腦機接口BCI(Brain Computer Interface)是一種新穎的人機接口方式。它的定義是：不依賴于腦的正常輸出通路(外周神經系統及肌肉組織)的腦-機(計算機或其他裝置)通訊系統[1]。要實現腦機接口，必須有一種能反映人腦不同狀態的信號，并且能夠實時或短時對這種信號進行提取和分類[2]。瞬態視覺誘發電位與刺激之間具有嚴格的鎖時同步關系，能比較準確地檢測,而且它所需的視覺刺激頻率比較低，不容易引起視覺疲勞。因此本研究采用瞬態視覺誘發電位來實現腦機接口。

　　腦機接口系統是由人和機器構成的閉環系統[3]。除人本身外, 腦機接口系統包括：信號采集、信號處理、外部設備及控制部分。本文的方案采用FPGA取代計算機，作為腦機接口的控制和信息處理器。主要包括腦電采集電路、基于FPGA的VGA視覺刺激器和FPGA開發板三部分，如圖1所示。

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　　電極帽和腦電采集電路組成了腦電信號采集部分。VGA視覺刺激器屬于外部設備及控制部分。FPGA開發板是整個系統的核心，它不僅實現了信號處理，而且還實現了對腦電采集電路的控制和VGA控制器。FPGA開發板采用Cyclone II EP2C35 DSP開發板，FPGA芯片為Cyclone II EP2C35F672。

　　1 系統設計

　　1.1 腦電采集電路的設計

　　腦電信號比較微弱，而且淹沒在很強的背景噪聲和干擾中。必須設計合適的電路，在放大腦電信號的同時，通過濾波抑制噪聲，提高信噪比，得到較好的模擬腦電信號，并通過AD轉換為適合于FPGA處理的數字信號。

　　本文設計的腦電采集電路主要包括有源電極、右腿驅動電路、模擬電路、數字電路和電源。有源電極用來傳導腦電信號，右腿驅動電路可以降低共模電壓。模擬電路包括前置放大電路、高通濾波電路、放大濾波電路和電壓抬升電路，實現模擬信號調理和信噪比的提高。數字電路包括AD轉換電路和光耦隔離電路，主要功能是模擬信號到數字信號的轉換。

　　1.2 基于FPGA的VGA視覺刺激器的設計

　　腦機接口視覺刺激器通?？梢栽谟嬎銠C顯示器或電視機上通過硬件和軟件兩種方式產生，也可以設計專門的圖形顯示電路[4]。采用硬件實現視覺刺激，最大優點是性能穩定，但修改和升級比較困難。

　　本文的方案是基于FPGA的VGA視覺刺激器，采用VGA顯示器作為視覺刺激器，通過VHDL編程的方式產生圖形刺激信號。FPGA是一種半定制電路，具有很強的在線修改能力，可以隨時修改設計而不必改動硬件電路。因此，通過編程可以靈活地產生不同的刺激模式，修改和升級十分方便。按照VGA顯示器逐行掃描的工作原理和VGA工業標準[5]，在FPGA中設計了VGA控制器，包括分頻模塊、掃描時序產生模塊、圖像描述模塊、刺激頻率控制模塊和光標控制模塊，其框圖如圖2所示。

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　　分頻模塊產生像素輸出頻率和刺激所需的頻率。CycloneⅡEP2C35芯片具備4個增強型嵌入式鎖相環(PLL)，每個鎖相環可以提供3個輸出時鐘，頻率非常穩定，還可以分頻和倍頻。用鎖相環IP核調用嵌入式鎖相環，直接分頻產生像素輸出頻率，保證了系統時鐘的精確和穩定。計數器分頻得到刺激所需的頻率，可產生不同的刺激頻率。

　　掃描時序產生模塊提供VGA行掃描和場掃描的時序。對像素輸出頻率計數分頻，產生行掃描頻率，其頻率為31.469 kHz。然后，對行掃描頻率計數分頻，得到場掃描頻率,其場頻為59.94 Hz。

　　圖像描述模塊描述需要產生的刺激圖形,包括位于屏幕上下左右4個方向的4個方塊和0、1、2、3數字。4個方塊是實現多項目標選擇的刺激目標，光標用來反饋選擇的結果。通過行坐標和場坐標來描述方塊和數字的位置及大小。在方塊上標注數字，以區別不同的方塊。圖形的改變或運動可引起有效的誘發電位，因此，方塊的顏色是黑色和白色交替變化的。為了使方塊更顯著，底色采用深石板灰色。

　　刺激頻率控制模塊設計了刺激的模式。采用同頻次復合刺激方式，即在單位時間內各個視覺刺激模塊閃爍的次數相同，但各個刺激模塊閃爍的時刻相互錯開。通過計數器分頻產生模塊閃爍的時鐘。閃爍時刻的錯開用相位延時實現,用系統時鐘產生一個計數器，根據計數器的計數控制延時，達到精確定時的要求。當閃爍的時鐘信號為低電平時，方塊為黑色;為高電平時，方塊為白色。在刺激模塊黑變白的同時，發出觸發信號。

　　光標控制模塊描述光標的圖形，控制光標的移動。通過改變光標的坐標和分頻來控制光標移動的方向和速度。光標的顏色為紅色。

　　基于FPGA的VGA視覺刺激器充分利用了FPGA半定制電路的特點，采用同步時序設計方式，不但性能穩定，而且能根據需要靈活地設計不同的視覺刺激器。它實現方便，功能強大，兼具用硬件或軟件方式實現視覺刺激器的優點。