0 引言

　　人的視網膜感受光信號刺激后，將會誘發一系列源于視覺傳導通路及枕葉視皮層的電生理活動，即視覺誘發電位(Visual Evoked Potential，VEP)[1]。在低刺激率(＜3rev/s)下，會誘發暫態視覺誘發電位(transient VEP，tVEP)。而當刺激率提高(＞7rev/s)，視覺誘發電位會出現穩態反應(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生[3]。Herrmann認為，SSVEP反映了受刺激信號驅動的神經節律現象[4]。另外，SSVEP在神經視功能的評估方面有廣闊的應用前景，是當前視覺誘發電位領域的研究熱點。

　　在研究SSVEP的實驗中，需要給予受試者一個高頻率的視覺刺激信號，并保證刺激圖像和觸發信號的同步性與準確性。視覺刺激器產生用于VEP檢查的視覺刺激信號，傳統的刺激器主要有兩種：(1)基于單片機的視覺刺激器，其原理是利用單片機輸出刺激圖像。其性能穩定，但單片機內部資源有限，變更刺激模式困難；(2)基于PC的視覺刺激器，是通過PC上的軟件編程實現圖像刺激。其優點是方便修改代碼，能靈活地產生不同刺激模式。但因刺激器需運行在多任務操作系統下，其時間精度有賴于CPU性能及對硬件的調度。刺激器在產生高頻圖像刺激時，圖像刺激和觸發信號會出現延時[5]，導致同步性變差。在本實驗中采用MATLAB產生高于30 rev/s的圖像刺激，出現圖像失真和觸發信號延遲。可見，單片機方式的不靈活和軟件方式的同步性差不能滿足目前SSVEP研究對刺激器的要求。

　　本文設計一種基于FPGA的高頻視覺刺激控制器，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，向采集設備發送觸發信號。測試結果表明，本文設計的高頻視覺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的完全同步。

1 系統整體設計

　　本文設計的高頻視覺刺激控制器采用Altera公司的EP4CE30型FPGA芯片作為主控器件。整個視覺刺激器包括硬件和軟件兩個部分：(1)系統硬件部分，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)系統軟件部分，主要是由硬件描述語言設計的FPGA程序組成，包括串口通信模塊、VGA時序掃描模塊、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，視覺刺激器上電后，讀取預置的配置文件完成硬件系統初始化。上位機通過LabVIEW編寫的用戶界面向串口發送刺激模式的選擇信號至FPGA芯片。在串口模塊解析完上位機的控制指令后， VGA控制模塊按所選的刺激模式開始行掃描和場掃描，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生相應的刺激率信號及觸發信號，再將觸發信號發送到FPGA板上I/O口，經并行接口送至誘發電位采集設備，并把RGB、行同步及場同步信號發送給VGA接口，通過接口上連接的顯示器向受試者給予視覺誘發刺激。目前對于通過本刺激器所誘發的數據采集利用美國NeuroScan公司的SynAmps2系統，此系統需要接收一個來自刺激器的觸發信號（脈沖信號），用于標記視覺刺激的開始位置。

2 系統核心控制模塊

　　FPGA控制程序是本系統的核心部分，本文根據模塊化設計方法把系統劃分為串口通信模塊、VGA時序掃描模塊、刺激圖像描述模塊及刺激率控制模塊四大模塊。然后把實例化的子模塊連接起來，組成一個完整的系統。

　　2.1 串口通信模塊

　　上位機和刺激器間的通信通過串口通信模塊實現。串口通信模塊包括波特率發生器、發送器和接收器3個子模塊。波特率發生器模塊根據串口協議，負責對系統時鐘（50 MHz）進行5 208個計數定時，分頻得到讀寫波特率9 600 b/s（1×5 208/50 MHz≈1/9 600 s）。

　　發送器和接收器屬于串口通信模塊，主要負責接收上位機的控制命令并根據協議反饋握手信號。本串口模塊的幀數據每隔1個讀寫時鐘讀寫1位，遵循讀寫次序為1位起始位、8位數據位、1位校驗位與1位停止位[6]。模塊采用狀態機的方式來實現。以接收器為例，分別以rxReady、rxStart、rxRead、rxEnd標識 4個狀態。圖2為接收器狀態轉換圖， 狀態rxReady判斷信號rxEn為低電平就決定狀態機的開始，并進入rxStart狀態，判斷信號isReady為低電平就標記幀數據的起始位并進入狀態rxRead，利用計數器count循環讀取8位有效數據，最后狀態rxEnd負責延時兩個讀寫時鐘信號而忽略校驗位和停止位，并輸出isDone接收完畢信號。數據接收完后，狀態機重新進入rxReady狀態等待下一個幀數據的接收。

　　2.2 VGA時序掃描模塊

　　本模塊中主要是通過對系統時鐘進行PLL鎖相倍頻得到VGA的掃描時鐘[7]，再通過行同步和場同步信號控制CRT顯示器的陰極射線槍發射電子束，按設定的時序打在涂有熒光粉的熒光屏上，產生紅綠黃三基色，合成1個彩色像素。掃描從屏幕左上角頂點開始，從左往右，從上到下逐點掃描。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，此時就要用行同步信號對電子束消隱，避免電子束損壞屏幕圖像；掃描完所有行，再由場同步信號進行消隱，讓電子束重新回到屏幕左上角頂點，同時需要行消隱，準備下一場的掃描。VGA顯示器有800×600@60 Hz、1 024×768@85 Hz等多種顯示標準，以1 024×768@85 Hz說明VGA時序掃描的原理，此VGA標準下時序技術參數如表1所示[7]。

　　行同步信號HS和場同步信號VS的時序圖如圖3所示。HS先拉低96個脈沖周期(以o表示)后再被拉高，即行消隱時間；經過208個脈沖(以q表示)后，DATA數據有效，即顯示器開始掃描1 024個列像素點(以c表示)，掃描完成到下一次HS再次被拉低，中間經過48個時鐘脈沖(以d表示)[8]。掃描一行的數據幀長為1 376。同樣，VS類似HS的掃描方式。VS先拉低3個行周期(以a表示)后再被拉高，延遲36個行周期(以b表示)后行再被拉低，這樣開始掃描這一幀的數據，經過1個行周期(以p表示)，完成全幀掃描后VS再次被拉低重復上述過程。

　　2.3 刺激圖像描述模塊

　　本模塊把顯示屏看作一個直角坐標系，原點在屏幕左上角，通過列計數器Hcnt和行計數器Vcnt，定義掃描有效顯示區域的行和列坐標變量Haddr和Vaddr，通過直接對不同坐標地址賦予不同的顏色值，產生視覺誘發電位實驗所需刺激圖像，如水平光柵、垂直光柵和棋盤格等。

　　以棋盤格刺激圖像為例，刺激器是通過生成同位置黑白相反的兩幅棋盤格圖像，按照翻轉信號的高低電平變化將兩幅棋盤格RGB信號輪流發送給VGA端口。如圖4所示，翻轉信號在高電平時顯示圖像1，反之，在低電平時顯示圖像2，因此實現兩幅棋盤格翻轉的效果。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，寄存器rgb1和rgb2分別負責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

　　一個翻轉周期（cycle）包括兩個顏色相反的圖像翻轉，而翻轉頻率指每秒鐘翻轉（reversal）的次數（rev/s）。兩者關系可以表示為1 Hz相當于2 rev/s[2]。本刺激器中刺激率指每秒的翻轉次數，是通過對VGA時序掃描模塊產生的場同步信號分頻得到。場同步信號即VGA工業技術上的刷新率。如圖6所示，翻轉信號和觸發信號產生原理是通過捕捉VS的下降沿時刻，本模塊就按設定的分頻數生成一個方波信號，即翻轉信號。同時，在方波信號發生高低電平變換時刻，即圖像每次翻轉時同步產生一個脈沖信號，即觸發信號。這樣的實現方式保證了VS和翻轉信號的時鐘同源，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現高于30 rev/s的刺激率，并隨著得到更高刷新率的時序技術參數，就能實現更高的刺激率。

3 刺激器測試結果

　　本文選擇顯示標準為1 024×768@60 Hz進行測試，通過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。

　　測試結果如圖7所示，圖7（a）是上位機的控制界面，參數選擇包括視角、視野空間、刺激次數和刺激率。圖7（b）為高刺激率30 rev/s時示波器的檢測情況，示波器通道1顯示翻轉信號波形，通道2顯示觸發信號波形，通道1高低電平切換時刻與通道2高電平開始時刻完全一致，這說明了圖像刺激與觸發信號完全保持同步性。

4 穩態視覺誘發電位測試實驗

　　為測試本視覺刺激器在高刺激率下的有效性，本文進行了一個高刺激率的視覺誘發電位測試實驗。

　　實驗方法和步驟均嚴格按照視覺誘發電位實驗標準要求[9]，利用本刺激器生成20、30和60 rev/s等3個高頻刺激信號，對1名受試者進行以上3個高刺激率的視覺誘發電位測試實驗。文獻[2]提到，SSVEP波形是一個類似正弦曲線的波形，且頻率固定。利用MATLAB處理通過SynAmps2系統采集所得數據并分別畫出SSVEP波形圖，如圖8所示。從圖可清晰看出，3個SSVEP波形都是類似正弦曲線的周期性波形，即受試者在3個高刺激率下，視覺系統都有效地誘發出視覺穩態反應。

　　由刺激器測試結果和視覺測試實驗證明，本文設計的基于FPGA的高頻視覺刺激控制器能滿足穩態視覺誘發電位的實驗要求，不但順利完成高刺激率下刺激圖像的準確呈現及觸發信號的同步發送，成功誘發出有效穩態覺誘發電位，并且具有操作方便、刺激模式豐富、可擴展性強的優勢。

　　參考文獻

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