（计算机应用技术专业论文）基于fpga的脑电信号采集系统的设计.pdf

安徽大学硕i 学位论文摘要 摘要 脑电是一种微弱的生物电信号，是脑神经细胞传导信息时在大脑皮层或头 皮表面电活动的总体反映。脑电信号一般是通过放置在头皮的电极来获取，然 后通过电极导联耦合到差动放大器的输入端进行放大，最后由脑电记录设备记 录其波形以便对脑电信号做进一步的分析处理。 本论文介绍了脑电信号的获取、放大、采集、显示以及记录的软硬件设计 以及对脑电信号的分析处理。 在第一章中主要介绍了脑电的基本知识与分类，从波形频率上对脑电信号 的特点作了详细阐述，接着对脑电电极的安装方法及其导联方式作了具体介绍。 为了选择一种合理的设计方案，在第二章根据总体设计方案对方案中的各部分 在设计思路上作了探讨。首先将其分解为模拟和数字两大部分，接着根据脑电 信号的特点对模拟电路中的信号调理方法作了详细的论证，然后以f p g a 为核 心，对信号的采集、显示以及与上位机的通信方式给出了基本的设计思路。 第三章介绍了放大电路的设计与实现。脑电信号是微伏级信号，必须经过 适当的放大满足采集电路的要求，因此将其进行三级放大，对每部分电路采取 的放大方式、增益作了分析计算，并通过仿真将设计结果进行验证。 脑电信号是一种微弱的电信号，极易受到干扰。因此在第四章中对脑电信 号的滤波作了详细介绍。首先通过高通滤波和低通滤波将脑电信号频率范围外 的信号滤除，然后对产生干扰最严重的5 0 h z 工频使用陷波器将其去除。设计 时对每一部分作了详细的理论计算，并对仿真的结果作了说明。最后将放大与 滤波联合起来进行仿真和实测，分析整体滤波放大器设计的性能。 考虑到后级会对i i 级的信号产生干扰，在第五章中介绍了如何进行隔离。 设计中使用了光隔电路对前后级实行隔离，详细分析了反馈型光电隔离器的工 作原理及调节方法。对可能出现的负极性信号使用了箝位电路进行了极性转换， 并对转换的结果进行了仿真。 经过转换的信号进入采集电路进行采集，在第六章介绍了如何选择合适的 采集芯片及与f p g a 的连接，以及如何使用f p g a 控制采集。经采集的数字信 号可以经过一定的处理再送给其它电路，故在第七章中在介绍f p g a 的基础上 讲述了如何在f p g a 上实现数字滤波器的设计。 安徽人学硕 ：学位论文基于f p g a 的脑电信弓采集系统的设计 经过处理的一路信号送给液晶作显示，另外一路则送给计算机作数据保存。 在第八章中介绍了如何使用液晶对采集的波形进行显示。首先阐释了点阵液晶 的结构、与f p g a 的连接方法及工作时序，然后接着说明液晶显示动态波形的 基本原理，最后编写程序实现点阵波形在液晶上显示。为了保证图形的稳定， 文章也介绍了如何使用键盘控制液晶的显示时序。 第九章对使用u s b 接口实现f p g a 与计算机实现双向通信作了介绍，在了 解u s b 结构及与f p g a 连接的基础上，首先研究如何实现f p g a 对u s b 的控 制实现数据的收发，然后编写上位机程序实现计算机对u s b 接口数据收发的控 制。最终实现将f p g a 采集的数据送给计算机保存。 最后，对设计中存在的一些问题及需要进一步改进的地方做了简要的阐述。 关键词：脑电信号，f p g a ，采集，液晶，u s b 本文i ：作得到了国家自然科学基金项目资助( 6 0 2 7 1 0 2 4 ) i i 安徽人学硕l 学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e g ) i saw e a ks i g n a lo fb i o e l e c t r i c i t y , ag e n e r a l r e f l e c t i o ni nt h ec o r t e xo ro nt h e s c a l pw h e nb r a i n n e r v ec e l l st r a n s m i t i n f o r m a t i o n u s u a l l yi l s ee l e c t r o d e st h a ta r ep l a c e di nt h ep a l l i u ma n do nt h es c a l pt o g a i nl o we e gs i g n a l s a n dt h e nac o n n e c t i n go fe l e c t r o d ei su s e da sac o u p l i n gt o d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r s f i n a l l y ，t h ee g gr e c o r d e ri sa p p l i e dt or e c o r da n da n a l y s et h e s i g n a l s mo r d e rt ot h ed e e p e rp r o c e s s i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e dh o wt od e s i g nh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oc a p t u r e ，e n l a r g e ， c o l l e c t ，d i s p l a ya n dr e c o r dt h ee e gs i g n a l s ，a n dh o wt oa n a l y s ea n dp r o c e s st h e s i g n a l si nh a r d w a r e i nc h a p t e ro n e ，t h a tm a i n l yi n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g ea n dc l a s s i f i c a t i o no f e e g a i s oe x p a t i a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a v ea n df r e q u e n c yo ne e gs i g n a l s ，a n d t h e ni n t r o d u c e dh o wt of i xe e ge l e c t r o d ea n dt h ec o n n e c t i n gw a y q fe e gc h a p t e r t w od i s c u s s e dt h ed e t a i l so nt h es c h e m eo fe v e r yp a r tb a s e do nt h ew h o l ed e s i g ni n o r d e rt oc h o o s eab e t t e rd e s i g n f i r s t l y , t h es c h e m ew a sd i v i d e di n t ot w op a r t s ： a n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i t s e c o n d l y , i td e m o n s t r a t e dt h ep r o c e s sm e t h o do ft h e a n a l o gs i g n a li nd e t a i lo nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fe e gf i n a l l y , t h eb a s i c d e s i g nw a yi sc o n f i r m e do nt h eh a n d so ft h es i g n a l sc o l l e c t i n g ，d i s p l a y i n ga n dt h e m e t h o do f c o m m u n i c a t i n gw i t l lp c i nc h a p t e rt h r e e ，t h a ti n t r o d u c e dh o wt od e s i g na n dm a k et h ea m p l i f i e r e e gi s m i c r o v o l ts i g n a lw h i c hm u s tb ee n l a r g e dt os a t i s f yw i t ht h ed e m a n do fc o l l e c t i n g s y s t e m a n dt h e nd e s i g n e dt h et h r e ea m p l i f i e r sa n dc a l c u l a t e dt h eg a i n so f e v e r yp a r t t h er e s u l t sw e r ev a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o na tt h ee n do f t h ep a p e r e e gs i g n a li s w e a kt h a tc a nb ei m e f f e r e db ys t r o n gn o i s ee a s i l y s oc h a p t e r f o u ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no f t h ef i l t e rc i r c u i td e t a i l e d l y f i r s t l y , t h eb a n dp a s sc i r c u i t f i l t e r e dt h es i g n a l so u t s i d ee e gs e c o n d l y , a p p l y e dt r a pc i r c u i tt og e tr i do f5 0 h z s i g n a l ，c a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r so fe a c hp a r ta n de x p l a i n e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n f i n a l l y , t e s t e dt h ew h o l ec i r c u i ti n c l u d e sa m p l i f i e r sa n df i l t e r st oa n a l y s ei t s c a p a b i l i t y i i i 安徽人学硕l ：学位论文摹于f p g a 的肪电信号采集系统的设计 c o n s i d e r i n gt h a t t h en e x tc l a s sc i r c u i tc a l li n t e r f e r ew i t i lt h ep r e v i o u s o n e c h a p t e r f i v ei n t r o d u c e dh o wt oi s o l a t et h et w oc l a s s e s ，a n d a p p l y e d p h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o nt oi s o l a t et h et w o t h i sp a r ta n a l y s e dt h ep r i n c i p l eo f f e e d b a c kp h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o nc i r c u i ta n dt h ew a yo f a d j u s t i n gc i r c u i t i nt h ee n d o ft h i sc h a p t e r , a p p l i e dt h es t r a n g u l a t i o nc i r c u i tt oc o n v e r tt h en e g a t i v ep o l a r i t y s i g n a l si n t ot h ep o s i t i v ea n ds i m u l a t e dt h er e s u l t t h es i g n a l sa f t e rc o n v e r s i o nw e r et r a n s f e r r e dt oc o l l e c t i o nc i r c u i t s oh o wt o c h o o s et h ea d c c h i p s ，c o n n e c tw i t hf p g a a n dc o n t r o lt h ec h i p st oc o l l e c ts i g n a l s w e r ei n t r o d u c e di nc h a p t e rs i x g h a p t e rs e v e ni n t r o d u c e dh o wt od e s i g naf i l t e rt o t r a n s f e rt h e s es i g n a l st oo t h e rp a r t so f t h ec i r c u i to nt h ef o u n d a t i o no f f p g a ab r a n c ho ft h es i g n a l sw a st r a n s f e r r e dt ol e dt od i s p l a y , t h eo t h e rw a st op c t os a v et h ed a t a c h a p t e re i g h ti n t r o d u c e dh o wt od i s p l a yt h ee e go nl e d f i r s t l y , e x p l a i n e dt h el c d ss t r u c t u r e ，t i m i n ga n dc o n n e c t i n gw i t hf p g a s e c o n d l y , e x p l a i n e d t h ef u n d e r m e n t a lo fd i s p l a y i n g d y n a m i cw a v e o n l c d f i n a l l y , p r o g r a m m e dt or e a l i z et h ed o t sd i s p l a yo fl c d a tt h es a n l et i m e ，t h ep a p e r e x p l a i n e dh o w t oc o n t r o lt h ek e yt od i s p l a yt h es t a b l ew a v eb yt i m i n g h o wt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s ba n df p g aw a si n t r o d u c e di n c h a p t e rn i n e b a s e do nt h eu s b ss t r u c t u r ea n dc o n n e c t i n gw i t hf p g a t h e ns t u d i e d h o wt oa p p l yf p g at or e a l i z et h er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g t h e np r o g r a mw a st o r e a l i z et h a tp cc o n t r o l st h er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n ga n ds a v i n gt h ed a t a i nt h ee n do ft h i sp a p e r , e x p a t i a t e do nt h ee x i s t e n ti s s u ea n dt h ei m p r o v e d a d v i c e k e y w o r d s ：e e g , f p g a , c o l l e c t i n g ，l c d ，u s b t h i sp a p e r sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i h a ( 6 0 2 7 1 0 2 4 、 l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，i 幻爻参欠签字日期：伽印1 年华月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 学位论文储签名：4 灰谴名翩签名：羡佬 签字日期：函舻7 年q 月加日签字日期：挪一7 年中月加日 学位论文作者毕业去向： 、 工作单位： 电话： 通讯地址：邮编： r 立傲人学硕j 二学位论文 第一章绪论 第一章绪论 人脑具有电活动，这是h a n sb e r g e r 于1 9 2 4 年首先发现的，并命名为脑电图 ( e e g ) ，它是用放在头皮表面的电极检测，并经放大的与大脑神经活动有关的生 物电位。脑电图是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，其 中包含了大量的生理与疾病信息。所以脑电图被发现后，很快就被引入到临床为 某些脑疾病提供诊断依据，而且还为某些脑疾病提供了有效的治疗手段。时至今 日，脑电图己成为一项常规临床检查，它能对脑损伤、脑血栓、神经官能症等疾病 提供有效的诊断和治疗信息，同时也应用于认知生理心里学研究。随着信号采集 和处理技术的进步，脑电信号已经被用于康复领域，进而用脑电信号控制假肢的 运动也成为现实。近些年来，美国和日本的研究都集中在e e g 、视觉运动、姿态 和语言的人机接口技术方面，建立人脑与计算机的直接接口 ( b r a i n 2 c o m p u t e r i n t e r f a c e ，b c i ) 并已经用于简单的开关控制川。 脑电图机就是专门用于测量和记录脑电图的装置。脑电图机产生于1 9 3 4 年， 是伴随差动放大器的发明而出现的。其工作原理是：首先由放置在头皮的电极在 体表或皮下检测出微弱的脑电( e e g ) 信号；然后通过电极导联耦合到差动放大器 进行适当放大；最后由记录设备记录。目前有热笔描记式脑电图机、无纸脑电图 机、脑电地形图仪、脑电监护仪、脑电h o t l e r 和脑电分析仪几种。 本设计的脑电信号采集电路依据无纸脑电图机原理将放大的模拟信号送入 采集电路变为数字信号，利用计算机或数字处理芯片对采集的信号作进一步的算 法分析。整体电路的设计是基于对脑电的各种特性的分析基础之上的，因此设计 之前有必要对脑电的相关知识做一下简单介绍。 1 1 有关脑电的基本知识 人的大脑皮层由亿万个神经元组成，存在着频繁的电活动，它较接近表面， 所以电活动较易观察，而人正是通过这些电活动来完成各种生理机能的。脑电活 动可以分为自发脑电( s p o n t a n e o u se e g ) 和诱发脑电( e v o k e dp o t e n t i a l 。e p ) ， 它们已成为脑电生理研究和临床应用的最主要的两种手段。 1 1 1 自发脑电 大脑皮层经常具有持续的节律性变化，称为自发脑电活动，其电位可以随时 间发生变化。在无刺激时，在不同部位，自发脑电活动的频率和振幅是不同的。 安傲人学硕 二学位论文 基于f p g a 的脑电信号采集系统的设计 如果把引导电极( 双极或单极) 放在头皮表面，用电极将这种电位随时间变化的波 形提取出来并加以记录，所记得的电位波形称为脑心图( e e 6 ) ；直接从皮层表面 所记得的电位波形你为皮质电图e c 0 g ( e l e c t r o c o r t i c o g r a m ) ，它可以作为意识 水平的真实反映的指标。脑电图和皮质电图都反映大脑皮质的自发脑电活动。1 。 从头皮上所得到的脑电波的幅值，在正常的情况下信号范围为l i 0 0uv ， 一般在1 0 5 0pv 左右；而在暴露的大脑皮层表面所取得的电位则比此值大 1 0 一2 0 倍，约i m v 。它们的频率范围为o 5 - l o o h z 。在大脑的不同叶上，波形性 质不同，并依赖于觉醒和睡眠的水平。 在现代脑电图学中，根据频率和振幅的不同将脑电波分为n 波、8 波、o 波和6 波： 波：可在头颅枕部检侧到，频率为8 - 1 3 h z ，振幅为2 0 1 0 0uv ，它是节 律性脑电波中最明显的波；整个皮层均可产生。波。a 波在清醒、安静、闭眼 时即可出现，波幅由小到大，再由大n d , 规律性变化，呈梭状图形。睁眼、思考 问题时或接受其它刺激时，n 波消失而出现其它快波。这一现象称为q 波阻断。 b 波：在额部和颞部最为明显，频率为1 8 3 0 h z ，振幅为5 - 2 0 uv ，是一种 快波。b 波的出现一般意味着大脑比较兴奋。 o 波：主要发生在儿童头顶部和颞部，两侧对称，频率为4 - 7 h z ，振幅为 1 0 一5 0p ，它是在困倦或情绪压抑时，中枢神经处于抑制状态时所记录的波形。 6 波：在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现，频率为卜3 5 h z 。 振幅为2 0 2 0 0 uv 。 典型的e e g 波形见图1 - 1 。 a 诧舡卜哪1 i 蝴卜i ， 。涟照衍_ _ - _ i - - _ _ - - i _ 一l 加。v ，垃- - q - _ _ _ - - hi 如n o 谴- - v - - - ， i 如l 、 嘲i h ，一。 一 图卜1 典型的e e g 波形 1 1 2 诱发脑电 如果给机体以某种刺激，如光、声、电和触压或直接刺激皮质，也会导致脑 虫教人学颈l 。学位论文第一章绪论 电信号的改变，这是中枢神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生的生物电活 动，是代表中枢神经系统在特定功能状态下的生物电活动的变化，称之为诱发脑 电。 诱发脑电分为特异性诱发电位和和非特异性诱发电位“1 ，所谓非特异性诱发 电位是指给予不同刺激时产生的相同的反应，这是一种普通的和暂时的情况：而 特异性诱发电位是指在给予刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电 位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系。非特异性诱发电 位幅度比较高，在脑电图记录中即可发现；特异性诱发电位较小( 1 - 1 0 u r ) ，完 全淹没在自发脑电信号中。非特异性诱发电位没有任何特定意义，故在临床诊断 中不具有诊断价值，因此在临床上只进行特异性诱发电位的检查。 诱发电位也可在人体头颅外头皮上记录到。由于记录电极离中枢较远，颅骨 的电阻很大，记录到的电位变化极微弱；而且诱发电位夹杂在自发脑电之间，电 位很难分辨。对诱发脑电的处理，一般采用叠加技术和平均技术。叠加技术是 把多次的刺激波按一定的次序累加起来，而运用电子计算机将电位变化叠加、平 均起来，能够使诱发电位显示出来，这种方法记录到的电位称为平均诱发电位 ( a v e r a g e de v o k e dp o t e n t i a l ) 。平均诱发电位目前已成为研究人类的感觉功能、 神经系统疾病、行为和心理活动的一种手段。 临床上常用的诱发电位有模式翻转视觉诱发电位( p a t t e r nr e v e r s a lv i s u a l e v o k e dp o t e n t i a l ，p r v e p ) ，脑干听觉诱发电位( b r a i ns t e ma u d i t o r ye v o k e d p o t e n t i a l ，b e a p ) 和短潜伏期体感诱发电位( s h o r tl a t e n c ys o m a t o s e n s o r y e v o k e dp o t e n t i a l ，s l s e p ) 。 1 ) 视觉诱发电位 视觉诱发电位是指向视网膜给予视觉刺激时，在两侧后头部所记录到的由视 觉通路产生的电位变化其刺激方式是电视机显示的黑白棋盘格翻转刺激，方格 大小为3 0 。视角、对比度至于大于5 0 ，全视野大小应小产8 。眼睛固定注 视中心，刺激频率为1 - 2 h z 。 2 ) 听觉诱发电位 听觉诱发电位是指给与声音刺激，从头皮上记录到的由听觉通路产生的电位 活动，因其电位源于脑干听觉通路，故又称为脑干听觉诱发电位，其刺激源为脉 安徽大学硕i ：学位论文 基于f p g a 的腩电信号采集系统的设计 宽2 0 0 i ts 的方波电信号，经过换能器转换成短声，其极性依其耳机振动膜片的 方向而定，当耳机膜片靠向患者鼓膜时，该刺激为密波短声，反之为疏波短声。 临床神经学研究中，常用疏波短户为刺激声，刺激频率为1 0 1 5 h z ，强度高于听 力阈6 0 d b ，b e a p 的神经学检查主要采用单耳刺激。 3 ) 体感诱发电位 体感诱发电位是指驱体感觉系统在受外界某特定刺激( 通常是脉冲电流) 后的一种生物电活动，它能反映出躯体感觉传导通路神经结构的功能，其刺激方 式有恒压器和恒流器两种，恒压刺激器的输出范围在o - 1 y ，恒流刺激器的输出 范围为0 - 1 0 0 m a ，刺激强度通常选用感觉阈上4 倍或运动阀上2 倍，方波宽度为 1 0 0 5 0 0 us 。 1 2 脑电图的导联法 人的大脑发出的微弱电信号必须通过电极来获取，电极是实际上是一个换能 装嚣，它将在体内靠离子传导的电流转换成在电极和导线内靠电子传导的电流， 即离子电流转换成电子电流。医用电极的种类很多，医用习惯从置于体内的角度 来分类，可有体表电极、皮下电极、体内电极等，脑电的电活动会传导到体表， 因此多使用体表电极。脑电电极根据其应用范围有挚型银管电极、粘连电极、针 电极、银丝蝶骨电极等，各类电极均有其优缺点，在本系统中采用银管电极。 脑电信号在测量前首先要做好受试者心理准备，精神紧张、焦虑不安、思考 问题可使脑电波形改变和伪差增多，影响脑电信号记录的正确性。其次受试者头 部油脂过多使电极下的接触电阻增大，应至少在前一天清洗头部，测试接触电阻 应小于2 0 kq 。银管电极在使用前需经氯化处理，减少电极与头皮接触引起的极 化现象。电极在使用前需用多层纱布或用薄海面布包裹在电极的前端，并用饱和 盐水浸湿以备用。电极安放前应先使用9 5 酒精或丙酮擦掉电极放置处头皮上的 油脂，将头皮分开，使电极与头皮密切接触，并用橡皮帽或松紧带帽固定。 电极的安放采用国际上广泛采用的1 0 - 2 0 系统电极法，如图卜2 ，其前后方 向的测量以鼻根到枕骨粗隆连成的正中线为准，在此线左右等距的相应部位定出 左右前额点f p 、f p 2 ，额点f 。、f 。中央点c 。、c ：，顶点p 3 、r ，和枕点0 、0 2 ， 前额点的位置在鼻根上相当于鼻根至枕骨粗隆的1 0 0 , 6 处，额点在前额点之后相当 于鼻根至前额点距离的2 倍即鼻根正中线2 0 处，向后中央、项、枕诸点的间隔 4 安徽人学硕l 学位论文 第一章绪论 均为2 0 。两耳垂的电极连接有两种方法：一是两耳垂连接在起，同时与地线 相连，而将无关电极放在头顶中部或鼻根部，或第七脊椎处；二是两耳垂分别或 共同作为作用电极与头皮电极配对作为前置放大的输入端，另在头顶处附加一个 电极与地线相连。 图卜21 0 一2 0 电极安装法 上述电极固定较为麻烦，固定不牢的情况下致使采集到的脑电信号伪迹增 加，严重时信号根本无法使用，所以电极的固定一般使用电极固定帽。由于脑电 信号一般由若干个头部电极从统一的部位引出，引出的电极线就有若干根，因此 经常采用中间接线盒，电极引出线直接与输入盒相连，通过输入盒引线再将脑电 信号接到采集系统的前置放大极。 对于引出电极与前置放大器的接法，称之为脑电信号的导联。根据对活动电 极与无关电极处置方法的不同，可分为单极导联和双极导联。所谓单极导联就是 将活动电极接至i j 置放大器的一个输入端，无关电极接到前置放大器的另一个输 入端。无关电极一般选两侧耳垂，活动电极选择在头皮的一个电极，耳垂的连接 可以参照上面叙述方法。这种接法的优点是：能记录活动电极下脑电位变化的绝 对值，其波幅较高且稳定，异常波常较局限。缺点是：无关电极不能保持零电位， 易混进其它生物干扰。双极导联则不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电 极。这样做的优点是：所记录波形为两个电极脑电变化的差值，由于前置放大器 对共模信号的抑制作用，可以大大减少干扰，可排除无关电极引起的误差；缺点 是两个活动电极在3 c m 以内时，来自较大范围的脑电电位差被互相抵消，而且幅 值较低，波形也不恒定。实际诊病中，需要根据不同的情况和要求，连接成不同 的方式，使用多导记录多个波形，对病情作出综合判断。 安徽大学硕l ：学位论立 摹于f p g a 的脑电信呼采集系统的设计 第二章设计方案论证 本设计系统的要求是：从头皮采集到的微弱电信号经放大滤波后满足采集 系统要求，送入采集电路变为数字信号经过一定的信号处理后，一路送显示直 接显示采集的波形，一路送入计算机以便对采集的信号作进一步的处理。系统 总体框图如图2 - 1 所示： 图2 1 系统总体设计框图 整体电路按模拟和数字可分为两大部分，一部分是以放大滤波为核心的模 拟电路：另一部分是以信号处理为核心的数字电路，这部分同时也担负了对采 集、显示及计算机这三种外围设备的传输控制。这两部分均有多种方案可供选 择，下面对这两部分分别作一介绍。 2 1 放大滤波电路的设计方案论证 2 0 1 1 设计所需考虑的因素 从前面的内容可知，脑电信号是一种微弱的低频生物电信号，在幅值上是 微伏级。在进行有效的处理、显示或记录之前，首先必须把信号放大到采集系 统要求的幅值范围内，因此在设计电路时必须考虑以下因素： 1 ) 人身安全性。 测量系统在测量人体生物信号的同时不能伤害人体、危及人身安全， 放置在头皮上的的电极与放大滤波电路的前置放大级相连，为防止市电窜 入电路，放大滤波这部分电路最好采用干电池供电。此外，信号处理及外 围电路与放大滤波电路不采用一套供电电路，采集之前采用隔离电路使两 部分只有信号上的联系，电源之间没有任何影响。 2 ) 减少干扰。 脑电信号幅值很小，很强的背景噪声和干扰即可将其淹没。若不能对 这些噪声和干扰进行很好的抑制和消除，在放大脑电信号的同时，噪声也 安徽人学硕i ：学位论文 第- 二章设计方案论证 被放大，那么从放大器出来的信号几乎是一片噪声，尤其是工频对信号影 响很大。为了满足采集电路的要求，设计电路时必须从以下三方面考虑： 一是放大滤波电路采取干电池供电并将其接成浮地的形式。由于没有市电 接入电路，故可以极大地减少工频对信号的影响：接成浮地，即使用隔离 电路将放大滤波部分与采集部分分开，电源上不再相关，仅有信号上的联 系，可以避免后面产生的噪声干扰通过电源窜入前级。二是前置放大级要 有很高的共模抑制比。信号放大系统对噪声抑制的性能在很大的程度上都 是由其前置级的信噪比决定的，如果i ；i 级噪声没有得到很好的抑制，在后 级是很难实现有效抑制的，而且噪声也会随着系统放大而放大。在电路上 一般采用共模抑制比很高的仪用放大器构成的差动放大电路来消除共模干 扰。三是采用滤波陷波电路。脑电信号是一种低频信号，范围从0 卜l o o h z ， 在此范围以外的信号应使其最大限度地衰减，所以在电路中应采用带通滤 波器将其滤除；5 0 h z 或6 0 h z 的工频信号则采用陷波器将其去除。 3 ) 足够的增益。 在头皮描记的脑电信号只有1 0 0 1 1v 的较小的振幅，一般为1 0 pv 到 5 0uv 的信号。3 。而低压采集芯片可以采集的双极性信号的最大幅值范围有 2 5 v ，3 3 v ，5 v 等几种，或是上述范围的正极性信号。设计采用的 t l c 5 5 4 0 输入信号幅值范围为o 一5 v ，以脑电信号平均为5 0uv 计算，要达 到采集满幅需放大1 0 万倍，这在设计中是有很大难度的，目前的脑电图机 最大放大倍数也只为5 万倍。但若考虑脑电信号最小值luv 能放大到毫伏 级采集芯片即能正确采集的话，放大倍数可适当降低。以8 位采集芯片 t l c 5 5 4 0 为例，其最大幅值为5 v ，则其分辨率约2 0 m v ，也就是能将l u v 的 信号放大到2 0 v 以上即可正确采出，总体电路放大需到2 万倍以上，最高 放大幅值2 v 以上。 2 i 2 设计可选择的方案 按照上述思路可以将放大电路分为三级，前置放大级、中间放大级和末级 放大级，分别放大5 l 倍、1 0 0 倍和4 倍，末级增益可调，以保证输出的线性度。 同时在前置放大级和中间放大级之间设置带通滤波，带通滤波由一个二阶高通 滤波器和两个参数不同的四阶低通滤波器组成在中间放大级和末级放大级之 7 安徽人学硕t ：学位论文基于f p g a 的脑电信号采集系统的设计 间设置陷波，信号经光电隔离送到采集电路。放大滤波电路整体框图如图2 - 2 。 龇墓妻一罢瓣。盂：i 叫髫+ 器一簇一：2 龇 图2 2 放大滤波整体框图 对于上述框图可以有二种方案可供选择： 1 ) 滤波和陷波采用模拟或数字的方式。 若不采用模拟方式，信号经过放大以后直接放到信号处理芯片中进行数字 滤波或陷波，有关内容在后面的相关内容中给予简要介绍： 2 ) 硬件电路采用分立器件或集成器件。 前置放大器可以使用运放自己搭建仪用放大器来实现，但一般所选运放参 数不太一致，构成的电路对称性较差，致使共模影响较大，故建议采用专用仪 用放大芯片，其输入阻抗高、共模抑制比高，如b b 公司的i n a l l 8 1 2 i 1 2 8 1 2 9 。 电路的放大、滤波和陷波可以通过运放构成，应尽量选用温飘小、共模抑 制比高的运放芯片，本设计中采用l m c 6 4 8 4 。现在对滤波器和陷波器也有成品， 一类是可编程滤波放大器或信号调理放大器，滤波器类型可更改，其滤波阶数 可达八阶，增益和截止频率均可调，如和成系统有限公司出品的1 6 1 u 可编程 滤波放大器和l a t t i c e 公司的i s p p a c 系列；另有一类是通用滤波器，如b b 公 司的u a f 4 2 ，通过更改外围电路的参数即可实现不同增益、截止频率及类型的 滤波或陷波器。上述两类成品设计电路方便，稳定性好，但价格昂贵，本设计 采用运放而不采用专用芯片设计。 对于三级放大也可以采用可编程放大器，如l a t t i c e 的i s p p a c l 0 、2 0 、3 0 “1 ， 均内置多个仪用放大器，放大器增益可通过编程调节，而且相互之间可以进行 级联，但价格较为昂贵，本设计采用运放构成的同相放大器。 2 2 信号处理电路的设计方案论证 信号处理电路将前级电路送来的模拟信号通过a d 转换后送入数字信号处 理芯片做一定算法分析如滤波、陷波、信号分离等，经处理的信号经v g a 显示 或l c d 显示，也可以将采集的数据通过串口、并口或u s b 口等送入计算机保存， 以便做进一步的算法分析。具体框图如图2 - 3 所示，图中虚框部分要根据具体 方案确定是否需要该部分，双向箭头表示数据的双向传输。 8 安徽大学硕 二学位论文 第二章设计方案论h e 图2 3 信号处理电路框图 2 2 1 a d 转换方案论证 a d 转换器的选择必须考虑来自光电隔离的信号特点：一是信号幅值应落 在a d 转换器的幅值范围之内。a d 转换器有单极型和双极型两种，单极型的 芯片会使得双极性信号产生削波失真。脑电信号属于正极性信号，但经过陷波 电路后，由于陷波电路的负反馈作用可能有负极性信号出现，所以在电路中设 置极性转换电路将其变为正极性信号，以适合某些仅支持单极性的采集芯片。 此外所选a d 转换器的幅值范围应尽量接近信号平均幅值，这样同样分辨率的 转换器采集的信号精度更高。二是转换器的采样速率尽量高一些。这样可以真 实的反映波形的细节。转换速率可分为超高速、次高速、高速和低速等几种类 型，从几赫兹到几个g 赫兹，但并不是越高越好，工程上一般取信号频率的8 1 0 倍为最佳，采样速率太高重复数据太多，太低就会忽略波形上的一些细节。对 于不超过l o o h z 的脑电信号而言，1 k 以上采样速率就可满足要求。三是转换器 精度尽可能要高。采集芯片的转换精度从8 位到3 2 位，在设计允许的情况下尽 量选择分辨率高的芯片，这样对信号的细微变化也能准确反映。 2 2 2 信号处理芯片的选择 在设计信号处理应用系统时，芯片选型是非常重要的一个环节。只有选定 了适合工程的芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。像上图中 的a d 转换、显示接口和与计算机通信的接口，都要随不同的硬件而作确定。 1 ) 用于数字信号处理的芯片。对信号实现算法分析除专门用于数字信号处 理的d s p 芯片外，还有a r m 和f p g a ，此外在虚拟仪器中加入d s p 模块也可以进 行数字信号处理。 9 安徽人学硕t 学位论文基于f p g a 的脑电信号采集系统的设计 2 ) 三种芯片的区别。a r m 有比较强的事务管理功能，用来做程序控制及显 示介面较好。但从a r m 9 e 开始支持d s p 指令集，使其可以适合于需要高速信号 处理的场合。d s p 主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势 是强大的数据处理能力和较高的运行速度。f p g a 具有很强的灵活性，可以根据 相关算法，利用芯片内的逻辑资源很方便的搭建硬件电路，对于一些较为成型 的算法，也可以使用i p 核来很方便的实现。在d s p 方面，a l t e r a 公司的d s p b u i l d e r 可以与m a t l a b 结合对自己设计的算法进行前期仿真，验证结果正确后 就可以直接下载到f p g a 开发板中。其与d s p 和a r m 芯片相比较，利用f p g a 设 计只需学习语句和结构并不复杂的v i i d l 语言或v e r i l o gh d l 语言，熟悉数字逻 辑电路的设计即可，而前两者则不但要了解其硬件体系结构，还要掌握汇编或 c 语言的编程，使用起来相对就复杂一些。 3 ) 可扩展性。三种芯片都有很强的扩展性，对外设都有很强的操控能力。 但是我们知道，任何外设都是在时序的控制下工作的，f p g a 本身就是一种可编 程时序逻辑芯片，只要按照外设操作时序严格编写程序，就可以很方便的控制 各种外设。不像其它的数字信号处理芯片，外设的连接有固定的端口访问地 址也要也要在内存中映射，访问较为麻烦；f p g a 的绝大多数端口是开放的，引 脚也可以根据外设需要互换，外设的控制芯片可以与f p g a 直接相连，只要f p g a 送出的时序正确，外设就能正常动作。因此，本设计采用f p g a 进行作为信号处 理的芯片。 2 2 3 显示与数据传输接口的选择 经过处理的数字信号一种可以通过在f p g a 外设置v g a 口输出到c r t 显示器 上，另外一种方式可以将液晶直接挂接到f p g a 的i 0 口上由f p g a 控制显示。 两种方式都有共同的地方是需要控制像素点在屏幕上的显示位置，对于v g a 显 示方式，共有5 个信号线可用：r 、g 、b 三基色及行、场同步信号。1 ，行场同步 信号按照显示器要求的工业标准由f p g a 产生，在行场的逆程期送出；需要显示 的脑电信号通过计算算出屏幕上的位置在相应行的正程期输出，逐行扫描的显 示器，当一场扫描结束则图像被显示到屏幕上。对于液晶显示方式，先计算出 波形在液晶屏幕的位置，通过对液晶的操作时序，将所需显示的像素点一个个 显示到液晶屏上，当屏显示结束时就有完整的波形显示出来。很明显，上述 o 安徽人学硕i ：学位论文 第二章设计方案论证 两种显示方式显示机理大致相同，但在与f p g a 连接上v g a 端口明显占用信号线 少，v g a 只用五根，而液晶除8 根信号线外还有时序控制的信号线。本设计采 用液晶显示。 经过处理的另外一路信号通过数据传输接口送入计算机作为数据保存。 f p g a 与计算机之间通信常采用串口或u s b 。相比较而言，串口电路较为简单， 但传输速率较慢，而u s b 接口电路较为复杂，传输速率较快。二者都需要依据 状态机描述数据收发的过程，且需要编写上位机程序。本设计选择采用u s b 接 口传输数据，并使用v b n e t 编写上位机数据接收程序。 采集部分方案的确定主要依据开发者对某种电路及其外围结构的熟悉程 度，以及编程语言的熟悉程度。本设计方案最终采