基于FPGA和USB3.0的经颅超声刺激系统设计与实现

发布时间：2020-05-10 10:56

【摘要】：神经系统疾病严重威胁着人类的健康,在现代医学中,依然缺乏有效的诊疗手段。经颅磁刺激、经颅电刺激等神经刺激与调控技术,都存在刺激深度不够,空间分辨率低的缺点。经颅超声分辨率高,可以无创性刺激特定的脑功能区,被研究者广泛关注。但是目前经颅超声刺激系统存在可调参数少,传输速度慢等缺点,为了克服这些缺陷,本文基于FPGA和USB3.0对多参数可调以及高速传输的经颅超声刺激系统进行开发设计。首先,针对经颅超声刺激系统可调参数单一和传输速度慢的问题,构建了经颅超声刺激系统的硬件电路整体框架。设计了激励脉冲可调的发射模块电路、多采样率和可编程增益的接收模块电路、高带宽的通信控制模块电路。在此基础上,分析了各个模块电路的设计原理和主要实现功能,并据此确定经颅超声刺激系统的硬件电路和软件接口。其次,为实现经颅超声刺激系统的硬件电路控制和参数调节,编写了经颅超声刺激系统的软件程序,分析了各个模块的控制参数。在系统硬件电路的基础上,重点开发了包含数字滤波、DDR2缓存驱动、USB3.0高速传输和通信协议的FPGA软件,根据USB3.0和FPGA的通信接口,开发了USB内部FIFO读写和串口通信的固件,进而开发了波形显示和参数调节的交互软件。最后,研制了经颅超声刺激系统,以自主设计的硬件电路原理图为依据,设计并生产印制电路板(PCB),通过交互软件调整系统激励脉冲和增益采样参数,利用示波器对系统发出的超声激励进行性能测试,利用交互软件对增益接收进行性能测试。并搭建实验平台,对小鼠进行超声脑刺激实验,用脑电信号放大系统和采集系统记录小鼠脑电信号,完成实验过程和实验分析。
【图文】：

原理图,反激式,原理图,原边绕组

燕山大学工学硕士学位论文MOS 管 Q3 的关闭和导通，反激式变压器的原边绕组线圈产生交流电流信号，当绕组导通期间，次级绕组输出电压方向为上负下正，，整流二极管 D2 处于截止状对输出电容 C17 进行放电，当原边绕组截止时，次级输出电压为上正下负，整极管 D2 导通，对输出电容 C17 进行充电。由于 MOS 管关闭和导通时间较短，产生稳定的直流高压。通过调节 FB 点电压，改变 MOS 管 Q3 的关闭和导通时可以调节直流高压的幅值。反激式变压器电路原理图如图 2-3 所示。

原理图,推挽输出,放大电路,原理图

图 2-4 推挽输出放大电路原理图2.3 接收模块硬件设计接收模块由可编程增益放大电路、有源滤波电路和多采样率模数转换电路三部分组成。使用接收型的超声换能器，将接收到的超声波机械能转换为电信号，然后依次通过增益放大电路，有源滤波和模数转换电路进入 FPGA。FPGA 可以调控可编程增益放大电路的放大倍数、模数转换的采样频率和偏置电压。放大倍数可调范围为 0-80dB，采样频率可以选择 6.25MHz、12.5MHz、25MHz、50MHz。偏置电压可调范围为 2V-3V。2.3.1 可编程增益放大电路设计因为从超声换能器接收的信号幅值比较低，一般只有几毫伏，而本文设计的多采样率模数转换电路的参考电压是 5V，为了使模数转换精度尽可能高，在多采样率
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77;TN791

【参考文献】