]上位机软件界面6
[0037]如图6所示，在上位机2上利用LabVIEW软件图形化编写上位机软件界面3 JPGA开发板I与上位机软件界面3通过USB接口 4实现数据通信，上位机软件界面3通过“VISA读取”接收从FPGA开发板I上USB接口 4传输的由心肌细胞网络模型7和CPG模型15运算得到的动态数据;上位机软件界面3设置参数通过“VISA写入”输入数据到FPGA开发板I中，对心肌细胞网络模型7和突触电流模块13进行参数配置。LabVIEW编程时采用多线程编程技术，多线程技术的使用实现了数据处理和数据采集的兼顾，保证了数据的完整性和连续性。上位机软件界面3设计主要分为四个部分:参数调节部分38、呼吸节律信号波形显示部分39、心肌细胞膜电压信号波形显示部分40和CPG输出控制信号波形显示部分41。呼吸节律信号波形显示部分39、心肌细胞膜电压信号波形显示部分40和CPG输出控制信号波形显示部分41主要是实现呼吸节律信号以及FPGA上传的心肌细胞膜电位信号19和CPG输出控制信号21在上位机软件界面3的波形显示，以便于观察心肺节律是否同步以及CPG输出信号对心肺节律同步的控制作用；参数调节部分38可以实现由上位机2对FPGA开发板I中心肌细胞网络模型7的重要参数、突触权值和衰减率的设置。
[0038]FPGA实验平台
[0039]利用DSPBuilder编写基于模块的离散的、固定步长的、定点数运算的心肌细胞网络模型、构成CPG的H-H神经元模型以及FFT变换算法，再转成硬件描述语言。经QUARTUS Π软件编写完整的运算逻辑和程序结构；编译、分析综合、布局布线，下载到FPGA开发板I中运行。经USB接口 4上传FPGA开发板I运算产生的心肌细胞膜电位信号19和CPG模型输出控制信号21，在LabVIEW编写的上位机软件界面3对心肺系统节律同步机制和控制进行分析研究。
【主权项】
1.一种基于CPG的心肺同步控制实验平台，其特征是:该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板(I)和上位机(2)两部分，FPGA开发板(I)中集成有心肌细胞网络模型(7)、CPG模型(15)和FFT变换模块(22);上位机(2)中存储实验所需呼吸节律信号(9)并采用LabVIEW图形化编程上位机软件界面(3)并通过USB与FPGA开发板(I)进行通讯； 所述心肌细胞网络模型(7)经欧拉离散法化后采用硬件编程语言编写，并编译下载到FPGA开发板(I)中，心肌细胞网络模型(7)包括心肌细胞流水线模型(8)、初值模块(11)和突触电流模块(13)，所述心肌细胞网络模型(7)接收上位机软件界面(3)传递到初值模块(11)的初值信号(12)、突触电流模块(13)运算产生的突触电流信号(14)和CPG输出控制信号(21)作为输入进行运算，运算产生的心肌细胞膜电位信号(19)存储到心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中，并传回上位机软件界面(3)进行波形显示和处理;FPGA开发板(I)上的心肌细胞网络模型(7)中各细胞之间通过突触电流模块(13)中的突触权值矩阵(30)来模拟真实神经元之间的相互耦合； 所述CPG模型(15)包括H-H神经元流水线模型(16)和突触(17)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(I)中，所述CPG模型(15)包含八个H-H神经元流水线模型(16)，CPG模型(15)两侧各四个，每个H-H神经元流水线模型(16)之间通过突触(17)连接，并且突触(I7)由突触电流来模拟，所述突触电流产生方法与心肌细胞网络模型(7)中的突触电流模块(13)—样;CPG模型(15)接受上位机(2)通过输入数据总线(5)传递的输入数据信号(10)进行初始化，并接收由比较模块(25)作为输入，CPG模型(15)运算产生的CPG输出控制信号(21)输入到心肌细胞网络模型(7)中，同时存储到FPGA开发板(I)中CPG输出控制信号寄存器(20)，并通过USB接口(4)上传到上位机软件界面(3)进行波形显示和分析处理； 所述FFT变换模块(22)包括蝶形运算单元I (33)、蝶形运算单元Π (34)和选择控制器(36)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(I)中，FFT变换模块(22)接收由上位机软件界面(3)通过输入数据总线(5)传递的存储在上位机(2)中的呼吸节律信号(9)，运算得到FFT变换后的呼吸节律信号(24);同时FFT变换模块(22)接收存储在心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中的心肌细胞膜电位信号(19)，运算得到FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)，经过FFT变换模块(22)运算产生的FFT变换后的呼吸节律信号(24)和FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)作为比较模块(25)的输入； 所述上位机软件界面(3)采用图形化编程的LabVIEW编写，并通过虚拟仪器架构VISA与FPGA开发板(I)的USB接口(4)相连实现数据通信，虚拟仪器架构VISA包含VISA打开，VISA关闭，VISA写入，VISA读取，VISA查找资源;上位机软件界面⑶通过VISA读取接收从FPGA开发板(I)USB接口(4)传输的由心肌细胞网络模型(7)和CPG模型(15)运算得到的动态数据;上位机软件界面(3)设置参数通过VISA写入输入到FPGA开发板(I)中，对心肌细胞网络模型(7)和突触电流模块(13)进行参数配置。2.根据权利要求1所述的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是:所述突触电流模块(13)包含峰值检测模块(29)、突触权值矩阵(30)、衰减率(31)和突触电流逻辑运算模块(32)，通过突触权值矩阵(30)来实现不同细胞或神经元之间的耦合，突触权值矩阵(30)接收上位机软件界面(3)传递的输入数据信号(10)进行初始化配置；突触电流模块(13)接收心肌细胞膜电位信号(19)作为峰值检测模块(29)的输入，当峰值检测模块(29)检测到放电时，突触权值矩阵(30)被选择器(28)选中并经过突触电流逻辑运算模块(32)使得突触电流增量Ws并开始随时间衰减直至再一次峰值检测模块(29)检测到放电。3.根据权利要求1所述的基于CP G的心肺节律同步控制实验平台，其特征是:所述初值模块(11)通过FPGA开发板(I)内部的输入数据总线(5)接收由上位机软件界面(3)传递的数据，对心肌细胞流水线模型(8)进行初始参数的配置，初值模块(11)通过接收上位机软件界面(3)赋予的不同参数，使心肌细胞网络模型(7)在运算时表现出不同的电位活动特性。4.根据权利要求1所述的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是:所述心肌细胞流水线模型(8)接收初值信号(I 2 )、突触电流信号(14)和CPG输出控制信号(21)作为输入，经过心肌细胞流水线模型(8)运算产生的心肌细胞的膜电位信号(19)和输入到FPGA开发板(I)内部心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中存储;心肌细胞流水线模型(8)在一个数据路径中引入一组寄存器即能够实现多个细胞处理进程，引入寄存器的数目即为流水线深度;心肌细胞流水线模型(8)共有七条流水线数据通路(27);存储在心肌细胞膜电位寄存器(18)中的心肌细胞膜电位信号(19)通过数据输出总线(6)上传到上位机软件界面(3)进行波形显示和分析处理；心肌细胞膜电位信号(19)的变化表示了心肌细胞的电位活动，并与神经元突触权值矩阵(30)、衰减率(31)—起用来计算突触电流信号(14)，实现心肌细胞之间的耦合作用。5.根据权利要求1所述的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是:所述构成CPG模型(I 5)的一侧四个H-H神经元流水线模型(I 6)接收由比较模块(25)作为输入进行运算处理，经过构成CPG模型(15)的另一侧四个H-H神经元流水线模型(16)运算得到的输出作为CPG模型(15)的输出，H-H神经元流水线模型(16)都采用流水线结构，每个H-H神经元流水线模型(16)包含有四条流水线数据通路(27)。
【专利摘要】本发明提供一种基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，该实验平台包括FPGA开发板和上位机两部分，这两部分通过USB接口相互连接。其中FPGA开发板用来实现心肌细胞网络模型、CPG模型和快速傅里叶算法，上位机采用LabVIEW设计上位机软件界面并与FPGA开发板进行通讯。本发明的效果是作为生物神经网络的无动物实验、基于高速运算的FPGA神经元网络实验平台实现了CPG对心肺节律同步的调控，并且能够保证与真实生物神经元在时间尺度上的一致性。该平台为研究心肺节律同步的机制和控制提供了更加接近真实神经网络的可视化研究平台，对包括心血管疾病在内的多种心肺系统疾病的研究和治疗有重要的实用价值。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105631223
【申请号】CN201610012562
【发明人】王江, 陈琦, 杨双鸣, 邓斌, 魏熙乐, 于海涛, 张镇, 李会艳
【申请人】天津大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月7日