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基于FPGA的神经康复治疗仪的刺激器设计


第 30 卷 第 2 期 2007 年 4 月

电 子 器 件
Chinese Journal Of Electron Devices

Vol. 30 No. 2 Apr. 2007

Design of the Stimulator for Neural Healing Instrument Based

on FPGA
L I A O K e , CH EN J i
( Coll eg e of Bi o eng ine eri ng , Chongqi ng Uni ve rsi ty , Chongqi ng 400044, chi na )

Abstract: A w ay based on F PGA is ado pt ed t o devise t he stimulat or f or neural healing instr um ent , w hich implement s the occurrence of st imulat ing w av e and t he dig it al adjust ing fo r st imulat ing f requency , pulse w idt h and amplitude. Fo r t he use of FP GA, circuit is simplified and expansibility is enhanced, mo reo ver micro pro cessor can be r eleased f rom com plicat ed w or k and can be absor bed in gat hering f or EM G and judg m ent f or art if icial int ellig ence. T herefor e t he abilit y of real t ime processing is also impr oved. T he out put w av e by sim ulat ion and circuit t est is accur at e and tr ied, w hich can achieves t he required aim s w ell. Key words: FP GA; VH DL ; st im ulat or; neural healing inst rument EEACC: 7510D

基于 FPGA 的神经康复治疗仪的刺激器设计
廖 科, 陈 骥
( 重庆大学生物工程学院, 重庆 400044)



刺激 要: 提出了一种基于 FP GA 开发设计用于神经康复治疗仪的刺激器的方法. 利用 F PG A 来 实现刺激波形的发生、 频

率、 脉宽和幅度的数字式可调. 该方法简化了电路, 提 高了系 统的可 扩展性; 并把 微处理 器从繁 复的工 作中解 放出来, 专注 于 肌电采集和人工智能判断, 提高了实时处理能 力. 经仿真和电路测试证明, 刺激波形输出准确可靠, 能很好满 足性能要求.

关键词: F PG A; V HDL ; 刺激器; 神经康复治疗仪 中图分类号: TN431. 2 文献标识码: A 文章编号: 1005 9490( 2007) 02 0491 04 大、 开发过程投资小、 周期短、 可反复编程修改、 保密 性能好、 开发工具智能化等特点
[ 3]

近年来, 新的康复治疗技术不断应用于临床, 对 瘫痪的 康复 效 果优 于 传统 的 PT ( physical T ech nique) 方法, 其中利用生物反馈和功能性电 刺激技 术
[ 1]

, 日益成为电子设

计自动化( EDA) 领域的热门技术. 利用 F PGA 来实 现复杂功能、 小体积和易于管理的数字电路已成为 一种高效可靠的解决方案. 本文在介绍刺激器整机结构的基础上, 重阐述了 采用 FPGA 和 VHDL 语言, 运用自顶而下的思想, 来 设计神经康复治疗仪的刺激器的核心 多参数刺激 波形发生器, 并与传统刺激器设计相比, 凸显其优点.

( Bio feedback and f unctio n electric st im ula

t ion, BF ES) 的神经康复治疗仪( 国内亦称神经网络 重建仪) 介入康复训练在国内已引起广泛的重视并 取得了很好的临床效果. 神经康复治疗仪的基本原 理是利用患者自己的肌电信号反馈回仪器, 动态设 定阈值, 控制电刺激输出, 通过重建大脑和瘫痪肌肉 的功能联系, 促进病人恢复健康的仪器, 是现代神经 及康复医学主动治疗模式的典范[ 2] . 随着 微 电 子 制 造 工 艺 的 发 展, FP GA ( Filed Pro gramm able Gat e Array ) 作 为 专 用 集 成 电 路 ( ASIC) 概念上的一个新型范畴和门类, 以其功能强

1

刺激器整体设计
刺激器的整机结构框图如图 1 所示. 它由刺激

参数端口控制部分、 GA 实现的多参数刺激波形 FP 发生器、 升压电路和刺激输出四大部分组成. 其工作

收稿日期: 2006 04 21 作者简介: 廖 科( 1981 ) , 女 , 硕士研究生, 主要从事生物电子技术的应用研究; 陈 骥( 1954 ) , 男 , 副教授, 研究生导师, 主要从事生物电子技术方面的应用研究 .

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第 30 卷

原理是, 升压电路提供刺激器所需的工作电压, 刺激 参数端口控制模块根据要求向 I/ O 端口输出所需 的选择信号, 控制多参数刺激波形发生器产生具有 多种刺激波形、 刺激频率、 刺激脉宽和刺激幅度可调 的信号, 经 D/ A 转换后的模拟信号在刺激输出部分 进行放大, 并产生电流恒定 的刺激信号对患者受 损肌肉进行刺激, 从而达到神经康复治疗的目的.
[ 4]

2

多参数刺激波形发生器的设计

由刺激器的整机结构框图可以看出, 多参数刺 激波形发生器的设计是整个刺激器设计的核心, 它 是实现刺激指标的关键所在. 利用 VH DL 语言 设计多参数刺激波形发生 器顶层设计图如图 2 所示, 它主要由波形发生模块、 脉冲调制模块、 DAC 模块, 刺激间歇控制及刺激定 时模块组成. 通过选择不同的 波形及其频率、 脉冲 ( 载波) 频率、 脉宽和幅度, 使能刺激定时模块和刺激 间歇模块, 就能使刺激器按设定参数要求实现刺激 功能. 本设计利用 F PGA 来实现刺激器主要硬件电 路部分, 简化了电路、 提高了电路系统的集成度、 数
[ 5]

图1

刺激器整机结构框图

据处理速度和可靠性; 同时实现了刺激频率、 刺激脉

图 2 多参数刺激波形发 生器顶层设计图

宽和刺激幅度的数字式可调等功能, 只需要微处理 器向 I/ O 端口输出所需的选择信号, 其它所有工作 就由 F PAG 的硬件电路来完成, 不需占用微处理器 的时间. 以下部分将对各个模块功能的实现做详细 的阐释. 2. 1 波形发生模块 波形发生模块用来产生频率可调的方波、 三角 波、 正弦波、 指数波以及三角波与正弦波的叠加, 正弦 波与指数波的叠加等六种不同波形, 为后续脉冲调制 模块提供调制信号. 由于它最终产生的是刺激脉冲信 号, 所以对精度和分辨率方面的要求略低于通常的波

形发生器, 其分辨率为 5 mV 即可满足神经康复治疗 仪刺激器的所有输出刺激波形档位的要求. 在本设计中, 采用 VH DL 语言编程, 通过对系 统时钟的分频来实现频率的选择, 波形发生的设计 采用在一个完整的波形周期按时间平均取 64 个数 据. 其中正弦波和指数波的设计采用查表法拟合波 形, 即在正弦波( 指数波) 一个周期按时间平均取 64 个相位, 计算相应相位的正弦( 指数) 值( 10 位 D/ A 转换器满量程, 最大值 1 023, 最小值 0) , 并以相应 相位作为地址, 把对应的正弦( 指数) 值数据存储在 表中( 即用 FP GA 设计的 ROM 中) , 然后通过相位

第2期



科, 陈

骥: 基于 F PGA 的神经康复治疗仪的刺激器设计

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累加 产 生 地 址 信 息, 读 取 当 前 时 刻 的 相 位 值 在 ROM 中对应的值, 从而产生所需波形; 方波的设计 采用对输入时钟进行计数, 从 0 计数到 31, 方波幅 值为 1 023, 从 32 计数到 63, 方波幅值为 0; 三角波 的设计采用在前半周期先执行加法, 幅值从 0 按 32 为单位递增到 1 023, 在后半周期执行减法计数, 幅 值从 1 023 按 32 为单位递减到 0 来实现. 由于采用 了数字化的设计方式, 该模块使信号产生方便、 功能 扩展灵活、 信号参数可调, 实现了硬件电路的软件化 设计. 其 硬 件 结 构 由 图 1 中 的 F REQU ENT SE L ECT 、 RIWAVE、 T SQU AREWAVE、 SINWAVE、 EXPDWAVE 和 WAVESEL ECT 模块实现. 其中, A[ 3. . 0] 为 频率 选 择 端口, SQ RD、 RID、 T SIND、 EXPD 为波形选择端口, 通过对相应端口位置" 1" 选 择不同波形. 2. 2 脉冲调制模块
[ 6]

一个方波周期内的比值, 从而调节载波信号的占空比. ( 2) 幅度改变的实现: 对输入 D/ A 转换器的数 据除以一个幅值改变系数, 从而改变输出波形的幅值. 由于 VH DL 语言要求除法操作的除数必须是底为 2 的 幂, 我们选取变量 bx1、 bx3、 分别为 1/ 2 幅值、 bx2、 bx4 1/ 4 幅值、 8 幅值、 16 幅值, 通过改变变量 bx1、 1/ 1/ bx2、 bx3、 的线形组合( 共 16 种, 即 1/ 16 幅值~ 16/ 16 幅 bx4 值) , 来达到改变幅值的目的. 与一般采用电位器改变 放大倍数来改变输出信号幅值相比, 本方法可方便微 处理器进行数字控制, 这对于神经康复治疗仪需要进 行动态阈值调整是很重要的. ( 3) 信号调制的实现: 传统的刺激器采用模拟 乘法器实现 两个 信号相 乘进 行调制, 本 设计 基于 F PGA 的脉冲调制模块采用了数字调制技术, 把载 波信号和调制信号波形相与实现信号调制, 相当于 用某一占空比的载波信号在某一定时间间隔上对调 制信号抽样, 得到时间上不连续, 幅值随调制信号幅 值变化的输出信号. 这一方法简化了电路, 提高了电 路的抗干扰能力和可靠性, 且可灵活实现不同波形 之间的信号调制. 2. 3 DAC 模块 DAC 模块实现并行数据到串行数据的转换, 提 供符合 T L C5615[ 7] 时序的串行数据. 本设计采用 10 位 D/ A 转换, 输出范围 0~ 5 V, D/ A 转换分辨率为 5 ( 210 - 1) = 4. 8 mV . 并行 D/ A 尺寸大, 管脚多, 不利于微型化设计, 因 而 本 设 计 采 用 T LC5615 串 行 D/ A 转 换 器. T L C5615 是具有串行接口的 10 位数模转换器, 最大 输出电压是基准电压值的两倍, 且输出电压具有和基 准电压相同极性, 与 CPU 采 用三线串 行接口( CS、 SCLK、 DIN) , 其时序图如图 4 所示. 在不使用级联方 式下, DIN 只需输入 12 位数据, 前 10 位为 T L C5615 输入的 D/ A 转换数据, 后两位写零. 由于要求输入 D/ A 的是串行数据, 设计中除了采用 VH DL 编程实

调制 就是用一个信号( 称为调制信号) 去控制 另一个作为载体的信号( 称为载波信号) , 让后者的 某一特征参数按前者变化. 脉冲调制是指用脉冲作 为载波信号的调制方法. 本设计的脉冲调制模块主要采用数字化的方式 对波形发生器的输出信号( 方波、 三角波、 正弦波、 指 数波以及三角波与正弦波的叠加, 正弦波与指数波 的叠加) 进行调制. 以三角波为例, 调制原理如图 3 所示. 其 硬 件 结 构 由 图 1 中 的 F REQU ENT SE L ECT 、 USECON T ROL 和 WAVEM ODU L E 模 PL

图3

调制原理图

块实现. 通过脉宽选择 C[ 3. . 0] 和频率选择 B[ 3. . 0] 改变载波信号的占空比, 再把载波信号和调制信 号波形相与实现信号调制, 调制信号送入 D/ A 转换 器进行数字变换以改变输出电压幅值, 从而实现由 占空比和幅度的改变而引起的刺激强度的改变. 其 具体实现如下: ( 1) 占空比改变的实现: 通过对时钟信号的分 频, 对应于不同的设定值, 可以得到多种频率的低频时 钟信号, 以此信号作为调制方波的时钟, 然后根据不同 的占空比设置值, 使用一个计数器来决定高低电平在

现串行 D/ A 要求的 CS、 DIN、 SCLK 信号及其它们之 间所需的时序关系, 还设计了移位寄存器将 10 位并 行数据转成串行数据, 再接入 D/ A 转换芯片输出. 其 硬件结构由图 1 中的 DAC 模块实现.

图 4 T LC5615 时序图

以正弦波为例, 通过软件仿真( 仿真结果如图 5

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第 30 卷

所示) , 可以看出, 在 SL CK 的下降沿 DIN 有稳定的 输出. 证明了该设计在满足 T L C5615 三线时序的关 系下, 能较好的实现并- 串数据的转换.

言, 在 MAX P L US !平台上完成系统的仿真、 综合 及映射. 在仿真结果正确的基础上, 进行程序下载, 系统调试, 直至最后实现. 图 6 为在示波器上观察到 的采用 F PGA 设计的刺激器输出的指数波调幅波 形, 占空比为 1: 4.

图5

并- 串数据转换仿真图

2. 4

刺激定时模块及刺激间歇控制模块 刺激定时控制模块实现对刺激器整体工作时间
图6 实际输出的指数波调幅波形

的控制, 是全局意义上的控制, 其硬件结构由图 1 中 的 T IM E_CONT ROL 模块实 现; 刺激 间歇控制 模 块是实现产生刺激脉冲或不产生刺激脉冲的控制, 是局部意义上刺激的控制, 其硬件结构由图 1 中的 IN T ERVAL _CONT ROL 模块实现. 此二模块设计 思想均是把 25M 的系统输入时钟精确分频到 1 s, 然后以 1 s 为单位进行计数, 输出定时及刺激间歇 控制信号. 定时模块输出的使能控制信号与时钟信 号相与, 通过控制时钟信号的有无来实现定时功能; 间歇模块输出占空比不等的方波信号与经过调制后 的脉冲信号相与, 通过控制脉冲输出的有无来实现 刺激间歇功能.

4

结束语
采用 F PGA 芯片来代替常规刺激器的主要硬

件电路的设计, 具有能产生多 种刺激波形, 刺激频 率、 刺激脉宽和刺激幅度的数字式可调的功能; 与传 统的刺激器相比, 不需要微处理器花费大量的时间 通过 I/ O 端口不断向 D/ A 转换器发送波形数据以 及进行刺激频率、 刺激脉宽的调整, 只需要微处理器 根据要求向 I/ O 端口输出所需的选择信号, 其它工 作就由 F PAG 的硬件电路来完成, 微处理器就可以 把时间主要用于肌电信号检测以及人工智能判断, 进行动态阈值调整, 能较好的融合于神经康复治疗 仪, 且电路简洁、 体积小、 可扩展性好、 提高了系统的 集成度和实时处理能力.

3

FPGA 的实现

本 设 计 选 用 Alt era 公 司 的 FP GA 产 品 ACEX1K EP 1K100QC208- 3[ 8] , 采用 VH DL 语 参考文献:
[ 1] 侯群, 黄晓明, 张歌心. 生物反馈功能性电刺 激早期介入脑卒 中 康复治疗的疗效 观察 [ J ] . 中 华物 理医学 与康 复杂 志, 2001 年 12 月, 23( 6) . [ 2] [ 3] 张琳瑛. 脑卒中康复治疗技术的研 究进展与应用[ J] . 中国临 床 康复, 2004 年 12 月, 8( 34) : 7768 7769. 王诚, 吴继华, 范丽珍, 薛宁. A l t era FPG A / CPLD 设计[ M ] . 人 民邮电出版社, 2005. 9. [ 4] 唐庆玉, 张唯真, 汪小光. 体感诱发电 位电流刺激器的 研制[ J ] .

中国医疗器械杂志, 1994 年, 18( 3) : 138 141. [ 5] [ 6] [ 7] 王振江. V H DL 数 字电路设 计与应用实 践教程[ M ] . 机械工 业 出版社, 2003. 黄载禄, 殷蔚华. 通信原理[ M ] . 科学出版社, 2005. T exas Inst rum ent s. T LC5615 10 Bit Digit al to A nalog Convert ers[ R ] . A ugu st 2003. [ 8] A l tera Corporat ion. A CEX 1K Program mab le Logi c Device Family Dat a Sh eet [ R ] . Sept ember 2001.


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