基于TMS320LF2407A的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué)電子工程系 張建利 李文豐

腦電信號(hào)是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并且始終存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng)，是一種重要的生物電信號(hào)。在進(jìn)行大腦疾病診斷的過(guò)程中需要對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行記錄，以提供臨床數(shù)據(jù)和診斷的依據(jù)。因此腦電信號(hào)采集系統(tǒng)具有非常重要的臨床意義。本系統(tǒng)包括16路電極，共分2組，每組8路，其中每組各有一路電極作為公共端，通過(guò)這16路電極對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行差分放大，濾波以及A/D變換，DSP處理，再經(jīng)由串口與計(jì)算機(jī)相連，將采集的腦電信號(hào)顯示在電腦顯示器上，以便于人機(jī)交互。

腦電信號(hào)的特點(diǎn)

腦電信號(hào)非常微弱，幅度范圍：20 V－200 V，頻率范圍：1－30Hz。除此之外，腦電信號(hào)還有以下特點(diǎn)：

1）隨機(jī)性及非平穩(wěn)性相當(dāng)強(qiáng)。

2）腦電信號(hào)具有非線性。

3）采集到的腦電信號(hào)背景噪聲比較復(fù)雜，有50Hz的工頻干擾，電極與皮膚的接觸噪聲以及電極與地之間的共模信號(hào)的干擾等等。

系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

如圖1所示整個(gè)系統(tǒng)由阻抗測(cè)試、電平測(cè)量、差分放大、高通濾波、低通濾波、DSP以及串口接口。此系統(tǒng)的整個(gè)流程如下所示：

1）對(duì)電池進(jìn)行電量測(cè)量以確保電量充足。

2）阻抗測(cè)試：對(duì)每組中公共極與其它電極之間的電阻進(jìn)行測(cè)量，以確保電極與皮膚良好的接觸。

3）以上兩個(gè)步驟完成后，切斷對(duì)這兩個(gè)模塊的供電，然后對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行差分放大。

4）差分放大的腦電信號(hào)進(jìn)行高通濾波，再進(jìn)行低通濾波。

5）低通濾波后的腦電信號(hào)由帶有A/D轉(zhuǎn)換的DSP進(jìn)行處理，并通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信，將腦電信號(hào)回放在電腦顯示器上。

電平測(cè)量與阻抗測(cè)試

電平測(cè)量

電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則電量降低，從而電壓也相應(yīng)地降低。我們?cè)诖酥饕菫榱舜_定電池是否是新電池，以便于能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。所以在進(jìn)行腦電信號(hào)采集之前首先對(duì)電池電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值由DSP處理，并經(jīng)過(guò)串口顯示在電腦顯示器上。

阻抗測(cè)試

為了確保采集的信號(hào)為腦電信號(hào)，所以需要確保電極與大腦頭皮緊密接觸。電極與頭皮接觸的好壞，直接影響著接觸電阻的大小。電極－皮膚電阻越小，引入的交流干擾就越小，得到的腦電波形就越好。在此我們將接觸電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓的測(cè)量，用交流恒流源通過(guò)接觸電阻，測(cè)其電壓，經(jīng)由DSP處理，求其電阻，然后通過(guò)串口顯示在電腦屏幕上。

差分生物電放大器的設(shè)計(jì)

差分生物電放大器的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。

生物電放大器的特性

1）高輸入阻抗

腦電信號(hào)本身是高阻抗的微弱信號(hào)源，所以生物電放大器的輸入阻抗必須比較高，從而減小信號(hào)源阻抗對(duì)生物電放大器的影響。

2）高共模抑制比（CMRR）
共模抑制比是差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比。共模抑制比越高，對(duì)共模信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。為了抑制人體所攜帶的工頻干擾以及所測(cè)量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，須選用差分放大形式。 3）低噪聲、低漂移
高阻抗源本身就帶來(lái)相當(dāng)高的熱噪聲，輸入信號(hào)的質(zhì)量很差。所以，為了獲得一定信噪比的輸入信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格的要求。理想的生物電放大器，能夠抑制外界干擾使其減弱到和放大器的固有噪聲為同一數(shù)量級(jí)，這樣，放大器內(nèi)部噪聲實(shí)際上使放大器能夠放大的信號(hào)具有一個(gè)下限，也就是說(shuō)放大器的噪聲電平成為放大器設(shè)計(jì)的限制性條件。

除了以上幾個(gè)特點(diǎn)外，生物電放大器還要有足夠大的放大倍數(shù)及低功耗。

生物電放大器的選擇

近年來(lái)，微電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能的集成化儀表放大器，如美國(guó)TI公司、MAXIM公司、ADI公司和Linear公司等生產(chǎn)了很多不同檔次的集成化儀器放大器，為設(shè)計(jì)生物電放大器提供了充分的選擇。然而，由于生物電信號(hào)檢測(cè)的特殊性，必須選擇性能特別高的放大器。根據(jù)以上的分析，我們選擇美國(guó)AD公司的AD627BR，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

它具有以下特點(diǎn)：

1）AD627BR的增益可以通過(guò)外接電阻在5－1000之間任意調(diào)節(jié)，計(jì)算公式：GAIN=5+(200 K /RG)。

2）高輸入阻抗：20G 。

3）高共模抑制比：增益為100時(shí)，其共模抑制比為125db。

4）輸入失調(diào)電壓為125 V，輸入失調(diào)電壓偏移為1 V/℃。

5）低噪聲：38 nV/\sqrt{Hz} RTI Noise @ 1 KHz (G = +100)。

6）非線性誤差為20ppm，增益為100時(shí)，增益誤差為0.10%。

7）低功耗，消耗的電流只有85 A。

濾波器的設(shè)計(jì)

電路中濾波器的主要目的是去除直流信號(hào)和50Hz的工頻干擾。

高通濾波器的設(shè)計(jì)

電極與皮膚相接觸會(huì)產(chǎn)生約300mV的直流信號(hào)，而且生物電放大器本身的失調(diào)電壓與電流都是直流信號(hào)，還有其它一些因素所產(chǎn)生的直流信號(hào)，都會(huì)對(duì)腦電信號(hào)造成干擾，所以在A/D變換之前需要通過(guò)高通濾波器來(lái)濾除這些直流信號(hào)。此高通濾波器采用無(wú)源濾波器，起始頻率為0.5Hz，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可得其傳遞函數(shù)為：

H_{1}(s)=\frac{sR_{R}C_{1}}{1+sR_{1}C_{1}}，起始頻率為f_{0}=\frac{1}{2 R_{1}C_{1}}

則f_{0}=0.5Hz，C_{1}=1 F，R_{1}=330K

低通濾波器的設(shè)計(jì)

低通濾波器主要用來(lái)去除50Hz的工頻干擾，并且對(duì)其進(jìn)行放大。此濾波器采用有源濾波器，此處用的放大器為AD公司的AD8628，AD8628特性如下所示：

1）低失調(diào)電壓：1 V。

2）輸入失調(diào)電壓漂移：0.02 V/℃。

3）較低的輸入偏置電流：100pA。

4）軌對(duì)軌輸入、輸出電壓調(diào)節(jié)。

5）高共模抑制比：120db。

6）低功耗，供給電流只有1.0mA。

低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可得其傳遞函數(shù)：

H_{2}(s)=1+\frac{R}{R^{'}}\frac{1}{1+sRC}，其截止頻率為f=\frac{1}{2 RC}=40Hz。

則R=100K ，C=0.039 F，在此選擇放大200倍，所以R^{'}=500

DSP－TMS320LF2407A

經(jīng)過(guò)本人市場(chǎng)調(diào)研，綜合考慮各種可編程控制器/處理器的性能、價(jià)格和本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求，決定選用美國(guó)德州儀器公司TI（Texas Instruments）的TMS320LF2407作為所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的處理器。TMS320LF2407是TMS320C24x系列中功能強(qiáng)大、擁有的硬件資源完整的DSP?？倢ぶ贩秶?92K Words x 16 Bits，其中包括64K 程序空間，64K 數(shù)據(jù)空間，64K I/O空間，片內(nèi)集成32K字 16-Bits Flash EEPROM程序空間，2.5K字 16Bits數(shù)據(jù)/程序 RAM，544字雙尋址數(shù)據(jù)/程序RAM，2K字單尋址數(shù)據(jù)/程序RAM。兩個(gè)事件管理模塊EV（EVA、EVB），分別提供兩個(gè)16-Bits全局計(jì)數(shù)器，8個(gè)脈沖寬度可調(diào)制通道(PWM)，三個(gè)外部事件的定時(shí)采樣捕獲單元，同步的ADC轉(zhuǎn)換，對(duì)多個(gè)外設(shè)進(jìn)行控制。支持串行異步通信接口（SCI）、串行同步外設(shè)接口（SPI）、CAN總線2.0標(biāo)準(zhǔn)接口。TMS320C240x系列芯片大部分管腳都可以復(fù)用成輸入/輸出管腳，使芯片有很好的自由度。TMS320LF2407擁有10-Bit 8或16 路輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC)，可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的功耗和體積滿足便攜式、長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)采集的要求。 采集過(guò)來(lái)的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)TMS320LF2407A的16路A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)DSP處理，通過(guò)串口與電腦通信，將采集的腦電信號(hào)回放在電腦的顯示器上，以便于實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)16路腦電信號(hào)采集，并且功耗較低；在功能上完成了腦電信號(hào)采集，放大，濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換以及回放的整個(gè)流程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在臨床上應(yīng)用為醫(yī)生提供了臨床診斷的依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

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