2.2 神經(jīng)刺激信號(hào)電路
??? 由生物電信號(hào)的電學(xué)特性可知，對(duì)腦神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行電刺激需采用0～100μA電流。且在進(jìn)行電刺激的同時(shí)，要確保電荷平衡，否則隨著電荷的積累，將導(dǎo)致細(xì)胞擊穿，造成生命危險(xiǎn)。因此對(duì)刺激信號(hào)（如圖5）有如下的要求：
??? ①正負(fù)周期的面積相等，幅值不同。即在一個(gè)刺激周期內(nèi)保持電荷守恒，且強(qiáng)度可調(diào)；
??? ②T和T′的比例可調(diào)；
??? ③T可調(diào)。

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??? 神經(jīng)刺激電路將DSP產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A、V/I轉(zhuǎn)換為刺激脈沖電流信號(hào)，通過(guò)屏蔽電纜送到32測(cè)點(diǎn)電極陣列某一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采集或刺激。如需改變工作測(cè)點(diǎn)，首先關(guān)閉刺激電流，然后改變地址，否則電荷平衡將會(huì)被破壞。
??? 系統(tǒng)通過(guò)改變DSP輸出的數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生不同幅值的波形，以滿足對(duì)刺激信號(hào)強(qiáng)度的要求。該信號(hào)由DSP內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行精準(zhǔn)定時(shí)而產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成三態(tài)電壓信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為刺激脈沖電流信號(hào)。
??? 圖6為神經(jīng)刺激信號(hào)電路所產(chǎn)生的刺激電流：頻率為1kHz，幅值為+2V，-4V。該刺激信號(hào)T和T′的比例為1：3。滿足對(duì)神經(jīng)刺激信號(hào)的要求。

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2.3 USB傳輸
??? 實(shí)時(shí)神經(jīng)信號(hào)采集數(shù)據(jù)量龐大，為保證其數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，必須采用具有較高傳輸速率的接口方式。本項(xiàng)目中選用Cypress公司的USB接口芯片CY7C68013，它包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF）。
??? CY7C68013與外設(shè)有主/從兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFO。GPIF是主機(jī)方式，可以由軟件編寫讀寫控制時(shí)序，靈活方便，幾乎可以和所有8/16bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行無(wú)縫連接。Slave FIFO方式是從機(jī)方式，外部控制器可以象對(duì)待普通FIFO一樣對(duì)CY7C68013內(nèi)的多個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。Slave FIFO接口也可以靈活配置以適應(yīng)不同的需要。在本項(xiàng)目中采用的是可編程接口GPIF方式。通過(guò)TMS320VC5402 HPI接口與CY7C68013進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
??? TMS320VC5402增強(qiáng)的8bit主機(jī)接口將DSP設(shè)置為從模式來(lái)完成與主機(jī)之間的通信，使得主機(jī)和DSP均可以訪問(wèn)DSP片上存儲(chǔ)器。它包括8條雙向數(shù)據(jù)總線和多條控制線，可以在不附加任何邏輯器件的情況下連接主機(jī)設(shè)備。HPI接口為主-從結(jié)構(gòu)的多處理器系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、方便、廉價(jià)的信息交換平臺(tái)。
??? CY7C68013作為主機(jī)，是HPI的主控制者，它可以通過(guò)HPI接口直接訪問(wèn)CPU的內(nèi)存空間。當(dāng)CY7C68013收到來(lái)自DSP的數(shù)據(jù)后，通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)，完成整個(gè)數(shù)據(jù)處理和傳送過(guò)程。HPI接口的硬件連接如圖7所示。

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??? 在訪問(wèn)過(guò)程中，首先主機(jī)對(duì)HPIC寄存器進(jìn)行初始化，然后再初始化HPIA寄存器，這樣主機(jī)就可以從HPID寄存器寫入或讀取數(shù)據(jù)。對(duì)HPI接口的三個(gè)寄存器的訪問(wèn)是通過(guò)輸入引腳HCNTL[1:0]來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于要傳送16位的數(shù)據(jù)，而HPI接口的數(shù)據(jù)線只有8位，所以16位的數(shù)據(jù)要分兩次來(lái)傳送，因此利用HBIL引腳識(shí)別這兩個(gè)字節(jié)。
??? 主機(jī)的地址線與HCNTL[1:0]和HBIL引腳相連，可以通過(guò)對(duì)不同地址的訪問(wèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)寄存器的訪問(wèn)以及讀寫數(shù)據(jù)的高低字節(jié)的識(shí)別。HR/W#與CTL0相連，CTL0作為HPI接口的讀寫選通信號(hào)。HRDY#與輸入信號(hào)線RDY0連接，用于查詢HPI接口是否處于READY狀態(tài)。HINT作為外部中斷信號(hào)，與主機(jī)INT0相連^[6]。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 使用大白鼠活體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。將探針陣列植入白鼠大腦皮層中，對(duì)其大腦細(xì)胞進(jìn)行刺激和信號(hào)采集。采集到的數(shù)據(jù)存入PC機(jī)中，為進(jìn)一步的研究建立數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　手術(shù)步驟如下：
??? (1)選用健康SD大鼠兩只，體重（240±13）g。由天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院提供。
??? (2)用1%利多卡因腹腔麻醉。
??? (3)常規(guī)消毒手術(shù)器具。
??? (4)做大鼠腦頂部切口，植入電極采集信號(hào)。
??? 圖8為調(diào)用MATLAB對(duì)采集到的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換所得的神經(jīng)信號(hào)頻譜圖。

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??? 本次動(dòng)物試驗(yàn)是為了驗(yàn)證電路的功能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。主要開(kāi)展了在SD大鼠的腦部進(jìn)行電極的植入和神經(jīng)信號(hào)提取的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析顯示，提取到了完整的神經(jīng)信號(hào)，電極和電路運(yùn)行可靠，取得了很好的效果。
??? 本系統(tǒng)以DSP為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦細(xì)胞的刺激、腦電信號(hào)的采集和提取，包括對(duì)信號(hào)的放大、濾波、降噪處理。通過(guò)對(duì)CY7C68013的軟硬件設(shè)計(jì)滿足了系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，?shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)處理與顯示?？赏ㄟ^(guò)PC機(jī)上的控制界面進(jìn)行控制，該方法直觀易操作，圖形界面友好。整個(gè)系統(tǒng)可以集成到一個(gè)小盒子里，具有體積小、重量輕、易攜帶、成本低、易升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。具有一定的實(shí)用價(jià)值且對(duì)其他高速設(shè)備與主機(jī)通信有一定借鑒作用。
參考文獻(xiàn)
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