[发明专利]一种基于FPGA的植入式神经信号采集装置

说明书

本发明公开了属于生物信号处理、模拟电子技术领域的一种基于FPGA的植入式神经信号采集装置，该装置主要由植入式微电极、信号采集板、加速度姿态传感器模块、数字电位器、数模转换模块、模数转换模块、拨码开关、FPGA控制模块、以太网接口芯片、RJ45接口、SFP+光模块、USB控制芯片、SDRAM存储器、FLASH存储器和上位机所组成。本发明采用FPGA多重启动重配置技术可以定义采集装置中FPGA控制模块完成的功能任务序列，避免多次烧写FPGA；采用FPGA控制数字电位器和模数转换器技术可以改变模数转换器的采样频率、模拟滤波器的带宽、截止频率；采用软件补偿技术补偿不同通道数字脑神经信号在LVDS传输线缆和SDRAM存储器传输的相位延迟，确保128路的脑神经信号之间的同步性。

技术领域

本发明涉及FPGA技术、生物信号处理技术、模拟电子技术领域，特别涉及一种基于FPGA的植入式神经信号采集装置。

背景技术

准确、可靠、稳定的生物神经信号的采集是开展生物体行为研究的重要前提，对这些生物神经信号研究可以用于诊断生物体组织器官的病变，具有重要的临床应用价值。

神经信号采集装置一般由采集电极、模拟前端放大器、模数转换器、微控制器和数据发送装置所组成。目前较为成熟的神经信号采集装置一般把植入式微电极、模拟前端放大器、模数转换器、微控制器和数据发送装置都集成到一块电路板，这种方案具有结构简单，维护方便等优点，但是这种信号采集方案功能一般比较固定，只适合特定场合下神经信号采集。如果采集的对象不同，这种方案便不再适用，需要重新做硬件，造成研发成本高，原有硬件资源浪费。因此，研究“积木化”、可拆卸、可组装的神经信号采集装置具有重要的实际应用价值。

现场可编程门阵列(FPGA)是可重新编程的硅芯片，FPGA可以像“积木”一样实现所有的数字逻辑电路功能，通过对FPGA重新编程可以动态改变FPGA实现的电路功能，因此，利用FPGA技术可以实现“积木化”、可拆卸、可组装的神经信号采集装置，增强了神经信号采集装置各模块的应用范围，降低了硬件成本，缩短了研发周期。

发明内容

本发明的目的是实现“积木化”、可拆卸、可组装的神经信号采集装置各模块，提高神经信号采集装置的适应性，降低硬件成本和缩短研发周期的问题，提出了一种基于FPGA的植入式神经信号采集装置，该装置采用模块化的设计思想将植入式微电极、信号采集板、FPGA控制模块和上位机分开设计，各模块之间采用标准的接口，方便扩展。

本发明的装置包括植入式微电极、信号采集板、加速度姿态传感器模块、数字电位器、数模转换模块、模数转换模块、拨码开关、FPGA控制模块、以太网接口芯片、RJ45接口、SFP+光模块、USB控制芯片、SDRAM存储器、FLASH存储器和上位机。

所述植入式微电极植入试验对象的大脑，可同步采集128路的脑神经信号，通过模拟信号接插件和信号采集板相连接；所述信号采集板通过LVDS总线和FPGA控制模块相连接；所述FPGA控制模块完成数字电位器、数模转换模块、模数转换模块、SDRAM存储器、FLASH存储器的控制；所述拨码开关和FPGA控制模块、上位机相连接，通过不同的拨码开关状态定义FPGA控制模块和上位机之间的不同通信方式，FPGA控制模块和上位机之间的通信方式有以太网、光纤和USB三种；所述上位机进行通过拨码开关定义的通信方式向FPGA控制模块传递控制参数信息；所述FPGA控制模块通过拨码开关定义的通信方式向上位机发送采集的数字脑神经信号。

所述信号采集板包括模拟信号接插件、模拟放大滤波器、放大器带宽选择器、多路选择开关、模数转换器和单端转差分芯片；所述模拟放大滤波器的放大倍数、滤波器截止频率、带宽由数字电位器和放大器带宽选择器进行设置；所述放大器带宽选择器、多路选择开关均通过单端转差分芯片与FPGA控制模块相连接，FPGA控制模块通过单端转差分芯片实现放大器带宽选择器、多路开关的控制；所述多路选择开关还通过模数转换器与单端转差分芯片相连接。