便携式脑电采集处理系统的设计与实现

第十一届中国研究生电子设计竞赛技术论文论文题目：便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现DesignandImplementationofaPortableSignalsAcquisitionandProcessingSystem参赛单位：西京学院队伍名称：XXCS指导老师：邱力军完成时间：2016618目录摘 要 1ABSTRACT 2第1章引言 3研究背景和意义 3有关脑电信号的分类 4自发脑电 4诱发脑电 4第2章方案设计与论证 6系统方案设计论证 6系统方案设计 7第3章系统硬件设计 8前置主放大电路 8滤波器 9高通滤波器 950HZ带通滤波器 错误未定义书签。低通滤波器 错误未定义书签。后置隔离放大电路 错误未定义书签。A/D转换电路 错误未定义书签。电路仿真 错误未定义书签。放大电路模块仿真 错误未定义书签。滤波电路模块仿真 错误未定义书签。滤波电路模块仿真 错误未定义书签。FPGA配置电路 14SDRAM存储电路 14FLASH存储器电路 15USB接口电路 16第4章系统软件设计 错误未定义书签。FPGA程序 错误未定义书签。USB驱动程序 错误未定义书签。PC机应用程序 错误未定义书签。TFT控制器FTIP核 16脑电波显示程序 16第5章系统功能实现 错误!未定义书签。运行程序 216采集信号 22波形测量 23波幅测量 23频率测量 23数据处理 24地形图 25棘波图 26压缩谱阵 265.4.3生成报告 27第6章总结与展望 错误未定义书签。技术总结 28创新点 286.3展望 29参考文献 30第十一届中国研究生电子设计竞赛第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现摘 要人体生理与病理信息，通过对EEG信号的研究,可以了解神经细胞电活动与人体生理心理状态之间的关系。针对常规脑电图机体型较大,携带不方便,对操作要求过于专业且导联数较EEG信号研究的基础上设计了Windows系统下实现对EEG信号进行实时采集、分析处理、显示和存储的EEGEEG信号研究的发展趋势，满足现代在临床之外对EEG信号研究提出的新要求。系统设计包括：设计了EEG信号的放大和滤波电路。主要包括前置放大器，高、低通滤波器、50HZ带通滤波器，后置放大器的电路设计。设计了EEGFPGA过放大、滤波、隔离之后，采用AD7920作为A/D转换器进行采样。经过数FIFO缓存，然后在FPGA控制下经过USBPCPCUSB接口接收的脑电数据并绘制脑电波形图，根据波形数据进行相关分析等功能。设计了信号采集处理软件对USB接口送来的数据进行分析处理,并将处PC统，可以对用户信息和脑电信号进行存储和编辑等操作。关键词：EEG信号；FPGA；电路；程序1便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现ABSTRACTEEGistheelectrophysiologicalactivityofnervecellsinthecerebralcortexandthescalpsurfacephenomena.Asakindofbioelectricitysignal,EEGsignalcontainsrichinhumanphysiologicalandpathologicalinformation,throughthestudyofEEGsignals,totherelationshipbetweenunderstandingtheelectricalactivitiesofnervecellsandhumanphysiologicalandpsychologicalstate.AdvantagesforroutineEEGmachinesizeislarger,carryconvenient,requestforthe operation is too professional and lead many to use problems and shortcomings.WeintheanalysisofcurrentstudyEEGsignalsbasedonthedesignedacanintheWindowsXPtorealizetheEEGsignalreal-timeacquisition,analysisandprocessing,displayandstorageofEEGprocessingsystem.Systemhasgoodreal-timeperformance, friendly interface, simple operation and information convenient.WiththedevelopingtrendofthestudyofEEGsignal,meetthenewrequirementsofmodernintheclinicalstudyofEEGsignalisproposed.Systemdesignincludes:DesignedtheEEGsignalamplificationandfiltercircuit,mainlyincludingpre-amplifier,high,lowpassfilter,50HZband-passfilter,therearamplifiercircuitdesign.EEGsignalacquisitioncontrolcircuitisdesigned.ByusingFPGAasthecoreprocessor,EEGsignalafteramplification,filtering,isolationafterthead7920asa/Dconvertersampling.EEGsignalsprocessedbythedigitalfilterintoFIFObuffer,andthenintheFPGAcontrolsystemthroughtheUSBinterfacetotransmittothePC,PCDesignapplicationprograminPCtoUSBinterfacereceivestheEEGdataanddrawthebrainwavepatternandaccordingtothewaveformdataofcorrelationanalysisandotherfunctions.DesignthesignalacquisitionandprocessingsoftwareoftheUSBinterfaceissentthedataforprocessingandanalysis,andtheresultswillbedisplayedonscreen, in order to facilitate the effectivemanagement of information, designinformationmanagementsystemcantotheuserinformationandtheEEGofstorageandeditingoperation.KEYWORDS:EEG；FPGA；Circuit；Program2便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现第1章引言+PC机的模式,底层脑性差。研究背景和意义EEG是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动,将脑细胞电EEG是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动,将脑细胞电EEGEEGEEG信号分析只能采取目视分析，由于EEG信号非常微弱，并且极不稳定，仅靠目视分析很难在复杂的EEG信号中提取出有意义的信号，得出有意义的结论。随着电子科学技术的发展，EEG信号的采集和分析越来越精确，从当初的1导联，发展到今天1664导联，甚至256EEG的频谱分析、脑电地形图等多种方式。3便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现EEG信号的分类所以点活动较易观察到，而人正是通过这些电活动来完成各种生理机能。EEGEEGEEG，它已成为脑电生理研究和临床应用的最主要两种手段。EEGEEG活动的频率和振幅是不同的。用电极提取这种电位波形并加以记录，得到的波形就是自发EEG。从头皮EEG10-50uV0.5-30HzEEGEEG信号分[]δ0.5-4Hz10-20uδδθ4—8Hz20-40uV枢神经系统抑制状态的表现，一般困倦或精神抑郁时出现。α8—12Hz10-100uV基本节律，α波在各脑区都会出现，其中以顶枕部最为明显，并且左右对称。安静及闭眼时出现最多。β12—30Hz5-30u意力集中或情绪紧张时出现较多。根据以上EEG节律在采集信号时决定电极的摆放位置。1.2.1诱发EEGEEGEEG。诱发EEG是人体的神经中枢在受到刺激时的生物电活动产生4便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现有一定的指导意义，与自发有一定的指导意义，与自发EEG信号相比，诱发EEG信号更加微弱，幅度只有0.1-10uEEG5便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现2方案设计与论证EEGEEGEEGEEGEEG在提取过程中极易受到环境中的各种干扰，这势必造成提取信号中含有噪声，EEG1:10000EEG的幅值属于微伏级；EEG范围一般在0.5～35Hz[2，5]。这使得放大器的低频截止频率的选择非常困难，当EEGEEG系统设计方案论证结合现有脑电研究技术的发展趋势，本设计采用FPGA芯片作为核心处理DSP形并对应进行记录。DSP芯片外，还有FPGAARMFPGA具有很对于一些较为成型的算法,FPGADSP方面，AlteraDSPBuilderMatlab结合对自己设计的算法进行前期仿真,FPGADSP结合现有脑电研究技术的发展趋势，本设计采用FPGA芯片作为核心处理DSP形并对应进行记录。6便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现系统设计方案本设计方案最终采用以为核心的数据采集、显示、传输并最终通过EEGEEG2-1系统整体框图所示：人头人头FLASHSDRAM电脑A/D电路 电路 电路路转换电USBFPGALEDTFT图2-1系统整体框图三种外围设备的传输控制。7便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现第3章第3章系统硬件设计EEGFPGA数字系统电路。EEG信号幅度小，不稳定，极易湮没在噪声里，EEG信号采集处理电路设信号隔离电路等。FPGA数字系统电路主要是指FPGA系统板以及USB接口电路等外围接口电路。基本硬件系统结构如图3-1后微前高置弱置低放电脑放通大极电大滤隔信电波离号路器电路A/D转换电路FPGAA/D转换电路FPGA系统前置放大电路着空间电磁场引起的差模干扰以及因为测量电路不对称而由共模干扰转化而来的差模干扰，这些干扰主要以50Hz的工频干扰出现。INA143C18便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现R1EEG3-2270003-2所示：R2R2100mΩ47U6brain5ears381281176INA128P133812C17U512High-passfilter6456R1INA128UA451kΩ370uF97183R324kΩ2R4U1Floatingpowercommon1062OP37GZ24kΩ4图图3-2 前置主放大电路图滤波器滤波器包括一个高通滤波器、一个二阶低通滤波器、一个50HZ的带通波器。高通滤波器设计高通滤波器主要是滤除电路中的直流成分，我们设计容阻耦合电路，即RC电路防止基线漂移。因为EEG信号的下限频率0.5Hz，为了不损失其低频分量，滤波器的截止频率设为0.3Hz，电路原理图如图3-3所示：vccVCC+input

C435910nF

C3910nF4

vcc

8outputR231.6kΩ

1 R331.6kΩ

6vcc5V

TLC2252AIPvccR5R1 C1

nC216kΩ

910nF

910nF 7R4

8 U2B5 TLC2252AIP2 725.5kΩ 60 49便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图3-3高通滤波电路图50HZ带通滤波器EEG0.0001系统中，限制干扰和噪声比放大信号更有意义。通常说的50Hz工频干扰实际上频率并不仅仅是50Hz，50Hz的整数倍谐波频率的干扰也不能忽视，其幅值50Hz50.5Hz带阻滤波器[2，8]。电路如图3-4所示：4C14C11C221mΩ8U1B5input47uF56uF67TLC2252AID4output3R21mΩR401mΩ5R31mΩ图3-4 50Hz带通滤波电路图低通滤波器低通滤波器担负着抑制广谱噪声和数模转换之前的抗混叠双重任务。本系EEGEEG3-5所示：10便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现00C2C103 R12R31Input 1mΩ1mΩ6Output5C30R4VCCVCCR2图3-5 低通滤波电路图后置隔离放大电路EEGmV2000~100005~103-6所示。5R110Ω0。4 R2

。5V8 VCC+3 2 Res 3 31input

10Ω

2 TLC2252AID4VCC

outputVCC-1R20 500kΩ50% Key=AA/D转换电路

图3-6 后置隔离放大电路1第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现A/D转换电路直接决定着系统的采集精度，采用高分辨率的A/D转换器可以降低运算过程中引入的误差，对脑电信号的细节采样效果也越佳。选用AD7920为核心设计A/D采样电路。AD7920采用2.35V至5.25V单电源供电，最高数据吞吐量达250kSPS。其内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，A/D转换及导联切换电路图如图3-7所示：

图3-7 系统的A/D转换及导联切换电路图放大电路模块仿真Multisim12.01500050μV，50Hz1V，结果（3-8）：12第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图3-8放大电路模块仿真图滤波电路模块仿真利用Matlab2010软件对滤波电路模块和同类产品的除噪滤波效果进行了对比仿真，结果如图3-8所示：1.510.5

同类设计的滤波效果0 2 4 6 8 10本设计的滤波效果1.510.50 2 4 6 8 10图3-9与同类产品除噪效果对比滤波电路模块仿真3-950VEEG信号经放大后1~4VUSBEEGEEG信号在上位机的显示、特征分析等功能。13第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图3-10电路模块仿真结果FPGA配置电路SDRAM存储电路MT48LC4M32B2TG-7是Micron推出的一款告诉的COMS同步东岱随机存储器SDRAMACTIVEACTIVESDRAM的地址，当读写命令有效的同时，地址微数据用以选择突发存储的起始列位置，SDRAM3-11所示：14第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图3-11 SDRAM存储电路原理FLASH存储器电路IntelTE28F320J3D75FLASH芯片[4，9]FLASH32128KB3.3v75nsFDICFI能兼容。对FLASH进行读写操作时，可以通过BYTE8FLASH3-12所示：15第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图3-12 FLASH存储器电路原理USB接口电路FPGAPC的通信可以有串口、并口、USB甚至网卡等多种方式,其中串NiosTCP/IP协议及硬件底层有深入的USB点,但USB加微控制器的方式或单片机的方式都需要对USB协议有彻底的理解,因此这里采用USB芯片与FPGA直接连接的方式,这样通过时序即可控制USBUSBPC的通信通过软件编程即可实现且无需对协议有更多的了解。USB2.0PC机，USB2.0480MbpsUSBCypressEZ-USBFX2CY7C68013芯片[5，9]。16第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现4系统软件设计FPGAUSB驱动程序设计和PC应用程序设计。FPGA程序

总控制器 FT245控制器FPGAAQuartusIIDSPBuilderNiosIIIDE环境下完成。QuartusIIVerilogHDL硬件描述语言以及图形模块输I的设计，主要包括ADPC制器设计、A/D采样

FIFO器设计、F25控制器IFSOPCBlr发工具嵌入NIOSII软核处理器及其他外围设备模块，建立自己的SOPC系统。在NIOSIIIDENIOSIIFPGA4-1所示。总控制器 FT245控制FPGAA/D采样控制器

FIFO

FIR滤波器

SPOCNIOS图4-1 FPGA内部程序功能结构图图中A/DFT245控制器模块以及总控制模块都是利用VerilogHDL语言设计实现，FIRMatlab、DSPBuilder等工具设计A/DFIFO缓存，系统将每路脑电FIFOFIRFIFO中的脑电数据并对信号进行滤波处理，滤波之后的脑电数据同样需要FIFO缓存，在通过FT245进行脑电数据传输时，每一导联脑电信号都有自己的标志字，FT245控FIFOUSB第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现PC机应用程序根据标志字判断脑电信号所属导联并作分别存储。与此同时，NIOSIITFT液晶显示。USB驱动程序D2XX作为USB用FTDI公司提供的FTD2XX.DLL、FTD2XX.SYS[6]来实现对FT245的控制。应用程序首先调用FT_ListDevices函数获取当前PC机连接的FTDIUSB接口设备的信息，调用 FT_Open子函数打开FTDIUSB设备，通过FT_Read子函数从FTDIUSB读入数据或者调用FT_Write子函数往FTDIUSB接口写入数据，数据读/写完成之后可以调用FTDI_Close函数关闭此设备接口[15]采用D2XX驱动程序操作FT245为方便测试本系统用FPGA通过USB接口发送标定数据，上位机应用程序接受到数据并根据数据画出波形其结果如图4-2所示：图4-2系统采集的脑电波PC机应用程序TFTIP核18第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现TFT液晶屏设计人机交互界面，通过TFTTFT16VerilogHDLIP核。NIOSIIFPGA上的嵌入式软核处理器，不仅可以任意调用ALTERAIP核，而且还可以根据需要自己IP核，尤其是在大IPFPGA源，同时便于系统的模块化和集成。TFTRGB[15..0]，TFT_DE，TFT_CLKTFT_CLK6.525MHz，通过时钟分频得到，TFT_DETFT行使能信号，高电平有效，RGB[15..0]是数据信号，R、G、B6:5:5。TFT_CLK驱动下，当TFT_DE为高电平时，TFTTFT_DE为低电平时，TFT控制器输出消隐信号。320个TFT_DE4-3所示。图4-3 TFT真彩屏控制时序图TFTIPAVALONNIOSIITFT真彩屏，TFT控制器IPAVAVLONslaveTFT_DMASDRAM读取数据TFT_RAMTFT_RAMTFT显示。脑电波形显示PC机应用程序控制USB数组中，应用程序以时间为横坐标，根据脑电数据在PC机上画出脑电波形。19第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现在画图程序设计中,通过调用CDC类中的调用CDC类的画线子函数pDC->MoveTo和pDC->LineToCDC描述表对象，并且提供在显示器、WindowsXP用户区绘图的方法，它封装了GDICDC4-4所示：开始初始化，确定显示窗口的大小开始初始化，确定显示窗口的大小读取数据选择回放形式读取通道信息，进行屏幕分割选择回放速度（m_Ratc）平滑滤波后显示偏移指针向后移动（移动大小与 m_Ratc相等）数据是否显示完毕NOYES结束图4-4 上位机软件流程图电压显示三种方式，在操作过程中可以用鼠标进行选择：二，图形方式显示：这20第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现第5章 系统功能实现USBPCUSBUSB经过加工的原始采样数据且附加有被测者的姓名、年龄等个人信息。运行程序点击<开始>,再将鼠标滑到<程序>\欲运行的程序组\欲运行的程序,点击之即5-1作界面。5-1系统初始化界面21第十一届中国研究生电子设计竞赛

便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现系统启动后自动创建新病例，直接输入病人资料即可。界面如图5-2所示。二:点击此箭头可以弹出在<系统设置>中设置好的可选项三:点击此按钮可以输入病人的其他资料5-2长时事件第一次点击开始，第二次点击结束。对于闪光事件，可以再次点击〈闪光〉而提前停止闪光。右击〈闪光〉可以同时修改闪光频率和时间。闪光频率可以也可以直接在其右侧的窗口里修改。此时“通道选择有效”是指波形窗口左侧通道号前打勾时记录该通道波形，2点击这些按钮开始采集病人的波形 第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现5-35-3所示。测量波形波幅测量5-3所示，右位置对应波形的时间。点击<波形测量>按钮，开始测量。然后将鼠标移到欲测量的波形处，并点击一下鼠标。23一下波形的两个第十一届中国研究生电子设计竞赛 峰或者两个波谷便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图5-3测量波幅界面频率测量五点击频率测量>,则可以选择频率尺子。欲选中哪把尺子，点击它即可。六:用选择好的频率尺子在波形上滑动,就可以套出符合的波形.图5-4测量频率界面数据处理24第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现一:择方式三:选择完波形后,开始计算并显示.二:分别在欲选择的起点和终点处点击一下,就选择了该段波形图5-5数据处理初始界面地形图地形图: 选择好感兴趣的数据后，点击<地形图>则进入地形图界面。然点击<绝对>，<相对>等按钮,可以方便的进行切换。25第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图5-6俯视地形图 图5-7 俯视地形图图5-8每个通道百分比棘波图二:拉动滚动条也可以计算并显示对应时刻的棘波图；三:点击<设置>，可以改变棘波图标尺的范围。

一:点击波形某一点，则计算并显示对应时刻的棘波图；26第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现图5-9棘波图压缩谱阵一:选择电极.最多,如果多于四个,4有效；二:选择计算段数以及每段的时间长度；三:确定从什么时间开始计算；

图5-10 棘波图5-11

四: 选择完以参数后,按此键开始计算并显示压缩谱阵。横轴为频率,纵轴为能量,Z轴为时间(由各个时间段组成的)。27第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现生成报告图5-12 波形报告 图5-13 地形图报告5.4.4生成报告28第十一届中国研究生电子设计竞赛第十一届中国研究生电子设计竞赛便携式脑电信号采集与处理系统的设计与实现6FPGAFPGAEEG脑电信号采集与处理系统。通过信号预处理电路FPGAUSBPC上，设计软件应用程序显示脑电波形，FPGA技术总结FPGA经过FPGA数字滤波处理之后的纯净脑电信号通过USB接口传输到电脑PCFPGA通过USB接口传输过来的脑WindowsXP系统