（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm9和labview的多路神经信号采集处理系统的研制.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本论文研究实现具有多路生物神经信号采集和处理功能的软硬件系统，以有效地提取 和分析神经元放电脉冲，了解其中所隐含的生物体的信息。 本课题针对神经信号的特点，完成了信号采集处理的硬件电路的设计，包括神经信号 调理电路及a d 转换前适配电路。论文详细探讨了基于a r m 9 和l a b v i e w 的多路神经 信号采集系统中多通道模拟前端各部分电路的设计。为与本系统选用的$ 3 c 2 4 1 0 内置的 a d c 可靠配接，根据电路理论中的叠加原理，特别自行设计给出了双极性转单极性并线 性限幅的完整电路，并深入分析了其设计思想。对研制的电路进行了理论分析推算和电路 仿真。相应电路及设计技术对应用嵌入式系统技术的多路微弱信号采集等的电路研制有实 际应用参考价值。 论文基于武汉创维特信息技术有限公司的j x a r m 9 2 4 1 0 1 嵌入式教学实验平台( 下 位机) 在l i n u x 环境下实现了多通道的神经信号采集，包括a d 转换并通过网口将采集到 的神经信号波形数据传输至p c 机( 上位机) 。 论文还实现了在p c 机( 上位机) 里基于l a b v i e w 应用程序从网口接收采集得到的波 形数据并显示。实现了四路信号波形整合于一个界面的显示、任选其中一路的单路显示及 波形文件存储和读出。为进一步分析波形，本文介绍了信号分析方法小波变换法并给出了 其l a b v i e w 编程实现。实验结果表明整个系统实现了实时信号采集处理，具有实用、友 好的人机界面。 关键词：神经信号，采集，适配电路，a r m 9 ，l i n u x ，l a b v i e w 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t w h a ti sd i s c u s s e di n t h i sp a p e ri st od e v e l o pam u l t i c h a n n e ln e u r a ls i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c h c a nb eu s e dt op i c ku pa n da n a l y s et h ec o n n o t a t i v ei n f o r m a t i o ni nt h e n e u r a ls p i k ee f f e c t i v e l y ，a n dt h e nt ok n o wt h ei n f o r m a t i o no ft h eo r g a n i s m i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fn e u r os i g n a l s ，as i g n a l a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g h a r d w a r ec i r c u i t ，h a sb e e nc o m p l e t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi s c o m p o s e do fan e u r a ls i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n das p e c i f i cd e s i g n e dc i r c u i tm a t c h i n ga d co f $ 3 c 2 4 1 0 t h ed e s i g no f e a c hp a r to ft h ea n a l o gf r o n te n dc i r c u i ti na r m 9a n dl a b v i e wb a s e dm u l t i c h a n n e ln e u r a l s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h ec i r c u i t ，w h i c hc a l l t r a n s f o r mt h es i g n a lf r o mb i p o l a rt om o n o p o l a ra n dl i n e a r l yr e s t r i c ti t sa m p l i t u d ef o rm a t c h i n g t h ea d co f $ 3 c 2 410 ，a c c o r d i n gt ot h es u p e r p o s i t i o np r i n c i p l eo fc i r c u i tt h e o r y ，i ss p e c i f i c a l l y d e s i g n e da n df u l l yg i v e nb ym y s e l f i t sd e s i g ni d e ai sa l s od e e p l ya n a l y z e d t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c a l c u l a t i o na n dc i r c u i ts i m u l a t i o ni sm a d eo nt h ed e s i g n e dc i r c u i t s t h ed e s i g n e d c i r c u i t sa n d t e c h n o l o g y i so fp r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u ef o rt h er e s e a r c ho nc i r c u i t so f m u l t i c h a n n e lf e e b l es i g n a la c q u i s i t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y am u l t i - c h a n n e ln e u r a ls i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nr e a l i z e d ，w h i c hb a s e do nt h e j x a r m 9 2 410 - 1e m b e d d e dt e a c h i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m ( a sl o w e r - p o s i t i o nc o m p u t e r ) o f t h ec v t e c hi tl i m i t e dc o m p a n yi nw u h a n ， i n c l u d i n ga dc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o no ft h e n e u r a ls i g n a lw a v ed a t at ot h ep c ( a s u p p e r - p o s i t i o nc o m p u t e r ) v i an e t w o r ki n t e r f a c ei nl i n u x i na d d i t i o n ，t h er e c e p t i o na n dd i s p l a yo ft h ea c q u i r e dw a v ed a t af r o mt h en e t w o r ki n t e r f a c e b a s e do nl a b v i e wp r o g r a mi np c ( a su p p e r - p o s i t i o nc o m p u t e r ) h a sb e e nr e a l i z e di nt h ep a p e r t h ef i n a lp r o d u c t i o nc a r r i e so u tt h ei n t e r f a c e st h a td i s p l a yf o u r - c h a n n e ls i g n a lw a v e f o r r n sa s w e l la so n eo ft h ef o u r , w h i c hi sa l s op r o g r a m m e dw i mt h ef u n c t i o no fw a v e f o r mf i l es a v e da n d r e a d o u t t oa n a l y z ew a v e f o r m ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ew a v e l e tt r a n s f o r mo fs i g n a la n a l y s i s m e t h o d s ，w h i c hi sa l s or e a l i z e db yl a b v i e wp r o g r a m m i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h es i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gi nr e a lt i m eh a sb e e nr e a l i z e di nt h ew h o l es y s t e m a n dt h e w h o l es y s t e mh a sp r a c t i c a la n df r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e k e y w o r d s ：n e u r a ls i g n a l s ，a c q u i s i t i o n ，m a t c h i n gc i r c u i t ，a r m 9 ，l i n u x ，l a b v i e w i i 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 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。 研究生签名师签名：日期： 一乒瞬厂 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 生物电信号是跨接信息科学技术与生命科学技术学科的重要的桥梁。生物电现象是生 命活动的基本属性，几乎在机体的一切生命过程中都伴随着生物电的产生【1 j 。生物体的各 种生物电及其他非电量生理机能特征信号的研究、记录已经成为了解生物体各器宫的功 能，临床诊断、治疗的可取依据。生物体的神经系统中的神经信号是一种生物电，对它的 采集处理进行研究具有重要意义1 2 】。 生物神经系统的基本结构和功能单位是神经细胞，即神经元。它能对来自内、外环境 的信息作出反应，这个过程中产生的信息在神经系统中进行传递【3 l 。这主要是通过神经元 产生动作电位，再经过神经纤维上的传导和突触处的化学传递来实现的，长距离信息传递 则依靠神经元动作电位的传导来完成。如何记录、提取和分析神经元放电串中所隐含的信 息是神经科学、信息科学等学科的重要课题【4 】。 以生物体电、磁信号及其相关领域为研究对象的生物电工理论离不开信号采集系统， 获得生物信号是研究生物医学信号的前提与基础【5 】。有了性能优越的神经元放电脉冲信号 的采集分析处理系统，才能有效地提取和分析神经元放电脉冲中所隐含的信息，才能更深 入地了解生物体的信息1 6 】。是研究神经活动的基本过程以及研究学习、记忆和语言等脑部 高级功能的一个技术手段。 目前，生物电信号采集系统的研究已经取得了很多成果，能够实现脑电、心电、肌电、 胃电、神经电的采集【7 1 。但是，生物信号采集系统的理论和方法仍有待进一步的深入研究。 生物信号具有微弱且易受干扰等特点，未来生物信号采集系统应向高灵敏性、高抗干扰性、 高集成化、智能化方向发展【s 】。实现这些信号的可视化，对这些信号的变异分析处理，以 诊断或辅助诊断生物体组织器官的病变【9 j 。 认知神经科学是近几年才发展起来的- - n 学科，又是- - f - 实验性科学，它的性质决定 了科学实验手段和测试工具在神经认知科学中起到至关重要的作用【l0 1 。国内一些高校设 置了生命科学专业，他们尝试开展有关的探索和研究使用的生物信号采集分析实验仪器多 是技术落后的设备，无法满足实验和科研的需要。有实力的学校可以进口国外一些公司已 经研发并推出的商业性先进实验仪器设备，应用在科研和医学领域，但价格一般非常昂贵， 而且也不能大量采购；对很多一般学校来说都不可能购买。基于此，我们与复旦大学生命 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 科学院合作研究生物神经信号采集处理系统，具有良好的实用价值和现实意义。 生物神经细胞产生的电信号分成两大类：由外来刺激引起的局部的分级电位，由局部 的分级电位产生的动作电位。发生在神经元中的动作电位迅速长距离传播，其振幅和时程 固定不变，其产生和传递方式为采集研究提供了可能。实现神经信号的提取、处理、采集 和分析的软硬件系统，是进一步开发脑机交互接口等系统的基础【1 1 1 。 国际上多所著名大学和研究所及公司都开展了相关的研究工作。如美国斯坦福大学， 杜克大学，密西根大学以及犹他大学等。一些公司如美国c e r e b u s 等公司已经研发并推 出了商业性的产品，应用在科研和医学领域。国内复旦大学、上海交通大学和南京邮电大 学等高校也进行了相关研究工作。以往的信号采集系统其微控制单元多采用8 位单片机， 通讯总线多采用i s a 总线，r s 2 3 2 ，l p t 并口等低速总线技术。其数据处理能力低，信 号通道少，传输速度慢。目前国内外相关研制方法基本都是采用基于采集卡的技术实现的， 采集卡的形式一般是p c i 内插式，或采用并口连接的外置盒式( 如成电的s j 8 0 0 2 ) 、采用u s b 口连接的外置盒式( 如n i 的不同规格的系列产品) 。也有采用a r m 7 嵌入式系统平台进行 开发的，但a r m 7 系统资源有很大的局限性，如主频较低，部分芯片品种集成的a d 的 转换位数只有8 位等。本课题选用的3 2 位a r m 9 核心的$ 3 c 2 4 1 0 ，其主频较高( 达 2 0 3 m h z ) ，集成的a d 其转换位数达1 0 位等，其强大的数据处理能力可以满足多通道、 大数据量处理的需求。基于网口的通讯技术可满足大数据量的实时传输，克服了早期数据 采集系统的弱点，提高了采集系统的能力和品质。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t i o n ) 的出现导致传统仪器的结构、概念和设计观点都发 生了巨大变革，使得测试技术进入了一个新的发展纪元。它是仪器发展史上的一场革命， 代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工 业生产将产生不可估量的影响。虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相 结合的产物。与传统仪器比较，虚拟仪器：关键是软件；用户定义仪器功能；软件的应用 使得开发与维护费用降至最低；开放、灵活，与计算机技术保持同步发展；技术更新周期 短；与网络及其他周边设备互连方便，功能扩展性强；价格低、可复用、可重配置性强。 美国n i 公司推出的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) 虚拟仪器 开发平台是一款功能强大的图形化编程语言，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图 形化软件通用集成开发环境，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标 准的数据采集和仪器控制软件。是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自 己的虚拟仪器。它集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集 卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 图形化的程序语言又称“g 语言，使用这种语言编程时，基本不用写程序代码， 取而代之的是程序流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图 标和概念，因此l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具，可以增强你构建自己的科学和工 程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、 设计、测试并实现仪器系统时，可大大提高工作效率。 综上所述，本课题结合选用了目前主流应用的a r m 9 嵌入式系统平台和l a b v i e w 8 2 虚拟仪器技术来研制多路生物神经信号采集处理软硬件系统。 1 2 研究目的和内容 根据神经信号的特点，生物体内的神经信号是一种较微弱的信号，不可能直接采集， 必须考虑采用前置调理电路。为使调理电路可与本系统选用的$ 3 c 2 4 1 0 内置的8 路a d c 可靠配接，自行设计给出了双极性( 5 5 v ) 转单极性( 0 - - 3 3 v ) 并线性限幅的电路。 嵌入式系统的开发都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用计算机系 统的最主要区别。本系统使用嵌入式技术，选用了3 2 位微处理器a r m 9 。本课题使用流 行的虚拟仪器软件开发环境l a b v i e w 8 2 ，对生物神经信号进行数据采集、显示和处理； 然后通过分析神经信号来进一步了解生物的行为。 1 2 1系统总体设计与功能概述 设计了基于a r m 9 的嵌入式系统平台和l a b v i e w 8 2 虚拟仪器技术的采集和显示处 理四通道的生物神经信号的系统。本软、硬结合的系统划分成三个功能结构模块： ( 1 ) 、模拟前端模块a f e ：对4 通道生物神经模拟电信号进行获取的微电极、缓冲 匹配电路、放大滤波调理等电路。高精密电源的提供。信号极性转换和线性限幅电路。与 嵌入式系统模块中$ 3 c 2 4 1 0 芯片集成的8 通道a d c 的接口。涉及跟随器、仪用放大器、 滤波器方面，其性能好坏对采集信号的准确性有极大的影响，这是本文在硬件电路研制部 分重点详细探讨的问题。 ( 2 ) 、嵌入式系统模块：接收来自前端a f e 信号调理模块处理后的的4 通道模拟信 号。实现基于$ 3 c 2 4 1 0 中的a d c 进行4 通道时分选择模数转换。通过以太网口与p c 机 通讯上传a d c 转换后的4 通道实时波形信号数据。另外，同时将嵌入式系统实验平台上 已设置的两路通过a i n 0 和a i n l 可调电阻改变通道0 和通道l 的模拟电平输入信号一并 采集上传。 ( 3 ) 、p c 机中波形信号虚拟仪器程序处理模块：p c 机与通过以太网口接收 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 $ 3 c 2 4 1 0 嵌入式系统平台送来的一定数据结构的波形信号数据。在编制的虚拟仪器应用程 序中，使用相应技术调入4 通道波形信号数据和两通道电位器可调模拟电平输入信号；整 合六路信号波形于一个界面显示和任选其中一路的单通道波形显示；应用一些信号处理方 法进行波形信号分析处理。根据生物神经信号采集系统的要求，设计整体系统结构框图如 下： 图1 1 系统结构框图 本系统是硬件和软件结合的测试系统，如图1 所示。硬件包括微电极、微电极放大器、 信号调理电路及a r m 9 下位机和p c 上位机等，涉及模电、数电、通信等知识。软件部分 包括数据采集和传输、波形显示和存储及读出，数据处理等，涉及到基于a r m 9 的l i n u x 系统下的c 编程、基于l a b v i e w 8 2 的应用软件编程、小波变换等信号处理知识。 下位机部分实现电极对微弱神经电信号的获取和神经信号的放大和滤波调理并适配 处理，再通过j x a r m 9 2 4 1 0 教学实验系统平台将该神经电信号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，然后再通过该平台的网口通过t c p i p 通讯协议与p c 机通讯，把波形数据传输到上位机。在上位机( 即p c 机) 中实现对采集得 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 到的数字信号进行信号波形显示、在线处理及以一定的数据结构存储为波形文件，以供使 用p c 机进行进一步离线处理和对采集到的信号所包含的信息进行分析，得出有用结论。 1 2 2 硬件部分 脑神经信号是一种幅值在l o o i t v 量级的微弱电信号，而且其频率较低，是稀疏的非 平稳信号。因此，对于神经信号的采集有很高的要求【1 2 】。尤其需要在电极及前置调理电 路的设计上进行细致全面的处理，使得信号被放大到伏特级，具有较高的信噪比。这部分 主要包括神经信号调理电路及a d 转换前配处理电路。在调理电路中对输入信号进行放 大滤波处理。此信号调理电路分为四个部分：输入缓冲，仪用放大电路，滤波电路和可变 增益放大电路。滤波电路分为：低通，高通及5 0 h z 工频陷波器。由于j x a r m 9 2 4 1 0 嵌 入式教学实验箱中a d 转换器所能处理的电压范围是：0 3 3 v ，所以在此之前需要附 加a d 转换前适配处理电路，该电路特别自行设计给出。硬件部分最后开发成4 通路的 模拟电路p c b 板并安装调试。制作相应的电极从神经信号中提取信号，制作相应的射随 器电路对信号缓冲和阻抗适配。信号调理电路用于对从生物神经系统中提取的信号进行调 理，对信号放大、去噪等，以适合后续部分的深入处理。 1 2 3 软件部分 对于神经信号的接收，须考虑p c 机与a r m 9 嵌入式系统平台设备的通信问题。对从 网口发送和读取神经信号数据的功能进行了设计。本课题采用t c ps o c k e t 通信机制， 分服务器端和客户端设计了软件。下位机j x a r m 9 2 4 1 0 教学实验平台作为t c p 服务器 端，上位机p c 机作为t c p 客户端。服务器端应用软件运行于a r m 平台的l i n u x 环境下， 主要实现了信号的a d 转换应用程序和将转换后信号经由网口上传的t c ps o c k e t 应用 程序。本课题选择在w i n d o w s 系统中，在l a b v i e w 环境下客户端软件开发编程。实现了 在p c 机( 上位机) 里基于l a b v i e w 应用程序中从网e 1 接收采集得到的多通道波形数据并 显示。最终实现了六路信号波形整合于一个界面的显示和任选其中一路的单通道显示及波 形文件存储和读出。为进一步分析波形，介绍信号的小波变换分析方法并给出了其 l a b v i e w 编程实现。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章硬件系统构成及电路设计 第二章硬件系统构成及电路设计 2 1 生物神经信号的特点 2 1 1 生物电信号 生物电信号的发现使得人们能够利用成熟的信息技术来研究大脑的机理【13 1 。生物电 信号主要有：心电、脑电、肌电、胃电、视网膜电等。这些体表生物电信号通常能通过电 极拾取，经适当的生物电放大器放大，记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图、视 网膜电图等【14 1 。 名称幅值 频率范围补充说明 心电 0 1 8 m vo 一1 0 0 h z 主要带宽集中在o - 3 3 h z 脑电 5 - 5 0uv1 - 6 0 h z 诱发脑电的电位更小 肌电2 0 pv 一3 0 m v 1o - 3 0 0 0 h z 胃电 5 0 i lv 一2 m v0 0 0 1 - 2 0 h z 视网膜电 5 0uv 一2 0 0uvd c - 2 0 h z 2 1 2 神经信号 表2 1 生物电信号的相关参数 神经细胞的周围由一层半透明的膜包围着。膜对不同的离子的通透性不同。当细胞内 外的离子经过运动而达到某种平衡时，细胞内外的电势差为一个负值。这称为膜电位。当 有刺激到来时，神经细胞膜的性质会发生相应的变化，其对不同离子的通透性将改变【l 引。 在这基础上，细胞内外的离子将重新分布，达到一个新的平衡。膜电位产生相应的变化。 这称为动作电位，电势差一般会达到正的幅值。当刺激过后，膜电位又会重新回到原来的 平衡状态。动作电位在神经信号中表现为一个个尖峰波形，它是随机非平稳出现的【1 6 】。 动作电位的传导表现为以局部电流的方式，对于有髓鞘的神经细胞，其以跳跃式的方 式传递。不同的细胞，动作电位持续的时间不同。对于大多数运动神经，从动作电位产生 到重新回到平衡的时间大约为l 毫秒，速度约为2 0 。3 0 米秒。 神经元是神经系统的基本功能单位。人们对中枢神经系统信号加工传递机制的认识， 在很大程度上有赖于对神经元信号传递过程的认识。在神经信号传递的过程中，一个神经 元往往同时接受多个前级神经元的输入，在这些输入信号的综合作用下，神经元细胞膜电 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章硬件系统构成及电路设计 位产生相应变化，进而以电输出或化学输出的方式为多个后级神经元提供信号【i 7 1 。 神经信号是生物体内一类极其重要的电信号，其由神经元细胞产生，通过神经递质来 传导。神经信号传导的过程事实上也是电子、离子交换的过程，因此会有电流发生。具体 的，当一种刺激( 如；机械的、热的、化学的、电的) 作用于神经时，神经元就会由比较 静息的状态转化为比较活动的状态，这就是神经冲动。静态时，神经具有静息电位，受刺 激时便具有动作电位。神经信号便主要表现为一个个的动作电位，它们反映了生物体内的 许多重要信息，例如冷热的感觉等等。 2 2 总体性能 综上所述，并结合其他的研究资料【1 8 1 表明，生物神经信号的特点是：信号弱、干扰 强、频率低。可以近似为强噪声干扰下的低频、微弱脉冲信号。信号幅度在1 0 卜3 0 0 u v 左右，有效频率范围在3 0 0 h z - - 6 k h z 。神经信号是一种微弱信号，采集到的神经信号处 于充满整个时域空间的背景噪声中，这些噪声包括由电极与脑皮层接触产生和外界信号的 高频电磁干扰、5 0 h z 工频干扰和极化电压等干扰，是无法消除的。通过调理电路能使采 集到神经信号拥有较高的信噪比，也就是说，背景噪声被抑制在很小的范围内，而有用的 信号有突出的特征。故具体设计本系统，在提取到信号后，必须经过特定的信号调理电路 对其进行相应的处理，比如去干扰、放大等，才能进行进一步的后续操作。理论推算各器 件取值时，以高、低截止频率分别为7 5 k h z 和2 5 0 h z 设置带通滤波器，保证有效频带范 围内理想的频响特性。 根据神经信号的特征及电极的特性，信号调理电路须具有如下一些必备性能【l 州： ( 1 ) 、高共模抑制比。为了抑制5 0 h z 工频干扰以及其他测量参数外的生理作用干 扰，高共模抑制是生物信号处理电路的一个主要指标。 ( 2 ) 、高输入阻抗。生物神经信号是高内阻的微弱信号源，其等效的信号源输出阻 抗较高可达兆欧级，要求设计的电路的输入阻抗大于百兆欧以有效减小信号源高内阻的影 响。另外，由于各个电极接触生物体组织的不同，表现出不稳定的高内阻源性质，会引起 电极输入阻抗的不平衡，使共模干扰向差模干扰转化，提高放大器的输入阻抗有利于减小 这一转化的影响。 ( 3 ) 、低噪声低漂移。调理电路系统的噪声虽然不可能完全被消除，但是通过分析噪 声过程，进行合理的低噪声电路设计，可以使信号在传输过程中保持较高的质量。对测量 系统的噪声性能的要求。主要集中在信号提取放大部分。第一级放大的噪声系数对总噪声 7 南京邮电大学颀士研究生学位论文 第二章硬件系统构成及电路设计 系数的影响最大，努力降低第一级噪声，是实现低噪声设计的原则。其次，如果第一级功 率足够大，则第二级的噪声影响可忽略，故总的噪声系数主要决定于第一级的噪声系数。 2 3 单通道信号调理硬件电路设计 鉴于神经信号的特点，在采集神经信号前，必须先经过放大和滤波，使得微弱的神经 信号可以转化成适于转换的大信号。单通道硬件电路可以分为两大部分：信号调理电路及 a d 转换前处理电路。各部分电路组成如图2 1 所示。由微电极、转接口、前放电路和主 放电路，极性转换和线性限幅电路组成【2 0 】。作为整个采集系统的基础，a f e ( a n a l o gf r o n t e n d ) 模块由4 路单通道的基本神经信号调理电路组成。先将单通道的信号调理电路、与 嵌入式系统a d c 配接的单通道的极性转换和线性限幅电路连成一路整体的电路单元，然 后将上述4 路有序地组合起来，设计构成一完整的多路a f e 模块。选用蓄电池经稳压后 提供电路所需精密电源。 微电极 上 射极跟随器 l 仪用放大 上 l ( 带通) 滤波 上 工频陷波 上 可变增益放大 上 极性转换和线性限幅电路 2 3 1 微电极 图2 1 单通道硬件电路组成框图 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 8 南京邮电大学日研咒生学位论文 第二章碰件晕统构成及电持啦计 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。图2 2 描述了神经信号采集的原理。 削22 神经信号采羹原理 针形电极发展较为成熟，其制作使用较为方便，其典型结构图见图2 3 。应用实验时 只需将电极插入需研究的神经组织，再把电极和后续信号处理电路连接即可。 萝 ：；， v - ”。，。 盘 ， 图23 徽电极示意图 插入实睑动物脑部提取一个或一群神经元动作电位信号的由单根或多根绝缘金属丝 构成的细胞外电极，要有良好的生物相窑性和抗腐蚀能力以对生物脑神经电活动进行稳 定、长期的记录，且不能引起生物组织强烈的排异免疫反应导致对组织的伤害或信号质量 的下降。根据神经生物学实验的要求采用3 5 微米的外层有t e n 叩绝缘的电极丝为原料， 将电极丝排列成2 x 4 的矩阵焊接到转接口电路板上的过孔里并用硅胶密封。簏加1 k 的信号，测量电极丝阻抗范围在1 m 0 左右属较理想范围。电极丝经清洗和消毒后，可进 行脑部植入手术e 手术后一周左右，动物头上的伤口愈合，就可进行信号采集实验。 神经信号的提取和处理包含以下三个主要工作。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捧异和免疫反应。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 经元活动进行监铡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4 通道。 2 3 2 转接口 提供微电极与前放屯路的接口电掇一个通道一根，为方便实验使用，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捧放电极，使电极易于与后续前放电路相连。 瓣 南京邮电 学确17 研，生学位论立 第一章捌件系缝柑成厦电踌设计 其电路p c b 如图2 4 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。本系统为了节省空自j ，采用的是1 2 7 m m 间距的连接器。转接口电路板用的 是捧母前放电路用的是捧针。 智 圈24 转接口p c b 图 2 33 前放( h e a d s t a g e ) 电路 由于微电极的高阻抗和低偏流，后续电路很难采集到信号，所以要进行阻抗匹配变换。 需一前放电路与电极及转接口连接，以最大程度提取徽弱神经元信号。为了提高输入阻抗， 利用集成运放接成直接电压负反馈电压跟随器。电压跟随器的输入阻抗高。基本没有分流， 其增益近似为1 ，即无电压放大，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t 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。输入阻抗越大，输入口得到的电压越大，减少由于信号源内阻和微电极电阻耗去的 能量。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。适合做微 电极的放大器的输入阻抗要求在1 0 “欧姆左右这样可以得到高的输入阻抗和低的输出阻 抗。一般常选择电压跟随器信号通道的传输带宽为最高信号频率的1 0 倍或适当提高，本 系统采集的信号信号频率在7 5 k h z 以内，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。 一般微电极与阻抗匹配前放电路板的距离越近越好最好一起放置在最接近实验动物 头部处，以便晟大程度地采集微弱神经元信号，便于后续电路工作。前放电路与主放电路 连接时，采用对主放电路板的外层和接口用胶水封周及隔离电气干扰等抗干扰措施，避免 噪声由前放电路加入信号。使电极的直连线短于2 0c m 以最小化环境噪声的拾取。h e a d s t a g e 的电路原理图及p c b 图如下图2 5 所示： 珍 目 图25 h e a ds t a g e 电路原理瞰与p c b 图 为了克服外界的干扰三个关键参数对抗干扰很重要。一是共模输入方式，二是使用 滤波器，三是采用电池供电。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章硬件系统构成及电路设计 当记录神经信号是共模输入时，放大器接收到的是记录电极附近和参考电极附近两个 地方的电位差，此时工频干扰也可以通过电极和电极引线进入放大器。由于两个电极靠得 很近，而感应的电磁场是个范围较大的场，所以感应在两个输入端的干扰信号幅度基本上 一致，相位也样。这样，由于共模抑制的原因，干扰没有得到放大，从而达到抗干扰的 目的。参考信号选接前放的地，也可选接靠近的参考电极。 2 3 4 主放和滤波处理电路 将前放送来的微弱电信号加以放大及滤除噪纠2 1 1 。分差分放大电路，带通滤波电路、 5 0 h z 工频陷波器、二级放大电路四部分。电路结构原理图如图2 1 0 。放大器的放大倍数 需要很高，这不能在一级放大器上就设置这么高的倍数。如果设置很高的放大倍数，放大 器极易发生振荡，不能正常工作。因此要用多级放大器来实现数干倍的放大率。 ( 1 ) 、差分放大电路1 2 2 ： 第一级放大的噪声系数对总噪声系数的影响最大，降低该级噪声是实现低噪声设计的 原则。选用了性能优异的仪放a d 6 2 0 。其主要特性为：( a ) 仅需一外接电阻即可设置得l 1 0 0 0 的增益( 有些仪放只具固定增益如g = 1 0 ) ，使用方便。公式为：g = 4 9 4 k q r 疗 - i - l 。 可以用一个电位器，用来调节a d 6 2 0 的增益。但因存在极化电压，为避免电路饱和而导 致系统失效，前置放大电路的增益不能过大。本电路取r g = 2k q ，其增益g 2 6 。( b ) 工 作电源电压范围极宽，2 3 v - - - 1 8 v ( c ) 低功耗，最大电源电流仅1 3 m v ( d ) 最大输入失 调电压1 2 5 u v ( e ) 最大输入失调温漂l u v 。c ( f ) 最小共模抑制比为9 3 d b ( g = 1 0 ) ( g ) 低噪声， 输入电压噪声9 n v 仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的放大器件，由于其具有高输入阻抗、低输 出阻抗、低漂移、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等特点，使其广泛作为微弱 信号检测系统中的前置放大器。a d 6 2 0 是一个集成三个运放于一体的仪用放大器。它在 传统的三运放方式的基础上作了一些改进，一是采用绝对值的校准，使用户仅有一个电阻 就能对增益进行准确的设定。二是单片结构和激光校准使电路元器件做到了高精度的匹 配，并具有非常好的跟踪特性，保证了该电路固有的高性能。a d 6 2 0 能确保高增益精密 放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标。其共模抑制比如图2 6 ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章硬件系统构成及电路设计 图2 6a d 6 2 0 共模抑制比 图2 7a d 6 2 0 管脚图 ( 2 ) 、带通滤波电路i 2 3 】： 选用有源滤波器。用有源电路运算放大器和无源器件r c 网络组成的有源滤波器的性 能远远优于无源滤波器，因为运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗，所以组 成的有源滤波器能提供一定的增益，并具有缓冲作用，尤其正增益的有源滤波器便于链接， 能方便地用简单的手段实现复杂的高阶滤波。有源滤波器不需要电感线圈，容易实现集成 化。r c 滤波器q 很小，有源滤波器q 很大。 有源滤波器实质上是有源选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余 频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。 按“最佳逼近特性 的标准进行分类可分为贝塞尔、巴特沃兹、切比雪夫、椭圆等滤 波器。贝塞尔滤波器特点：只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时 延或恒时延滤波器其相移和频率成正比，即为一线性关系。在整个通带内，相位频率 特性的起伏最小或最平的逼近。巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器特点：具有通带内最大平坦 的振幅特性，且随f 单调。幅频特性和相频特性是平坦的。切比雪夫滤波器特点：误 差值在规定的频段上等波纹变化，幅频和相频特性在通带内有小的起伏。椭圆滤波器特点： 幅度频率特性具有陡峭的边缘或狭窄的过渡频带的逼近。 因巴特沃兹滤波器通带和阻带内都具有最平坦的振幅特性，根据本系统应用需求特 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章硬件系统构成及电路设计 点，不需较窄的过渡带和陡峭曲线，我们选用二阶低通、二阶高通巴特沃兹滤波器构成如 图2 1 0 带通滤波器。带通滤波器是由低通r c 环节和高通r c 环节组合而成的，并将高通 的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。 有源低通滤波器( h l f ) ： z 。k 蚓肛 2 - - 1 0 乒 露 气 j 、 0 d q = 0 f , 十倍预 ，| 氏 图2 8 二阶盐控型l p f 及兵恫频特性 二阶压控型l p f 的传递函数： 4 ，g ) = i f 石a 而v p 丽 中心频率：w 。= 去 取中心频率f = 7 5k h z ，求得c = 1 0 0 0 p f ， r = 2 1 2 2k f 2 取蜀= 6 8l d 2 ，根据巴特沃 兹滤波器的要求求得r ，= ( 1 5 8 6 1 ) 十r 1 ：3 9 8l 实际取r ：2 2k q ，冗，：3 9k o 有源高通滤波器( h p f ) ： 。p 强 k q = 1 0 逮叁 ( 、口= 0 5 图2 9 二阶压控型h p f 及其幅频特性 二阶压控型h p f 的传递函数： 舢) = 而 中心频率：= 去 取f = 2 5 0 h z ，求得c = o 0 1 u f ，r = 6 3 6 6k 1 1 取蜀= 8 2 k q ，根据巴特沃兹滤波器的 南京邮电大学颂i 目f 兜生学位论立 第一章硬件系统构成及电辟设计 特性求得矗，气1 5 8 6 1 ) * r 1 - - 4 8 k 0 实际取置- - 6 2 k 0 。其他值如计算中所得。 根据神经信号的特点，设置整个滤波电路包括：低通、高通电路工频陷波器脚】。 低通的截止频率设为7 5 k h z ，高通的截止频率设为2 5 0 t t z ，带通滤波器的频带为： 2 5 0 h z - 75 1 n h z ，即滤除高频的干扰信号，直流的极化电压及前簧放大电路低漂的影响。 工频陷波器的频率设为5 0 h z 。通过理论计算可得，信号先通过低通后商通比之先高通 后低通效果要好，增益损失少，相移平稳，信号形态不发生畸变。由巴特沃兹滤被电路 阶数n 和增益g 的关系表可查得二阶低通、高通巴特沃兹滤波器的g = i3 8 6 ，则两级串 联的带通滤波器的通带增益为( 1 5 8 6 ) - 2 2 5 1 5 。 1 1 囊 |；薛辫| 善。难器嚣玉立罐翼一葶tm撕墨珥i _ ： a仆叶 嚣拳 f域，_；_ 南京邮电上学硕i 日f 究生学位论文 第一章雠件粟坑构成胜电踌让计 i 垂 酗2 1 2 高通滤波波特圈 b 。* * 时聊l 0 厂i i - ! j r 矿! j ij l j i f 下矿r r t r f 【t 一 旦= ! 二l 划! ! ：j 幽21 3 带通滤波波特图 ( 3 ) 、5 0 e i z 工频双t 带阻滤波罂( 陷波器) 一 在生物电信号的处理中电源的5 0 h z 工频干扰可看成是最大的干扰源，故加入可有效 去除信号中工频干扰的5 0 1 士z 带阻陷波器。选用图1 5 所示的典型有源双t 陷波电路。 图2 1 4 双t 带阻滤