4通道脉冲刺激器.doc

课程名称: FPGA 原理及应用作业名称: 基于 FPGA 的多通道脉冲刺激器任课教师: 冯晓明学院:信息与通信工程姓名:蔡刚学号: 2013124019 日期: 2014 年 6月 10日 1、本作业时基于 Altera 公司 Cyclone 系列 EP1C6 型 FPGA 芯片的多通道视皮层刺激器。该刺激器由 FPGA 和外围电压/ 电流转换电路两部分组成。 FPG A 内部包括刺激脉冲发生器和多个多路选择器: 刺激脉冲发生器产生各种形式的脉冲序列信号; 多路选择器作为控制端实现对信号的选择, 每一通道对应一个多路选择器,增加多路选择器即可实现通道的增加。 FPGA 输出的电压信号通过外围电压/ 电流转换电路, 转换为电流信号后传入电极阵列。采用 Altera 公司 Cyclone 系列 EP1C6 型 FPGA 制作了四通道实验样机进行手部恢复训练。采用瘫痪的手作为实验对象,在瘫痪的手掌五指都包裹可控制运动的支撑杆,而支持杆通过直流电机来控制,然后通过 FPGA 来控制直流电机,直流电机来控制支撑杆运动,使手部得到恢复训练。 2、功能性电刺激( functional electrical stimulation,FES) 广泛应用于心脏起搏和除颤, 缓解疼痛、呼吸维持、尿失禁控制、人工视觉、人工听觉和癫痫治疗等。电刺激视皮层是功能性电刺激在视觉修复方面的重要应用。电刺激醒觉人大脑皮质的最早观察见于 20 世纪 20 年代德国神经外科学家的报告, 点状刺激一侧视皮质则在对侧视野产生静止的点状光觉。早期的刺激器可产生光感,不能形成图像。最新的视皮层刺激器系统由微型数码摄像机获取图像, 经微处理器编码处理,产生特定模式的电刺激信号经电极阵列刺激视皮层。虽然直接刺激皮层可能存在感染及诱发病灶性癫痛的危险, 并且面临许多技术挑战, 但该方法仍然具有可行性。美国犹他大学的 Normann l等人, 澳大利亚新南威尔士大学的 Chelvanayaga m等人在视皮层视觉修复方面作进行了大量的研究。多通道刺激器是视皮层视觉修复系统的核心部分, 其功能是产生刺激视皮层的电流脉冲信号。为了研究人体对各种刺激的反应,刺激器可以输出各种形状与强度的刺激信号,例如,矩形脉冲波、双脉冲波、系列脉冲波及各类调制脉冲波等。电刺激脉冲也因参数不同而异, 电刺激脉冲的基本参数包括刺激脉冲的宽度、幅度、重复频率或周期及刺激的持续时间等。刺激器输出的要求, 或是需要供给一定的功率, 或是需要具有稳压或恒流输出。早期的晶体管刺激器功能不全, 控制不够精确, 稳定性较差。普通数字式刺激器虽然克服了上述缺点, 仍存在输出幅度较低, 电路复杂, 控制不便等缺点。 FPGA ( filed programmable gate array,FPGA) 是专用集成电路(ASIC) 概念上的一个新型范畴和门类,与数字器件相比,它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势,用户可通过现场编程和配置来改变其内部连接和元件参数从而获得所需要的电路功能; 而与普通的模拟电路相比,它又具有全集成化、实用性强,便于开发和维护升级等显著优势。因此, 利用 FPGA 来实现高速度、低功耗、小体积和易于控制的电刺激器是一种高效可靠的解决方案。 3、系统结构多通道刺激器由 FPGA 和外围转换电路 2 部分组成, 如图 1