基于FPGA的脑机接口实时系统

　　脑机接口BCI(Brain Computer Interface)是一种新颖的人机接口方式。它的定义是：不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其他装置)通讯系统[1]。要实现脑机接口，必须有一种能反映人脑不同状态的信号，并且能够实时或短时对这种信号进行提取和分类[2]。瞬态视觉诱发电位与刺激之间具有严格的锁时同步关系，能比较准确地检测,而且它所需的视觉刺激频率比较低，不容易引起视觉疲劳。因此本研究采用瞬态视觉诱发电位来实现脑机接口。

　　脑机接口系统是由人和机器构成的闭环系统[3]。除人本身外, 脑机接口系统包括：信号采集、信号处理、外部设备及控制部分。本文的方案采用FPGA取代计算机，作为脑机接口的控制和信息处理器。主要包括脑电采集电路、基于FPGA的VGA视觉刺激器和FPGA开发板三部分，如图1所示。

　　电极帽和脑电采集电路组成了脑电信号采集部分。VGA视觉刺激器属于外部设备及控制部分。FPGA开发板是整个系统的核心，它不仅实现了信号处理，而且还实现了对脑电采集电路的控制和VGA控制器。FPGA开发板采用Cyclone II EP2C35 DSP开发板，FPGA芯片为Cyclone II EP2C35F672。

　　1 系统设计

　　1.1 脑电采集电路的设计

　　脑电信号比较微弱，而且淹没在很强的背景噪声和干扰中。必须设计合适的电路，在放大脑电信号的同时，通过滤波抑制噪声，提高信噪比，得到较好的模拟脑电信号，并通过AD转换为适合于FPGA处理的数字信号。

　　本文设计的脑电采集电路主要包括有源电极、右腿驱动电路、模拟电路、数字电路和电源。有源电极用来传导脑电信号，右腿驱动电路可以降低共模电压。模拟电路包括前置放大电路、高通滤波电路、放大滤波电路和电压抬升电路，实现模拟信号调理和信噪比的提高。数字电路包括AD转换电路和光耦隔离电路，主要功能是模拟信号到数字信号的转换。

　　1.2 基于FPGA的VGA视觉刺激器的设计

　　脑机接口视觉刺激器通常可以在计算机显示器或电视机上通过硬件和软件两种方式产生，也可以设计专门的图形显示电路[4]。采用硬件实现视觉刺激，最大优点是性能稳定，但修改和升级比较困难。

　　本文的方案是基于FPGA的VGA视觉刺激器，采用VGA显示器作为视觉刺激器，通过VHDL编程的方式产生图形刺激信号。FPGA是一种半定制电路，具有很强的在线修改能力，可以随时修改设计而不必改动硬件电路。因此，通过编程可以灵活地产生不同的刺激模式，修改和升级十分方便。按照VGA显示器逐行扫描的工作原理和VGA工业标准[5]，在FPGA中设计了VGA控制器，包括分频模块、扫描时序产生模块、图像描述模块、刺激频率控制模块和光标控制模块，其框图如图2所示。