（测试计量技术及仪器专业论文）生物神经电信号采集系统.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在神经生物学领域，脑机交互接口技术有着重要的理论意义和应用价值。随着相关学 科和技术的飞速发展，脑机交互接口技术越来越得到人们的广泛关注。国际上多所著名大 学和研究所都开展了相关的研究工作。但是，国内在这一领域的研究才刚刚起步，对于系 统硬件构架和软件设计等技术的开发，并没有太多的现成经验可供借鉴。 本论文旨在通过研究，实现具有生物神经电信号采集和存储功能的软硬件系统，探索 在生物神经信号采集方面的可行性，为实现脑机交互接口系统做出基础性的研究。 论文对神经信号采集功能进行了分析，把采集功能划分成三个模块，一个模块完成整 体工作的一部分功能。本系统通过对植入式微电极和接口的设计和制作实现微弱神经电信 号的获取，通过对神经电信号的放大和滤波实现了神经信号采集的信号前期调理，设计了 对多路模拟信号的信号调理a f e ( a n a l o g f r o n te n d ) 模块来完成这部分功能；通过数字处 理d b e ( d i g i t a lb a c ke n d ) 模块负责对放大后模拟信号的模数转换和与p c 机的通讯，达到 双方数据通信以及控制信号通信的目标；在p c 机中，通过对d b e 模块传送来的波形数据 进行显示和存储，达到取得数据以供分析的目标，实现了对生物神经电信号的采集和存储， 为之后对信号的进一步分析提供了切实可行的方案。 主题词：神经信号；采集；放大；显示；存储 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do fn e u r o b i o l o g y , b r a i n m a c h i n ei n t e r f a c e ( b m i ) i sc o n s i d e da sat e c h n o l o g y w i t hg r a t es i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i v ev a l u e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o r r e l a t i v es u b j e c t a n dt e c h n o l o g y , b m ii sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n m a n yf a m o u si n t e m a t i o n a l u n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u d e sh a v ed e v e l o p e dr e l a t i v er e s e a r c h b u ta tt h es a m et i m e ，t h e r e s e a r c h i n gi no u rc o u n t r ya m o n gt h ef i e l di sj u s tc o m m e r c e d s ow eh a v en oi d e aa b o u tt h e p i v o t a lt e c h n o l o g yo fb m i ，s u c ha sh a r e w a r eu n d e r s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fb m is y s t e m w h a ti st a l k e di nt h i sp a p e ri st od e v e l o pan e r u os i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ho i l l r e s e a r c hi nt h eb m if i e l d b ys e e k i n ga f t e rt h ef e a s i b i l i t yi nt h ea c q u i s i t i o no fn e u r os i g n a l s ，i t c o u l db er e g a r d e da sab a s i cr e s e a r c hi nt h ed e v e l o p m e n to fb r a i n - m a c h i n ei n t e r f a c e w ed e v e l o pt h r e em o d u l e st od e v e l o pt h es y s t e m t h ef i r s tm o d u l ei sn a m e da sa n a l o g f r o n t - e n dm o d u l e ，a st h i sm o d u l ec a ng e tt h ef e e b l ea n a l o gs i g n a l sf r o mt h eb r a i nb yu s i n ga n e m b e d d e de l e c t r o d es u i t ew eh a v ed e s i g n e da n dm a d e ，a n di tc o n t a i na m p l i f i e r sa n df i l t e r sf o r t h es i g n a l sf r o mt h ee l e c t r o d e s t h es e c o n do n ei sn a m e da sd i g i t a lb a c k e n dm o d u l e t h i s m o d u l ei sd e s i g n e dt 0c h a n g et h ea n a l o g ys i g n a l si n t od i g i t a ls i g n a l s ，a n db yc o m m u n i c a t i n g w i t hp cm o d u l e ，t h et h j r dm o d u l e ，i tt r a n s m i t st h ed i g i t a ls i g n a l si n t op c t h ep cm o d u l e d i s p l a y sa n ds a v e st h es i g n a l s a n dt h es i g n a l ss a v e di nt h ep cm o d u l ec a nb ea n a l y s e di nt h e f u r t h e rr e s e a r c ht og e tac o n c l u t i o n w i t ht h e s et h r e em o d u l e s ，w er e a l i s et h ea c q u i s i t i o no ft h e n e u r os i g n a l s w i t ht h e s ew o r k sa l r e a l yd o n e ，i tw i l lb ef e a s i b l et oa m e l i o r a t et h i sn e u r os i g n a l s a c q u i s i t i o ns y s t e mt ob em o r ea n dm o r eu s e f u l k e y w o r d s ：n e u r os i g n a l s ；a c q u i s i t i o n ；a m p l i f y ；d i s p l a y ；s a v e u 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电大学或其它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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：生建趑日期：塑z 丝坐 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：盔砻匕燧导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 1 1研究意义和现状 第1 章绪论 人类的大脑，被认为是世界上结构最为复杂的物质之一。这个重量只有1 5 公斤，体 积约6 0 0 立方厘米的物体，是由1 0 1 2 个神经元单位组成，而这些神经元节点之间所形成的 突触连接数量更是达到了1 0 1 4 这一天文数量。根据h e b b 于1 9 4 9 年提出的细胞集群学说即 著名的h e b b 假说，人类的所有学习( 1 e a r n i n g ) ，认知( c o g n i t i o n ) 以及记忆( m e m o r y ) ， 都是以大脑神经元节点之间动态的突触强度这一形式来进行编码的。一直以来，人们都试 图了解大脑是如何对信息进行处理和编码的。但是，由于研究手段的限制，大脑的工作机 制一直是一个谜。 随着神经科学的不断发展，以及电子和计算机技术的飞速进步，一个结合了多个学科 知识和技术的全新领域，脑机交互接口( b r a i nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 技术产生了。脑机交互接 口技术有着巨大的理论意义和应用价值。首先，这项技术通过对脑部神经信号的直接分析， 有助于我们进一步了解大脑的工作图景，为我们破译大脑的奥秘提供了一项强有力的工 具。其次，在实际应用中，也有很大的价值。如果能够用我们的思想直接对外界设备进行 控制，将对人类和外部世界的互动方式产生巨大的影响。传统的机械操作方式将会为新的 神经控制技术所代替，而对于那些丧失了肢体控制能力的人们来说，这项技术不缔为一种 福音。那些瘫痪症患者，可以用自己的思想来操作电脑甚至是机器人来完成一些自己已经 无法完成的动作。而在军事和工业上，这项技术可以带来更安全，更精确快速的控制方式。 例如，在未来的战场上，士兵可以通过脑部信号远程遥控机械装置执行任务，避免了潜在 的危险和人员的伤亡。( w i c k e l g r e n ，s c i e n c e ，2 0 0 3 ) 脑机交互接口的概念最早是在8 0 年代提出的，但是由于当时电子和计算机技术的相 对落后，一直无法达到实用阶段。近年来，随着相关学科和技术的飞速发展，脑机交互接 口技术越来越得到人们的广泛关注，成为国际上研究的热点问题之一，国际上多所著名大 学和研究所都开展了相关的研究工作。特别是在结合了数字信号处理( d s p ) ，微机电系统 ( m e m s ) 等尖端技术后，在这一领域出现了许多振奋人心的结果。举例来说，1 9 9 6 年，科 学家通过在大鼠的脑中植入了4 6 通道的微电极，使得大鼠可以依靠单纯的脑电信号来按 动按钮，获得奖励。2 0 0 0 年，杜克大学和宾西法尼亚医学院的一项合作成果中，在眼睛猴 的运动相关脑区植入了1 2 8 通道的微电极阵列，通过对数百个神经元信号的监测和分析， 使动物可以在不依靠肢体的情况下，直接用意识来指挥一个机械手臂完成各种复杂的动 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 作。这只机械臂甚至可以在相隔千里的另外一个城市，动物仍然可以通过网络信号传输来 对其进行精准的控制。在2 0 0 0 年 2 0 0 3 年，斯坦福大学，密西根大学以及犹他大学分别 研制出可以长期稳定地对神经活动进行监测的慢性植入式微电极阵列。2 0 0 5 年，布朗大学 医学院将一枚神经芯片植入一位严重的瘫痪症患者脑中，这名患者可以用意识来控制电脑 的指针，从而对室内的各种机械装置进行操纵。除了大学和研究所进行的科研工作外，一 些公司已经研发并推出了商业性的产品，应用在科研和医学领域。随着研究的不断深入， 目前这一技术体现出以下一些发展趋势：首先，系统往小型化，集成化以及无线化方向发 展。随着微电子以及机械制造技术的不断完善，有望出现更便于携带，更持久，更精确的 小型信号采集分析系统。其次，系统的计算能力也将得到大大加强，目前是在对数百个神 经元活动进行监测的基础上，利用计算机实现对信号的实时在线处理和分析，并应用于实 际操作，为了使得控制更加快速和精确，需要更强大的信号采集手段和分析计算能力，对 上千，甚至是上万个神经元的活动进行监测和分析。还有，以往的大部分工作都是在动物 实验上进行的，但是随着不断的积累，这一技术也越来越多的应用到临床资料等领域，实 用性也大大增强。 但是，国内在这一领域的研究还刚刚起步。少数研究机构通过引进国外的先进设备， 正尝试开展有关的探索和研究。但是对于系统硬件构架和软件设计等关键性技术环节的开 发，并没有太多的现成经验可供借鉴。 1 2研究目标与内容 本课题就是要通过在这方面的研究，实现具有生物信号采集和存储功能的软硬件系 统，探索在生物神经信号的采集方面的可行性，通过研究和探索，在这方面做出基础性的 研究。这是下一步实现脑机交互接口系统开发的基础。 为了实现这个目标，必须解决两方面的问题： 神经信号的提取和处理 神经信号的采集和存储 1 2 1神经信号的提取和处理 神经细胞产生的电信号分成两大类。第一类是局部的分级电位，由外来刺激所引起。 第二大类是动作电位，它由局部的分级电位产生。与局部电位不同，动作电位迅速地作长 距离传播。发生在神经元中的动作电位，其振幅和时程是固定不变的，就象莫尔斯电码中 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 的点一样。这种动作电位的产生和传递方式为人类对其采集和研究提供了可能性。下图描 述了神经信号采集的原理。神经信号的提取和处理包含以下三个主要的工作。 图1 1神经信号采集 植入式微电极的设计和制作 植入式微电极要有良好的生物相容性和抗腐蚀能力，可以对生物脑组织的神经电活动 进行稳定和长期的记录。同时，不能引起生物组织强烈的排异和免疫反应，导致对组织的 伤害或者信号质量的下降。在保证微电极的小型化同时，其记录通道越多越好，以便对尽 可能多的神经元活动进行监测。这就对微电极的材料、设计以及制作提出了很高的要求。 一根植入式微电极，就是一个通道。在系统开发实验阶段，我们设定采集通道为8 通道。 微电极的埋植以及护理 由于脑部微电极的植入是一项非常精细的工作，所以必须借助显微外科技术和立体定 位设备，将微电极植入特定脑区并进行固定，以将对脑组织的伤害减少到最小。同时，为 了保证今后信号长期的提取，手术后的持续护理也是必不可少的。 微弱神经电信号的放大和处理 生物的神经信号是非常微弱的，其幅度只有数百微伏。这么小的信号不但无法满足后 期处理的需要，其抗干扰的能力也很差。所以有必要对其进行信号调理，包括放大( 通常 要放大几千甚至几万倍) 和滤波( 消除掉无用的背景噪声和干扰) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 1 2 2神经信号的采集和存储 神经信号的采集和存储有两个主要工作： 神经信号的采集，转换及显示 经过放大和滤波后的神经电信号必须以一定的采样速率进行模数转换，将模拟信号转 换为易于处理的数字信号，并且通过某种通讯方式传送给计算机，并在计算机中提供信号 波形显示方案，方便实验操作者对实验采集的波形进行观察。 神经信号的存储及分析 传送到计算机中的有用波形数据必须以一定的数据结构存储为波形文件，以供后期使 用计算机进行进一步处理和分析。处理和分析的软件可以对实验采集到的波形文件进行离 线处理，对采集到的信号所包含的信息进行分析，得出有用结论。 1 3系统概述与结构分析 1 3 1功能概述 根据上面所述的系统研究的目标可知，本系统是一个对微弱神经电信号的采集和处理 系统。它要实现的功能有： 对微弱神经电信号进行获取，放大和滤波 将滤波后的信号进行模数转换 通过某种通讯协议与p c 机通讯，把波形数据送入p c 机 p c 机对得到的数字信号进行显示及保存等处理 利用p c 机来产生控制信号，控制采集工作的进行 1 3 2结构分析 根据上述的系统功能概述，可以将系统结构划分成几个模块，对各个模块做如下分析： 信号调理模块a f e ( a n a l o gf r o n te n d ) - 该模块实现的功能是：对微弱神经电信号进行放大和滤波。同时与数字处理模块d b e 模块通过接口相连，接收d b e 模块产生的控制信号，根据控制信号确定本模块的工作方 式。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第1 章绪论 本模块具体实现如下几个工作： 令提供各通道组合方案以及与d b e 模块接口 令各通道信号放大和滤波 差分放大参考信号选择 令放大倍数选择 数字处理模块d b e ( d i g i t a lb a c ke n d ) ： 该模块具体的功能是：连接上下两个模块，即a f e 模块和p c 控制处理模块。一方面 接收来自a f e 模块各个通道的模拟信号，进行时分模数转换；并且通过某种通讯协议提供 在p c 机及本模块之间的通讯。由于现在的十兆，百兆网卡技术成熟且是p c 机的必备设备， 本系统的设计采用t c p i p 协议来实现d b e 模块与p c 机之间的通讯。由于d b e 模块与 p c 机采用直接互连，不经过网络路由器，不会产生数据包顺序混乱的问题，而且传输可靠 性有较好的保证，所以我们选用了不需要建立连接的u d p 通讯协议，通过u d p 通讯协议 将转换后的信号数据送入p c 机以供后续处理。另一方面，本模块通过接口与a f e 信号调 理模块相连，接收来自前端模块的模拟信号；同时产生控制信号，控制a f e 模块确定工作 方式。d b e 模块使得上下之间通过数据通讯和控制信号通讯结合起来，成为一个完整的工 作模块。本模块实现的功能列举如下： 提供与a f e 模块的接口 对模拟信号模数转换 夺与p c 机通讯 夺产生控制信号控制a f e 模块工作 p c 控制处理模块： p c 控制处理模块实现的功能是：组织本采集系统的工作。通过与d b e 模块的通讯接 收数字处理d b e 模块送来的波形信号数据，将其在p c 机上显示出来。同时在界面上设置 模式选择按钮，为使用者提供简便直观的控制方式。 与d b e 模块的通讯 通过d b e 模块，控制a f e 模块的工作方式 显示各个通道的波形 令对信号数据加以存储，以供后续分析 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 整个系统的结构图如图1 2 所示。 图1 - 2系统结构图 下面就根据系统分析逐模块地加以具体分析和实现。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章信号调理模块设计 第2 章信号调理模块设计 信号调理模块( 简称：a f e 模块，a n a l o gf r o n te n d ) 是整个采集系统的基础。本章将 对a f e 模块进行详细介绍。a f e 模块由8 个基本神经信号调理通道组成。一个通道负责 一路神经信号的放大和滤波。同时，a f e 模块根据组合方案，将8 个通道有序地组合起来， 提供与后续模块d b e 模块的接口，并且具有对各个通道时分选择的功能，可以用单个的 a d 转换芯片进行多通道的模数转换。 神经信号在进行采集之前，必须先经过放大和滤波，所以，本章首先对信号的调理和 单通道电路的实现做详细介绍。然后把单通道电路组合起来，形成一个完整的a f e 模块， 实现1 3 2 节中介绍的a f e 模块的所有功能。 2 1信号调理总述 单通道的主要功能就是实现单路信号的采集，滤波和放大，使得微弱的神经信号可以 转化成适于转换的大信号。根据参考文献对神经信号特点的介绍得知，其幅度只有1 0 0 i | v 级别，如此微弱的神经信号需要经过如图2 1 所示的几个步骤的调理之后，才可以送入后 续的d b e 模块进行进一步的模数转换处理。 单通道电路组成部分 广_ f _ r 微电极卜f 转接口。卜叫前放电醚卜_ 叫主放电路 塑圄幽幽燧 图2 - 1单通道电路组成部分 下面对各个组成部分分别做详细论述。 2 2微电极 微电极用于插入实验动物的脑部以提取神经元动作电位信号。动作电位是用细胞外电 极从外周神经记录到的。在中枢神经系统中，从一个神经元或一群神经元作记录，用的是 细胞外电极，此电极由单根或多根绝缘金属丝构成。根据神经生物学实验的要求，微电极 7 宴曼竺曼奎堂婴主! ! 塞生兰t ! 堡苎 里! 兰篁! 塑里堡竺堡生 采用3 5 微米的电极丝为原料，电极丝外层有t e f l o n 绝缘。将电极丝排列成2 x 4 的矩阵， 再焊接到转接口电路板上的过孔里，再用硅胶加以密封。测量电极丝的阻抗时施加1 k h z 的信号，测得电极丝的阻抗范围在5 0 0 k i m 欧姆属于比较理想的范围。电极丝经过清洗 平兀消毒后，可以进行脑部植入手术。手术过后一周左右，动物头上的伤口愈合，就可以进 行信号采集实验。 2 3转接口 电极一个通道一根，为了方便实验时的使用，把8 根电极组成一组排列，这就需要设 计一个转接口电路来排放电极，使电极易于与后续的前放电路相连。转接口的电路p c b 图 如下所示。图中圆形过孔一端用于排放与连接电极丝，另一端是与前放电路的接口，本系 统为了节省空间，采用的是1 2 7 m m 间距的连接器。转接口电路板用的足排母，前放电路 用的是排针。 2 4 前放电路 图2 之转接口p c b 图 由于电极的阻抗较高，后续电路很难采集到信号。所以要进行阻抗匹配。这里t 需要 一个前放e e e - 来完成这个工作。这个前放电路需要与电极及转接口连接，一起放置在最町 能接近头部的地方，蚍便于最大程度地采集微弱神经元信号，便于后续电路的丁作。一般 地说，微电极与阻抗匹配电路板的距离越近越好，所以，最好把这个前放屯路放在实验动 物的头部，我们称这个前放电路板为：“h e a ds t a g e ”。 我们采用的阻抗匹配电路是利用集成运放组成一个电压跟随器，起缓冲、隔离、提高 带载能力的作用完成输入阻抗大而输出阻抗小的转换。电压跟随器的输入阻抗高，基本 没有分流，输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状 态因而对前后级电路起到“隔离”作用，使前、后级电路之间互不影响。这个电路虽然 8 卫要唑! ! 查芏里兰坐釜兰芏垡堡三 苎! 翌堕! 塑翌堡堡垡：! 简单，电压放火倍数近似为1 ，但是输入的微弱电流却可以在输出端得到放大，而且信号 幅度保持不变，使得后续的主放电路可以最大限度地提取来自电极的神经信号。一般常选 择电压跟随器信号通道的传输带宽为晟高信号频率的1 0 倍或适当提高，本系统采集的信 号信号频率在7 5k h z 虬内，选用芯片的带宽为1 8 5 m h z ，符合对所采集信号的要求。本 系统的前放电路采用对主放电路板外层和接口用胶水封同进行固定以及隔离电气干扰等 抗干扰措施，使得主放电路对来自植入式微电极的微弱信号的提取达到目标， h e a ds t a g e 的电路原理图及p c b 图如下所示： 2 5主放电路设计 鲤剥 隧霸 圈2 - 3h e a ds t a g e 电路原理图与p c b 图 2 5 1单通道电路设计 单通道主放电路用于将各路前放送来的微弱电信号加以放大及干扰滤除。根据神经元 电信号的特点，我们将放大电路分成三级( 第一级放大，第二级差分放大和第三级数字可 调放大) ，同时加以二阶高通及四阶低通模拟滤波器。根据国外的相关文献对生物神经电 信号特点的介绍，可知所采集信号的有用频率集中在3 0 0 h z - 75 k h zz l n q ，我们的放大电路 滤波特性设置取了如下滤波电路详述中的滤波值，三级放大电路的放大倍数范围设置为 1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。具体元器件取值及封装型号出于知识产权的考虑，不便在此列出。电路图 请看图2 - 5 单通道主放电路。 2 5 i 1 第一级放大 由第一级放大的电路可得： ii ( ，) ：j ，耶) ：羔五草基 ”赢”砺 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章信号调理模块设计 第一级放大的倍数为：“惫_ 1 0 0 第一级放大电路同时具有滤波功能，其频率设置及其公式为： 高通滤波器所设的频率为：厂2 荔杀百- 2 1 2 h z 低通滤波器的频率为：厂= 2 , r l r = c , 2 1 。5k h z 2 5 1 2 第二级差分放大 由上图所示的第二级差分放大电路可知，差分放大电路的传递函数为： v o u t = ( 肌嘲备 其放大倍数为1 0 ，它是由我们所选的运放芯片内部预设好的。本级放大电路提供了差 分放大功能，可以把输入信号与差分参考信号进行差分放大，抑制零点漂移，增强放大电 路的抗干扰能力。 ；。- - 。二。； ； r d 2 ； v i n：r d l o - ，、八， - o - - ， v r e f ； r d l | 辜r d 2 i ：- - - 。1 - - - - - 2 2 5 1 3 第三级可调放大 由图2 - 5 的第三级可调放大电路可得： 放大电路的传递函数为： v o u t = 脚静 第三级可调放大倍数可变，其调整的范围为：1 3 0 倍。 u t 如上的分级放大电路设置可使三级放大电路总的放大倍数可达：1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 ；量 图2 5单通道主放电路 l l 第2 章信号调理模块设计 渣l 赌建汁 渣簿啡串游汁 琴爵崮器簿 为 ，? ? 目琴奔茵器簿 肄带捌盛肄汁 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章信号调理模块设计 2 5 1 4 二阶高通滤波器 如图2 - 6二阶高通滤波器所示，本高通电路采用的是常用的s a l e n k e y 高通滤波器。 其传递函数为： 耶，2 霸耵g s 2 磊黼g - 1 + 冬， 高通频率为：厂= 荔磊i 互2 1 2 3 h z 卜i f i 、i c 4 i f ， 朦 卜l l c 4 r 6 耋奎7 u ，曼 图2 - 6二阶高通滤波器 2 515 二阶高通滤波器 如图2 - 7四阶低通滤波器所示，本高通电路采用的是常用的四阶s a l e n k e y 低通滤 波器。其传递函数为： 黔褊濮帆g - 1 + f e , 9 石2 志- 9 5 此 州2 褊一1 + r _ 1 _ _ _ z 2 壬2 丽1 = 1 0 7 此 图2 - 7四阶低通滤波器 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章信号调理模块设计 2 5 2数控变阻器 对于芯片的选择，根据所要采集信号对芯片特性的要求，通过对各种芯片特性的比较 之后，确定了几个噪音低( 低至1 2 力矿瓦) ，共模抑制比高( 7 0d b 以上) ，工作电源范围 宽( 2 2 到8 伏均可工作) ，漂移电流小( 典型值为l p a ) 的放大器芯片。具体芯片均 具有运算放大器芯片的一般功能特性，在所有的模电教材均可知道它们的工作方式，不需 要做特别介绍，出于知识产权的考虑，其型号和封装不便在此列出。 关于我们选用的数控变阻器，其工作方式不见于一般的教材资料，有必要在此做简单 介绍。r 1 4 选用m a x i m 公司的m a x 5 1 6 0 。这是一种数控变阻器，通过三个控制信号( c s ， u d ，i n c ) 的组合可以用数字信号控制它所表现的电阻值它是一款低功耗，低电源电压的 数字可控可变电阻。它的总阻值为2 0 0 kq ，有3 2 级可控等级，它的功能框图和引脚描述 如下所示： 图2 - 8m a x 5 1 6 0 功能框图 纠n n a m e f u n c t i o n u a x 6 1 6 0u a x 5 6 1 t5雨虿 w j p e ri n c r e m e n tc o n t r o li n p u t w i t h 醑l o w h i g h - t o - l o wt r a n s i t i o ni n c r e m e n t s ( u 5h i g h ) o rd e c r e m e n t s ( u 而i o w ) t h ew i p e rp c 雠i o n 24叫d u p d o w nc o n t r o li n p u t w m 蕊l o w ah l c j l h - t o - l o w 丽t r a n s i t i o ni n c r e m e n t s u 瓜h ；g h o rd e c r e m e n t s ( u 万i o 时t h ew i p e rp c 醯l o n 3 2h h i g ht e r m i n a lo fr e s i s t o r 43g n dg r o u n d 5 w w i p e rt e r r n i n a to fr e s i s t o r 61ll o wt e r m i n a lo fr e s i s t o r 7器 c h i p - s e l e c ti n p u t d r i v el o wt oc h a n g et h ew i p e rp o t a t i o nt h r o u g ht 陋a n du 卮 8 6v d d p o w e r s u p r ，f y 图2 9m a x 5 1 6 0 引脚描述 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章信号调理模块设计 借助m a x 5 1 6 0 的数字可控功能，就可以接收来自p c 机的控制，由d i g i t a lb a c ke n d 模块产生的控制信号直接改变其阻值，由此实现放大倍数的数字化可调功能。 2 6组合电路设计 组合电路所需达到的功能有： 组合各个单通道的放大电路， 提供输入输出口连接方案 实现差分放大电路的v r e f 信号数字可控选择 分时选择各个通道，使得各通道可以复用a d 转换器 2 6 1组合电路原理图 根据上述要求，画出组合电路原理图。 下图是简化的组合电路原理图。其中，8 个横向的放大简图各自表示图2 5 的一路主 放电路。它集合了8 路单通道放大电路，并通过两个4 选一的多路复用器芯片和三个数字 开关，设计了一个差分放大电路的可选参考信号v r e f 输入。三个开关实现不同的功能。介 绍如下： 总开关； 打开：8 路分为上下两个4 路各选一个参考信号进行差分放大 闭合：8 路共同选用一个参考信号进行差分放大 开关上： 夺打开：控制上面4 路选用4 ：1 复用器选定的一路为参考信号 闭合：控制上面4 路选用地为参考信号 开关下： 打开：控制下面4 路选用4 ：1 复用器选定的一路为参考信号 闭合：控制下面4 路选用地为参考信号 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章信号调理模块设计 v i n i v i n 2 v i n 3 v i n 4 v i n 5 v i n 6 v i n 7 v i n 8 2 6 2控制信号设置 图2 - 1 0 多通道组合电路原理图 如图2 1 0 多通道组合电路原理图所示，根据所选芯片的功能和组合电路所需的控 制信号，设置控制信号列表如下： 表2 1控制信号列表 芯片控制引脚个数 描述 数字开关； lx 3 ( u l ，u 2 ，u 3 )一个开关有一个控制信号 4 选一复用器： 2 2 ( u 4 ，u 5 )一个复用器两条地址线 8 选一复用器： 3 1 ( u 6 )复用器有三条地址线 各放大器芯片： 1 1共用一个s h d n 控制信号 数控变阻器： 3 l共有三条控制线：c s ，u d ，i n c 图2 1 l 为系统与d b e 模块的接口，其中的芯片控制信号请看表2 1 。 图2 1 1 输出接口引脚定义图 1 5 曰 南京电大学硕士研咒生学位论立第2 章信号调理模块口t 2 7a f e 模块实现 综上所述，定义了备通道的细节及组合结构之后，便可以利用p r o t e l 工具画出电路 p c b 图。由于所画的电路板接线多，控制信号多，所以选用四层板( 两层中间层加上下表 面层) 米完成电路。上表面布置芯片和电阻电容元器件，走信号线，中间层和下表面走电 源，地线和控制信号线。画好的p c b 图如下图所示。 图2 - 1 2a f e 梗块p c b 图 至此，a f e 模块的设计已经完成，a f e 模块实现了在系统概述中所描述的功能。本模 块的重点在于对微弱神经信号的调理。经过测试，当输入信号接地时，此时可认为各个通 道输出信号为噪声，当放大倍数定为晟小( 约为1 0 0 0 倍) 时，其幅度级别只有1 0 m v 。以 从国外购买的腩神经信号仿真器产生的实际仿真波形( 此波形的大小及形状均与实际动物 脑电波形样) 为输入信号时，其放大后的输出波形完全符合文献介绍的波形特征。经过 试验，对神经信号的采集指标达到幅度分辨率和频率范围的要求。 完成了a f e 模块的功能实现之后，下面将对如何规划和实现d b e 模块做详细论述。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章数字处理模块分析 第3 章数字处理模块分析 3 1d b e 模块功能分析 数字处理模块( d b e ：d i g i t a lb a c ke n d ) 是信号调理a f e 模块与p c 端控制处理模块 之间的连接模块：在两者之间起着重要的承上启下的连接作用。它一方面对采集自a f e 模 块的模拟信号进行模数转换，将所得的数字结果加以格式化，并将最后所得的数据通过网 络接口传输给p c 端软件；另一方面，它接收来自p c 端的一级控制信号，通过解读这些信 号，在相应的引脚产生最终的二级控制信号，控制a f e 模块的工作模式。下面，将对这个 模块实现的各个功能进行详细论述，包括：控制功能，采集功能和通讯传输功能。 可以从图3 1 中可以直观的看出来d b e 模块在整个采集系统中的作用。 知鹏 图3 1d b e 模块在系统中的作用 3 1 1控制功能模块设计 d b e 模块接收来自p c 机的一级控制信号，产生二级控制信号来控制a f e 相应的引脚， 通过这样的方式来实现对a f e 工作方式的选择。根据第第2 章章的工作方式介绍，可以对 控制信号分为如下2 类： 参考信号选择控制： 根据第一章的介绍，本系统的差分放大信号是可以自由选择的。参考信号选择是通过 两个多选一芯片a d 7 0 8 和三个控制选择的单刀单掷s p s t 开关m a x i m 4 6 2 6 实现的。a d 7 0 8 1 7 若 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章数字处理模块分析 芯片的控制引脚连接至d b e 模块和a f e 之间接口，a r m 芯片的g p i o 引脚产生控制信号 给这个接口中的复用芯片相关引脚，这样就可以控制参考信号的选择。各个开关的开闭实 现的信号选择模式可参考第1 4 页的2 6 1 组合电路原理图这一节。参考信号选择程序接收 p c 端控制程序产生的开关状态控制信号，解读之后，控制与a f e 接口连接的相应引脚 ( i n ， ) 产生正确的输出值，从而控制参考信号选择开关的开闭。_ u 1i n u 2r n 放大倍数选_ 择u 3 控制： 本系统的放大倍数数字可调是通过美信公司的数控电位器m a x 5 1 6 0 来实现的。 m a x 5 1 6 0 可通过三个控制信号( c s ，u d ，i n c ) 的组合，用数字信号控制它所表现的电 阻值。m a x 5 1 6 0 控制方案见图3 - 2 。 c su 田i n c r w hx x - xx0 l lto l h to ll上 l hj r+ x d o n t c a r o 0 一p r e v i o u ss t a t e + 一扔c r e m e n t 一d e c r e m e n t 上一h i g h - a ，4 _ o wt r a n s i t i o n 个tlo w - t o - h i g ht r a n s i t i o n 图3 - 2m a x 5 1 6 0 控制引脚真值表 m a x 5 1 6 0 的上电重启阻值为总阻值的一半( 就是t a pp o s i t i o n 位于图3 3阻值 增量图中“1 7 的位置，阻值为1 0 0 k q ) 。根据上图所示，t a pp o s i t i o n 增加或减少一 级，m a x 5 1 6 0 的w 和l 引脚间的阻值就增加或减少6 2 5 k f 2 。 e 肛t 口e _ nr e s l s l r a l l c l v t a pp o s i t i o n 2 0 岫 1，1 了1 1刁口口 t a pp o g t l 0 - 图3 3阻值增量图 在采集信号的时候，如果放大倍数过大或过小引起采集到的信号不适合于显示与处 理，就可以通过p c 控制程序，调整m a x 5 1 6 0 的阻值，使采集到的信号回归最佳值。 d b e 模块控制功能的实现涉及到a r m 芯片的引脚配置和g p i o 控制。相关的硬件控 制方式见3 2 2 节。 1 8 渤荡m 艿 童岩童罄z 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章数字处理模块分析 3 1 2采集功能模块设计 采集功能是d b e 模块的最基本的功能。这个功能需要实现对来自a f e 模块的8 路模 拟通道的固定采样率的采集。它通过对a f e 模块上的多路复用芯片u 6 ( 8 1m u x ，a d 7 0 8 ) 的控制，实现对来自a f e 模块各个通道的信号进行时分采集，每次采集需要遍历所有8 个通道。每转换一个通道，就使用l p c 2 2 0 0 内置的高速a d 转换器，对这个通道的模拟 信号加以模数转换，并对所得结果进行按一定格式的存储，存储在预先设置的缓冲区中。 缓冲区存放满后，使用u d p 通讯协议将缓冲区中的信号数据发送到p c 机中。 为了实现信号采集的固定采样率，需要定时运行数据采集子程序。本系统是利用 r t c o s i i 实时操作系统来管理各个任务的( 有关i t c o s i i 操作系统的介绍请看4 2 节) 。 数据采集子程序定义为一个优先级最高的任务，每次采集后挂起任务，等待信号量，通过 中断程序中的服务程序来发送信号量，调度运行最高优先级的数据采集任务，运行完毕后 又挂起任务。采集任务的流程图如图3 - 4 所示。 3 1 3通讯功能模块设计 图3 - 4采集程序流程图 d b e 模块的另一个重要功能是与p c 端的通讯。这个功能起着控制信号与数据信号的 上传下行的数据通路作用。d b e 模块的传输功能负责d b e 模块与p c 控制程序的连接，负 责控制信号以及所采集的信号数据的传递，是系统的重要接1 2 1 。 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章数字处理模块分析 系统开始运行时，p c 端与d b e 模块需要通过u d p 协议通讯，d b e 模块接收p c 端发 送来的双方定义好的代表“参考信号选择方案的数据。d b e 模块将这些数据存储在特定 的变量中，并在系统开始采集之前，通过运行d b e 模块的控制功能相关程序，设定好d b e 模块的工作方式。 系统采集数据时，每当缓存区满的时候，就将采集到的数据发送到p c 端以供接收与 处理。不发送数据的时候，如果接收到来自p c 端的代表改变放大倍数的数据，表示需要 改变放大倍数，就通过控制m a x 51 6 0 的阻值来改变放大倍数。通过这样的方式，达到实 时控制放大倍数的目的。 由于我们的实验环境是d b e 模块与p c 机直接相接，不存在经过路由器分流的情况， 在现有的条件下，出错的概率较小。这种情况符合u d p 通讯协议的使用条件，相对于需 要建立连接的t c p 传输协议，u d p 传输可以节省传输时间。所以，传输功能使用t c p i p 协议簇的u d p 协议来进行，通过r j 4 5 的网络接口来连接。利用a r m 芯片来控制外接网 卡芯片r t l 8 0 1 9 a s ，可以实现a r m 芯片与p c 机的u d p 协议的信息传输。 d b e 模块的三个主要功能已经介绍完毕，下面对本系统所使用的l p c 2 2 1 4 芯片，以 及芯片中与这几个功能的实现相关的硬件结构和控制寄存器做简单介绍。 3 2相关硬件电路 3 2 1芯片介绍 一 本系统的数字处理模块的设计选用的微控制芯片是l p c 2 2 1 4 芯片，它属于p h i l i p s 公 司的a r ml p c 2 2 0 0 系列。l p c 2 2 0 0 系列芯片是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s 核的c p u 微控制器，并带有1 2 8 2 5 6k 字节( 1 ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。 1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代 码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u