一、引言

腦電信號EEG（Electroencephalogram）是一種微弱的低頻生理信號。它由腦部神經(jīng)活動產(chǎn)生的自發(fā)性電位活動，含有非常豐富的大腦活動信息，是進(jìn)行臨床腦疾病診斷的一種重要方法，因此獲取腦電信號具有重要的現(xiàn)實意義。目前的大多數(shù)腦電信號采集系統(tǒng)均采用單片機(jī)作為控制器，由于腦電信號是毫伏級或微伏級的信號，精度較低。本文根據(jù)腦電信號的特點，將電極采集到的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理后，采用FPGA芯片EP2C8Q208C8來控制AD574A的轉(zhuǎn)換，給出了硬件連接電路和軟件實現(xiàn)，并且在QuartusII9.0中進(jìn)行仿真驗證，從而提高系統(tǒng)的可靠性和通用性，具有實際應(yīng)用參考價值。

二、腦電信號采集系統(tǒng)概述

腦電信號監(jiān)測在臨床疾病診斷中具有一定的應(yīng)用價值。系統(tǒng)首先采用電極獲取大腦皮層的電信號，再通過信號調(diào)理電路進(jìn)行處理，然后以FPGA為核心控制AD574A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲，最后對采集的信號作進(jìn)一步的算法分析，并實現(xiàn)與上位機(jī)的通信從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路包括信號放大和濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA控制電路，F(xiàn)PGA與PC機(jī)通信電路構(gòu)成。本文主要介紹采用FPGA來控制AD574A的采樣過程。

1、AD574A簡介

AD574A是一種高速12位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它由美國AD公司推出，內(nèi)置混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元器件較少、低功耗、高精度等優(yōu)點，還具有自動校零和極性轉(zhuǎn)換功能。其主要特性表現(xiàn)為：分辨率12位；非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS；轉(zhuǎn)換時間25μs；模擬輸入電壓有0~10V、1~20V、0~±10V和0~±5V四種；電源電壓為±15V和15V；數(shù)據(jù)輸出12位或8位；可工作在全速工作和單一工作兩種模式下。

AD574A的邏輯控制真值表和工作時序圖分別如表1和圖2所示。由圖表可知AD574A的工作過程包括：啟動轉(zhuǎn)換和讀出數(shù)據(jù)。

進(jìn)行啟動轉(zhuǎn)換時，先令CS/=0、CE=1，根據(jù)所需轉(zhuǎn)換的位數(shù)A0取1或0，然后使R/C＝0，轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換完成時，STS由高電平變?yōu)榈碗娖?。通過讀入STS的狀態(tài)，判斷轉(zhuǎn)換是否完成。進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時，先根據(jù)輸出數(shù)據(jù)的方式，來確定是接高電平還是低電平；接著令CE=1、CS/＝1、R/C=1，確定A0的取值。如果分兩次輸出12位數(shù)據(jù)，A0為0時輸出高8位，A0為1時輸出低4位；如果是12位并行輸出，A取值任意。

2、AD574A與FPGA的接口電路

系統(tǒng)采用FPGA來控制AD574A的工作時序，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)顯示出來。選擇的FPGA芯片為Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8，其與AD574A的硬件連接圖如圖3所示。首先FPGA輸出使CS/、CE有效，處于轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，然后使R/C啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束，F(xiàn)PGA在STS由高電平變?yōu)榈碗娖街安荒茏x取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)STS變成低電平之后，F(xiàn)PGA便可將輸出信號拉高，這樣轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就會呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上，F(xiàn)PAG讀入該數(shù)據(jù)后，在數(shù)碼管上顯示出來。

四、軟件實現(xiàn)

根據(jù)AD574A的工作原理，在QuartusII9.0中采用VHDL進(jìn)行程序設(shè)計。針對系統(tǒng)的高速和可靠性要求，軟件設(shè)計采用有限狀態(tài)機(jī)FSM控制，其原理圖如圖4所示。包括主控時序進(jìn)程（REG），主控組合進(jìn)程（COM）和輔助進(jìn)程（LATCH）。

其中主控組合進(jìn)程的VHDL如下：

COM1: PROCESS(c_st,STS)
?BEGIN CASE c_st IS
?WHEN s0=> n_st <= s1;
?WHEN s1=> n_st <= s2;
?WHEN s2=> IF (STS='1') THEN n_st<= s2;
?ELSE n_st <= s3;
?END IF;
?WHEN s3=> n_st <= s4;
?WHEN s4=> n_st <=s0;
?WHEN OTHERS => n_st <= s0;
?END CASE ;
?END PROCESS COM1 ;
COM2: PROCESS(c_st)
?BEGIN
?CASE c_st IS
?WHEN s0=>CS<='1';A0<='1';RC<='1';LOCK<='0'; --初始化
?WHEN s1=>CS<='0';A0<='0';RC<='0';LOCK<='0'; --啟動轉(zhuǎn)換
?WHEN s2=>CS<='0';A0<='0';RC<='0';LOCK<='0'; --等待轉(zhuǎn)換
?WHEN s3=>CS<='0';A0<='0';RC<='1';LOCK<='0';--12 位并行輸出有效
?WHEN s4=>CS<='0';A0<='0';RC<='1';LOCK<='1'; --鎖存數(shù)據(jù)
?WHEN OTHERS =>CS<='1';A0<='1';RC<='1';LOCK<='0'; -- 返回初始態(tài)
?END CASE ;
?END PROCESS COM2 ;主控時序進(jìn)程的 VHDL 如下：
?REG: PROCESS (CLK)
?BEGIN
?IF (CLK'EVENT AND CLK='1') THEN c_st <= n_st;
?END IF;
?END PROCESS REG ;

采樣后的數(shù)據(jù)可在FPGA中進(jìn)一步處理，并進(jìn)行實時控制，也可送至計算機(jī)進(jìn)行處理。

在QuartusII9.0中選擇Tools菜單中的RTLViewer項，可以打開系統(tǒng)的RTL電路圖，如圖5所示。通過雙擊有關(guān)模塊，可以逐層了解各模塊的電路結(jié)構(gòu)。

五、仿真結(jié)果

系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖6所示，首先初始化CS《=‘1’，A0《=‘1’，RC《=‘1’，LOCK《=‘0’；接著啟動轉(zhuǎn)換CS《=‘0’，A0《=‘0’，RC《=‘0’；然后保持該狀態(tài)直到RC《=‘1’時，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)輸出，在STS由高電平變?yōu)榈碗娖街笞x取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。圖中，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)235送到輸出端Q［11:0］。

六、結(jié)語

腦電信號采集可以為醫(yī)生提供可靠的診斷信息，有助于病人的準(zhǔn)確治療。而在腦電信號的獲取中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是采集的高效性?；贔PGA在高速數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)點，通過對AD574A的研究，設(shè)計了硬件連接電路，并進(jìn)行仿真驗證。實踐證明系統(tǒng)具有較高的可靠性和通用性，具有一定的實際應(yīng)用價值。