本論文介紹了腦電信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種基本方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特點(diǎn)，闡述了基于TMS320LF2407DSP的16通道腦電信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、靈活性強(qiáng)，可以為腦電波的數(shù)字信號(hào)處理軟件提供功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)；該系統(tǒng)的軟件充分利用了TMS320LF2407內(nèi)部16通道的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，順利實(shí)現(xiàn)了50Hz工頻干擾的濾除，并最終獲取清晰干凈的16通道的腦電波形。

1． 概述

腦電信號(hào)（EEG）是人體中最重要的生物電信號(hào)之一，對(duì)于腦電信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析已在臨床醫(yī)學(xué)的疾病診斷方面得到廣泛應(yīng)用。16通道腦電信號(hào)的檢測(cè)主要用于腦疾病病灶的定位，由于從腦電極提取的腦電波中含有大量干擾尤其是50Hz工頻干擾，必須進(jìn)行切實(shí)有效的放大及信號(hào)處理才能用于臨床的檢驗(yàn)。腦電信號(hào)處理分為模擬和數(shù)字兩種方式。

早期的數(shù)字腦電圖機(jī)主要采用模擬信號(hào)處理方式，處理好的信號(hào)利用AD采集卡或單片機(jī)把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)顯示及打印，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是電路體積大、精度低、易受環(huán)境溫度影響及抗干擾性能差。腦電信號(hào)的數(shù)字處理以往多采用通用PC機(jī)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，但存在實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。這樣，實(shí)時(shí)性好的DSP在腦電信號(hào)數(shù)字處理中應(yīng)運(yùn)而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍應(yīng)用，現(xiàn)在比較一致的看法是2000系列的DSP適合應(yīng)用于電機(jī)的數(shù)字化控制而不是數(shù)字信號(hào)處理，因?yàn)槠?a href="http://www.3532n.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)低于5000系列DSP且沒有專門的濾波器指令。

但以腦電信號(hào)的數(shù)字處理而言，腦電信號(hào)頻率不超過100Hz，屬于低頻信號(hào)，需要處理的數(shù)據(jù)量有限，對(duì)于16通道的腦電信號(hào)的數(shù)據(jù)運(yùn)算，按每通道采樣頻率1000Hz計(jì)，系統(tǒng)需要每個(gè)采樣點(diǎn)在62.5us內(nèi)完成采樣、運(yùn)算及數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)中我們?cè)囉昧薚MS320LF2407DSP，從效果來看，它可以滿足速度上的要求，而從系統(tǒng)的性價(jià)比及功能的可擴(kuò)展性來看，TMS320LF2407DSP體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1］ ［2］。

2． 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分采用TMS320LF2407DSP為核心，兼具控制和數(shù)字信號(hào)處理的功能，其外部由16位AD轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、USB100模塊、12位DA轉(zhuǎn)換器、8位指示燈、數(shù)字光電隔離器等構(gòu)成，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

來自前置放大電路的16通道腦電信號(hào)分別經(jīng)過16位AD采樣進(jìn)入DSP中央處理單元進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算，處理完畢的數(shù)據(jù)通過USB100模塊上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，在調(diào)試中可以通過DA轉(zhuǎn)換器在示波器上觀察經(jīng)過數(shù)字處理的腦電波形。8位指示燈用于調(diào)試時(shí)觀察時(shí)鐘的精確度。

雖然TMS320LF2407內(nèi)部集成有16通道AD轉(zhuǎn)換器，但精度只有10位，能夠分辨腦電信號(hào)電壓變化的最小值約為3mV，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中前置級(jí)放大電路為防止差模形式出現(xiàn)的干擾在輸出端飽和，放大倍數(shù)一般設(shè)定為50倍，有用腦電信號(hào)的最小幅值放大到0.5mV，顯然10位AD轉(zhuǎn)換器的精度是不夠的。在本系統(tǒng)中采用美國美信公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換速度為165KSPS的16位高精度AD轉(zhuǎn)換器MAX1165，可分辯信號(hào)電壓變化的最小值為62.5uV，完全滿足了系統(tǒng)精度的要求［3］。

TMS320LF2407具有64K字的程序存儲(chǔ)器空間和64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，DSP內(nèi)部有32K字FLASH程序存儲(chǔ)器，一般是在程序調(diào)試完成后，通過下載線和CCS軟件把程序可執(zhí)行代碼燒寫進(jìn)FLASH，使程序上電后從0000H處運(yùn)行，完成所需的控制功能。但在程序調(diào)試時(shí)，需要有程序存儲(chǔ)器來存放用以仿真的程序代碼，而當(dāng)程序脫離仿真器運(yùn)行時(shí)，可將該外擴(kuò)存儲(chǔ)器設(shè)置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的腦電數(shù)據(jù)通過IIR數(shù)字濾波運(yùn)算，輸出的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機(jī)，以便實(shí)時(shí)顯示腦電波形及存儲(chǔ)打印。由于每個(gè)通道腦電波的采樣頻率為1000Hz，數(shù)據(jù)精度為16位，所以腦電數(shù)據(jù)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率必須高于256Kbit/s，而串口最高的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為19.2Kbit/s，為滿足上、下位機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰植辉黾酉到y(tǒng)的難度，我們選用了USB100模塊作為DSP與上位機(jī)的通信接口。其數(shù)據(jù)傳輸速率為8Mbit/s［4］。

為了人體安全，本系統(tǒng)前置端采用浮地差分放大方式以實(shí)現(xiàn)人體與電氣的隔離，同時(shí)為了防止數(shù)字電路與模擬電路的干擾電流通過地線相互傳遞，采用了光電隔離技術(shù)，在模擬開關(guān)的輸出端接上模擬光電隔離器，通過接口與數(shù)字電路相連，而模擬開關(guān)的四根選通地址線則通過數(shù)字光電隔離器與DSP的復(fù)用IO口相連，通過DSP選通16個(gè)通道，從而避免了數(shù)字電路與模擬電路的干擾路徑。

DSP與12位DA轉(zhuǎn)換器及8位指示燈的接口電路類似于DSP與AD轉(zhuǎn)換器的接口電路，均通過IO空間尋址，利用OUT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在這里就不贅述了。

硬件系統(tǒng)的各個(gè)部分密切相關(guān)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到腦電信號(hào)數(shù)字處理的優(yōu)劣。

本文節(jié)選自《微計(jì)算機(jī)信息》

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