100 通道以上之動作電位產生器研製：
應用於電生理資料擷取/分析系統
THE DEVELOPMENT OF A OVER 100-CHANNEL ACTION-POTENTIAL GENERATOR FOR TESTING NEUROPHYSIOLOGIC DATA ACQUISITION/ANALYSIS
SYSTEMS
陳正文1 陳建宏1 黃閔祥1 陳建全1 許永和＊2
1崑山科技大學電子工程系 2虎尾科技大學資訊工程系
一、中文摘要
在本研究中，我們針對電生理實驗系統，
設計一套以 USB 2.0 介面為主的動作電位產生 器，並可應用於 100 通道或是更多通道之電生 理資料的擷取與分析的研究中。在此多通道動 作電位產生器中，透過 FPGA 晶片來整合相關 控制電路，且可同步地產生多通道、多組特定 的動作電位波形，並經由 DAC 輸出至相關的 測試系統中。而每一通道具備可以在每秒設定 產生 1 至 200 個動作電位波形的事件。此外，
為了測試與驗證本系統，我們完整地設計出一 套具備多通道動作電位波形模擬、輸出與反饋 驗證功能的使用者介面。因此，本系統所產生 的動作電位波形將能夠應用於電生理資料擷 取與分析系統中，並作為測試與驗證的儀器系 統。
關鍵詞：動作電位,USB,多通道,資料擷取,資料 分析。
Abstract
In our research, a 100-channel action-potential generator device based on USB interface was designed for testing neurophysiologic data acquisition/analysis systems. This system is capable of generating 100 channels simultaneously of simulated action potential (AP) waveshapes. Moreover the use of a field programmable gate array (FPGA) allows the module to be modified aiming at fulfilling future requirements that will arrive from the research of optimal characteristics for specific AP generator. Each channel generates randomly occurring APs with a specified rate ranging form 1 to 200 events per second. In order to testify the APs generator, the application software is developed to generate APs waveform and a digital oscilloscope is used to verify the waveform as well. The voltage waveform produced by APs generator can be used to test
neurophysiologic data acquisition systems for recording a spike trains and testing multispike-train analysis.
Keywords: Action Potential, USB, multi-channel
二、緣由與目的
100個或是更多的電極來紀錄多通道電生 理訊號的擷取與儲存的研究，已越來越受到重 視[1]。為了觀察多個神經元之間的基本關係，
且 用 來 擷 取 2 個 或 是 更 多 通 道 的 動 作 電 位
（Action Potentials，APs），許多的資料擷取/
分析系統已經被提出與設計出來[2-3]。若要測 試與分析這些系統的執行成效，最好是使用一 種測試的信號源或是特定的信號產生器來加 以驗證與評估。但由於各個通道的AP之間的隨 機特性與相互關係是不易去控制與模擬的。因 此，也就無法使用一般的信號產生器或是任意 波形產生器來實現相關系統測試的功能。
而針對以軟體為主的特定波形搜尋器，透 過電腦介面並使用多組的D/A轉換器通道來設 計獨立操作的信號產生器系統，並不是最有效 率的方式[4]。此外，利用並列埠來設計AP訊 號產生器[5]，不僅受限於並列埠的傳輸速度與 擴充不易外，這種介面也逐漸地淘汰。再者，
若是直接透過USB晶片組來產生多通道，多組 特定動作電位波形的話，則會受限於輸入/輸出 埠的數目，與擴充輸出通道時造成相關元件的 無謂浪費[7-8]。
而本研究是利用USB介面之優點，並以 FPGA晶片來整合相關的控制電路與記憶體元 件，設計一套應用於電生理資料的擷取與分析 系統之100通道以上動作電位產生器，以符合 更複雜之擷取系統的需求。
三、系統架構
如圖一所示，本系統之整體架構中，包含 了 使 用 者 介 面 應 用 程 式 (User Interface Application)、動作電位產生模組(AP generated
module) 與 準 位 調 整 模 組 (Level Adjusted module)等三個部分，分述如下：
A. 使用者介面應用程式
為了方便開發USB介面與控制外部相關 電路，本研究採用Visual Basic 6.0 應用程式，
並 引 用 National Instrument 公 司 所 開 發 的 Measurement Studio物件，設計一套最具親和力 與完整性的使用者介面。在本系統中，使用者 可以彈性地調整欲產生的神經電生理訊號，並 可指定1至上百個通道做為輸出。而在系統輸 出訊號驗證中，透過GPIB標準介面可將示波器 顯示的波形取回主程式中以供量測比對。
B. 動作電位產生模組
如圖二所示，為單一組動作電位產生模組 硬 體 區 塊 圖 。 在 此 模 組 中 ， 是 以 XILINX Spartan-II XC2S200™作為主要控制核心，並且 利用EZ-USB FX2 CY7C68013 (Cypress)晶片 組，透過USB介面與PC主機連接，負責接收與 傳輸合成後之AP波形資料、增益和準位調整之 控制訊號。此外，為了簡化輸出的類比電路 如：數位類比轉換器(DAC)、放大倍率(Gain) 與 濾 波 電 路 (Filter) ， 本 研 究 採 用 Cypress MicroSystems公司所生產的可程式化系統單晶 片(Programmable System-on-Chip，PSoC™)—
CY8C26443來加以實現。因此，一組動作電位 產生模組，透過整合25顆PSoC™即可產生25 個類比AP的輸出通道。
C. 準位調整模組
為了調整動作電位產生模組輸出之 AP 波 形之電壓準位，本研究採用 XICOR 半導體公 司 所 提 供 的 數 位 可 控 制 式 電 位 計 (Digitally Controlled Potentiometer，XDCP™)—X9312，
並搭配 LM324(National Semiconductor)元件來 加以設計。在本系統中，一組準位調整模組包 含由 25 個 OP Amp 與 XDCP™元件所構成的非 反相放大電路。因此，本模組可透過數位的方 式來控制 XDCP™內部之電阻陣列，進而達成 準位調整的功能。
四、結果與討論
為了測試與驗證本系統，我們使用了一台 具 備 GPIB 界 面 的 數 位 示 波 器 ， BS3012B (Tektronix) 以 及 GPIO-USB-A 纜 線 (National Instrument)。透過這種測試方式，我們可以藉 由 GPIB 界面擷取由 AP 產生器輸出至數位示 波器上所顯示的類比 AP 訊號，進而加以比 對，驗證與校準。如圖三所示，為 AP 產生器 的操作系統面板。其中，從圖中可以看到一個
完整的 AP 是以 50 筆，間隔 2mS 的模擬訊號 所組成的[6]。我們可以設定連續輸出每秒固定 次數以及亂數產生等兩種模式。此外，右邊的 面板提供了數位式的輸出準位與放大倍率的 調整。再者，透過與示波器的 GPIB 界面的命 令設定，也可輕易地將示波器所顯示的 AP 波 形加以擷取後，進行頻率或是週期等的量測。
此外，也由於本系統是透過 USB 界面來 設計的裝置，因此我們可以彈性地連結 4 組或 是更多的 AP 電位產生器模組並搭配準位調整 模組，以擴充至 100 個輸出通道以上。
五、結論
經由本研究的設計，可透過 USB 介面的 規格，依實際的系統測試的需要來彈性地擴充 AP 信號輸出的通道數目。由於透過 FPGA 整 合相關之控制電路與記憶體元件，不只可降低 成本並可提高系統之整體效能。再者，透過可 程式化系統單晶片（PSoC™）與數位可控制式 電位計（XDCP™）元件的使用，可以大幅地 減低數位與類比的整合電路。在如此的設計 下，除了可降低設計成本外，也可快速地修改 電路。
六、參考文獻
[1] Jones, K.E., Campbell P.K., and Normann R.A., Ann Biomed Eng, 1992; 20, No. 4, p 423-437.
[2] Smith, S.R. and Wheeler, B.C., IEEE Trans Biomed Eng, 1988, 35, p 875-877.
[3] Voigt, H.F. and Young, E.D, J Neurophysiol, 1990, 44, p. 76-96.
[4] Bergman, H. and DeLong, M.R., J. Neurosci.
Methods, 1992, 41, p.187-197.
[5] Ronald S. Lisiecki and Herbert F. Voigt, J.
Neurosci. Methods, 1995, 60, p.115-123.
[6] Abeles, M. and Goldstein, M.H., 1977, Proc.
IEEE, 65, P. 762-773.
[7] Y. H. Sheu, M. H. Yang, C. W. Chen, L. Y.
Chu and M. S. Young, ICBME 2002.
[8] 許永和，陳正文，朱來憶，黃俊斌，李建 德，2002 生醫科技論文集，91 年 12 月。
圖一、 整個動作電位產生器的架構圖
圖二、單一組動作電位產生模組硬體區塊圖
圖三、AP 產生器的操作面板
