　本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的高頻視覺(jué)刺激控制器，從串口接收刺激模式命令，在由FPGA控制生成刺激圖像的同時(shí)，向采集設(shè)備發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的高頻視覺(jué)刺激器能靈活地變更不同的刺激模式，并確保了高刺激率下刺激圖像和采集信號(hào)的完全同步。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的高頻視覺(jué)刺激控制器采用Altera公司的EP4CE30型FPGA芯片作為主控器件。整個(gè)視覺(jué)刺激器包括硬件和軟件兩個(gè)部分：(1)系統(tǒng)硬件部分，主要采用一塊FPGA電路板，包括串口電路、VGA接口電路、按鍵電路及I/O口等外圍電路；(2)系統(tǒng)軟件部分，主要是由硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的FPGA程序組成，包括串口通信模塊、VGA時(shí)序掃描模塊、刺激圖像描述模塊及刺激率控制模塊。

　　刺激器工作原理如圖1所示，視覺(jué)刺激器上電后，讀取預(yù)置的配置文件完成硬件系統(tǒng)初始化。上位機(jī)通過(guò)LabVIEW編寫的用戶界面向串口發(fā)送刺激模式的選擇信號(hào)至FPGA芯片。在串口模塊解析完上位機(jī)的控制指令后， VGA控制模塊按所選的刺激模式開(kāi)始行掃描和場(chǎng)掃描，在刺激圖像描述模塊中生成所需的刺激圖像，并在刺激率控制模塊中產(chǎn)生相應(yīng)的刺激率信號(hào)及觸發(fā)信號(hào)，再將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到FPGA板上I/O口，經(jīng)并行接口送至誘發(fā)電位采集設(shè)備，并把RGB、行同步及場(chǎng)同步信號(hào)發(fā)送給VGA接口，通過(guò)接口上連接的顯示器向受試者給予視覺(jué)誘發(fā)刺激。目前對(duì)于通過(guò)本刺激器所誘發(fā)的數(shù)據(jù)采集利用美國(guó)NeuroScan公司的SynAmps2系統(tǒng)，此系統(tǒng)需要接收一個(gè)來(lái)自刺激器的觸發(fā)信號(hào)（脈沖信號(hào)），用于標(biāo)記視覺(jué)刺激的開(kāi)始位置。

2 系統(tǒng)核心控制模塊

　　FPGA控制程序是本系統(tǒng)的核心部分，本文根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)方法把系統(tǒng)劃分為串口通信模塊、VGA時(shí)序掃描模塊、刺激圖像描述模塊及刺激率控制模塊四大模塊。然后把實(shí)例化的子模塊連接起來(lái)，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

　　2.1 串口通信模塊

　　上位機(jī)和刺激器間的通信通過(guò)串口通信模塊實(shí)現(xiàn)。串口通信模塊包括波特率發(fā)生器、發(fā)送器和接收器3個(gè)子模塊。波特率發(fā)生器模塊根據(jù)串口協(xié)議，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘（50 MHz）進(jìn)行5 208個(gè)計(jì)數(shù)定時(shí)，分頻得到讀寫波特率9 600 b/s（1×5 208/50 MHz≈1/9 600 s）。

　　發(fā)送器和接收器屬于串口通信模塊，主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制命令并根據(jù)協(xié)議反饋握手信號(hào)。本串口模塊的幀數(shù)據(jù)每隔1個(gè)讀寫時(shí)鐘讀寫1位，遵循讀寫次序?yàn)?位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)位與1位停止位[6]。模塊采用狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。以接收器為例，分別以rxReady、rxStart、rxRead、rxEnd標(biāo)識(shí) 4個(gè)狀態(tài)。圖2為接收器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖， 狀態(tài)rxReady判斷信號(hào)rxEn為低電平就決定狀態(tài)機(jī)的開(kāi)始，并進(jìn)入rxStart狀態(tài)，判斷信號(hào)isReady為低電平就標(biāo)記幀數(shù)據(jù)的起始位并進(jìn)入狀態(tài)rxRead，利用計(jì)數(shù)器count循環(huán)讀取8位有效數(shù)據(jù)，最后狀態(tài)rxEnd負(fù)責(zé)延時(shí)兩個(gè)讀寫時(shí)鐘信號(hào)而忽略校驗(yàn)位和停止位，并輸出isDone接收完畢信號(hào)。數(shù)據(jù)接收完后，狀態(tài)機(jī)重新進(jìn)入rxReady狀態(tài)等待下一個(gè)幀數(shù)據(jù)的接收。

　　2.2 VGA時(shí)序掃描模塊

　　本模塊中主要是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行PLL鎖相倍頻得到VGA的掃描時(shí)鐘[7]，再通過(guò)行同步和場(chǎng)同步信號(hào)控制CRT顯示器的陰極射線槍發(fā)射電子束，按設(shè)定的時(shí)序打在涂有熒光粉的熒光屏上，產(chǎn)生紅綠黃三基色，合成1個(gè)彩色像素。掃描從屏幕左上角頂點(diǎn)開(kāi)始，從左往右，從上到下逐點(diǎn)掃描。每掃描完一行，電子束需要回到屏幕的左邊下一行的起始點(diǎn)，此時(shí)就要用行同步信號(hào)對(duì)電子束消隱，避免電子束損壞屏幕圖像；掃描完所有行，再由場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行消隱，讓電子束重新回到屏幕左上角頂點(diǎn)，同時(shí)需要行消隱，準(zhǔn)備下一場(chǎng)的掃描。VGA顯示器有800×600@60 Hz、1 024×768@85 Hz等多種顯示標(biāo)準(zhǔn)，以1 024×768@85 Hz說(shuō)明VGA時(shí)序掃描的原理，此VGA標(biāo)準(zhǔn)下時(shí)序技術(shù)參數(shù)如表1所示[7]。

　　行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS的時(shí)序圖如圖3所示。HS先拉低96個(gè)脈沖周期(以o表示)后再被拉高，即行消隱時(shí)間；經(jīng)過(guò)208個(gè)脈沖(以q表示)后，DATA數(shù)據(jù)有效，即顯示器開(kāi)始掃描1 024個(gè)列像素點(diǎn)(以c表示)，掃描完成到下一次HS再次被拉低，中間經(jīng)過(guò)48個(gè)時(shí)鐘脈沖(以d表示)[8]。掃描一行的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)為1 376。同樣，VS類似HS的掃描方式。VS先拉低3個(gè)行周期(以a表示)后再被拉高，延遲36個(gè)行周期(以b表示)后行再被拉低，這樣開(kāi)始掃描這一幀的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)1個(gè)行周期(以p表示)，完成全幀掃描后VS再次被拉低重復(fù)上述過(guò)程。

　　2.3 刺激圖像描述模塊

　　本模塊把顯示屏看作一個(gè)直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在屏幕左上角，通過(guò)列計(jì)數(shù)器Hcnt和行計(jì)數(shù)器Vcnt，定義掃描有效顯示區(qū)域的行和列坐標(biāo)變量Haddr和Vaddr，通過(guò)直接對(duì)不同坐標(biāo)地址賦予不同的顏色值，產(chǎn)生視覺(jué)誘發(fā)電位實(shí)驗(yàn)所需刺激圖像，如水平光柵、垂直光柵和棋盤格等。

　　以棋盤格刺激圖像為例，刺激器是通過(guò)生成同位置黑白相反的兩幅棋盤格圖像，按照翻轉(zhuǎn)信號(hào)的高低電平變化將兩幅棋盤格RGB信號(hào)輪流發(fā)送給VGA端口。如圖4所示，翻轉(zhuǎn)信號(hào)在高電平時(shí)顯示圖像1，反之，在低電平時(shí)顯示圖像2，因此實(shí)現(xiàn)兩幅棋盤格翻轉(zhuǎn)的效果。棋盤格生成流程如圖5所示，圖中M、N分別代表棋盤格的水平和垂直的格數(shù)，寄存器rgb1和rgb2分別負(fù)責(zé)寄存兩幅棋盤格中不同位置的顏色值。

　　2.4 刺激率控制模塊

　　一個(gè)翻轉(zhuǎn)周期（cycle）包括兩個(gè)顏色相反的圖像翻轉(zhuǎn)，而翻轉(zhuǎn)頻率指每秒鐘翻轉(zhuǎn)（reversal）的次數(shù)（rev/s）。兩者關(guān)系可以表示為1 Hz相當(dāng)于2 rev/s[2]。本刺激器中刺激率指每秒的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，是通過(guò)對(duì)VGA時(shí)序掃描模塊產(chǎn)生的場(chǎng)同步信號(hào)分頻得到。場(chǎng)同步信號(hào)即VGA工業(yè)技術(shù)上的刷新率。如圖6所示，翻轉(zhuǎn)信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生原理是通過(guò)捕捉VS的下降沿時(shí)刻，本模塊就按設(shè)定的分頻數(shù)生成一個(gè)方波信號(hào)，即翻轉(zhuǎn)信號(hào)。同時(shí)，在方波信號(hào)發(fā)生高低電平變換時(shí)刻，即圖像每次翻轉(zhuǎn)時(shí)同步產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，即觸發(fā)信號(hào)。這樣的實(shí)現(xiàn)方式保證了VS和翻轉(zhuǎn)信號(hào)的時(shí)鐘同源，從而確保刺激圖像的正確顯示。比如，60 Hz二分頻得30 Hz（60 rev/s）。由VESA公布的VGA時(shí)序[7]， 表2舉例部分刷新率分頻可得的刺激率。由表2可看出本刺激器已可實(shí)現(xiàn)高于30 rev/s的刺激率，并隨著得到更高刷新率的時(shí)序技術(shù)參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)更高的刺激率。

3 刺激器測(cè)試結(jié)果

　　本文選擇顯示標(biāo)準(zhǔn)為1 024×768@60 Hz進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)JTAG口把編譯成功的FPGA程序燒錄到板上Flash芯片中，采用19寸CRT顯示器（EIZO T761）作為刺激視屏。

　　測(cè)試結(jié)果如圖7所示，圖7（a）是上位機(jī)的控制界面，參數(shù)選擇包括視角、視野空間、刺激次數(shù)和刺激率。圖7（b）為高刺激率30 rev/s時(shí)示波器的檢測(cè)情況，示波器通道1顯示翻轉(zhuǎn)信號(hào)波形，通道2顯示觸發(fā)信號(hào)波形，通道1高低電平切換時(shí)刻與通道2高電平開(kāi)始時(shí)刻完全一致，這說(shuō)明了圖像刺激與觸發(fā)信號(hào)完全保持同步性。

4 穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)

　　為測(cè)試本視覺(jué)刺激器在高刺激率下的有效性，本文進(jìn)行了一個(gè)高刺激率的視覺(jué)誘發(fā)電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)方法和步驟均嚴(yán)格按照視覺(jué)誘發(fā)電位實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，利用本刺激器生成20、30和60 rev/s等3個(gè)高頻刺激信號(hào)，對(duì)1名受試者進(jìn)行以上3個(gè)高刺激率的視覺(jué)誘發(fā)電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]提到，SSVEP波形是一個(gè)類似正弦曲線的波形，且頻率固定。利用MATLAB處理通過(guò)SynAmps2系統(tǒng)采集所得數(shù)據(jù)并分別畫出SSVEP波形圖，如圖8所示。從圖可清晰看出，3個(gè)SSVEP波形都是類似正弦曲線的周期性波形，即受試者在3個(gè)高刺激率下，視覺(jué)系統(tǒng)都有效地誘發(fā)出視覺(jué)穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。

　　由刺激器測(cè)試結(jié)果和視覺(jué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的高頻視覺(jué)刺激控制器能滿足穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位的實(shí)驗(yàn)要求，不但順利完成高刺激率下刺激圖像的準(zhǔn)確呈現(xiàn)及觸發(fā)信號(hào)的同步發(fā)送，成功誘發(fā)出有效穩(wěn)態(tài)覺(jué)誘發(fā)電位，并且具有操作方便、刺激模式豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 黎宇飛，劉技輝，陳曉雷，等．不同刺激野的圖形翻轉(zhuǎn)視覺(jué)誘發(fā)電位[J].法醫(yī)學(xué)雜志，2009，25(1)：15-18.

　　[2] ALMUDENA C，PAULA P A，CAMPO P，et al.Steady-statevisual evoked potentials can be explained by temporal superposition of transient event-related responses[J].Plos One，2011，6(1)：e14543.

　　[3] BOBAK P，F(xiàn)RIEDMAN R.Visual evoked potentials to multi-ple temporal frequencies.Use in the differential diagnosis ofoptic neuropathy[J].Arch.of Ophthalmol，1988，106(7)：936-940.

　　[4] HERRMANN C S.Human EEG responses to 1-100 Hz flicker: resonance phenomena in visual cortex and their potential correlation to cognitive phenomena[J].Experimental Brain Research，2001，137(3-4)：346-353.

　　[5] 程光輝，石銳，何慶華.Windows環(huán)境下腦機(jī)接口視覺(jué)刺激器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006，42(13)：175-177，193.

　　[6] 王永成，黨源源，徐抒巖，等.基于cpld實(shí)現(xiàn)dsp的uart設(shè)計(jì)研究[J].電子器件，2008，31(3)：1066-1068，1072.

　　[7] Video Electronics Standards Association.VESA and industry standards and guidelines for computer display monitor timing[Z].2004.

　　[8] 姜世杰，余紅英，洪永學(xué)，等.基于FPGA的VGA接口驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J].電子測(cè)試，2012(12)：29-32，71.

　　[9] ODOM J V，BACH M，BRIGELL M，et al.ISCEV standard for clinical visual evoked potentials (2009update)[J].Docu-menta Ophthalmolgical，2010，120(1)：111-119.