基于FPGA的實(shí)時(shí)腦機(jī)接口應(yīng)用研究.pdf

1、腦-機(jī)接口(Brain-computer Interface，BCI)是一種不依賴于腦的正常輸出通路的通訊系統(tǒng)。通過在人腦與計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備之間建立直接通路，腦機(jī)接口系統(tǒng)可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成控制外部設(shè)備的命令，進(jìn)而代替人類肢體或語言器官的功能，以新的途徑實(shí)現(xiàn)人與外界的交流及對(duì)周圍環(huán)境的控制。腦機(jī)接口在康復(fù)醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域都有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，已然逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，腦機(jī)接口技術(shù)目前仍在發(fā)展中，多數(shù)研究還處于實(shí)驗(yàn)

2、室階段。
　　 面對(duì)BCI技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，本文開展了基于FPGA的實(shí)時(shí)腦機(jī)接口應(yīng)用研究。所構(gòu)建的BCI系統(tǒng)以瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位為處理對(duì)象，相比于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位，瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位易于檢測(cè)，而且低刺激頻率不易引起視覺疲勞。以FPGA開發(fā)板為核心處理平臺(tái)，相比于單片機(jī)和DSP，F(xiàn)PGA在運(yùn)算速度和邏輯控制方面具有優(yōu)勢(shì)。
　　 根據(jù)腦機(jī)接口應(yīng)用的要求，采用FPGA設(shè)計(jì)了新的視覺刺激器。每個(gè)刺激模塊都是黑白棋盤格交替閃爍的模

3、式，不同點(diǎn)在于模塊上的標(biāo)志信息。在控制短消息發(fā)送的腦機(jī)接口應(yīng)用中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)刺激界面，受試者首先選擇短信接收方，然后選擇短信內(nèi)容，用漢字標(biāo)注選項(xiàng)含義。在控制臺(tái)燈、風(fēng)扇運(yùn)行的腦機(jī)接口應(yīng)用中，刺激界面上的四個(gè)選項(xiàng)分別代表臺(tái)燈的點(diǎn)亮與熄滅、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，在刺激模塊上，用圖形形象地標(biāo)注各模塊所代表的選項(xiàng)。
　　 BCI技術(shù)的研究重點(diǎn)是選擇合適的算法從強(qiáng)背景噪聲中提取視覺誘發(fā)電位，識(shí)別受試者的選擇。研究對(duì)比小波分解、主成分分析、K-近

4、鄰法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)處理算法測(cè)試，最終選擇用db5小波對(duì)累加平均后的腦電信號(hào)進(jìn)行5尺度分解，提取D5、D4兩層細(xì)節(jié)系數(shù)作為特征向量，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，并用遺傳算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。小波分解和BP網(wǎng)絡(luò)識(shí)別兩個(gè)處理步驟由NiosⅡ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
　　 本文將BCI系統(tǒng)用于控制TC35通訊模塊發(fā)送短消息。FPGA將視覺誘發(fā)電位識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)換成發(fā)送短消息的命令，通過串口向TC35模塊發(fā)送AT指令，TC35向FPGA反饋指令處理信息，以此實(shí)