（测试计量技术及仪器专业论文）生物神经元放电信号的采集、检测和分类.pdf

南京邮电学院硕士学位论文 摘要 生物神经元放电信号的记录、检测和分类是研究脑部功能的先决条件，是一 项技术挑战：该技术的解决直接关系到能否正确地研究神经系统的功能。在记 录生物神经元放电脉冲时，由于存在很强的背景噪声和一个微电极上可以同时 记录几个不同神经元的放电脉冲，测量单个神经元的行为实际上是很困难的。 研究单个神经元的活动情况，就要对微电极采集的神经信号进行检测和分类。本 文介绍了一种单电极记录方法，以及神经元放电脉冲不同的检测、分类方法和 实现。 论文分两部分，第一部分是基于l a b v i e w 的神经元放电脉冲的采集，在 这部分介绍了记录方法和数据采集的硬、软件实现。第二部分是数据分析，介 绍几种检测和分类方法一闽值检测法、主成分分类、聚分析和小波分析。最后 给出了基于m a t l a b 的神经元放电脉冲检测和分类的软件实现。 关键词：神经元放电脉冲，虚拟仪器，m a t l a b ，主成分分析，小波分析 南京邮电学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e c o r d i n g d e t e c t i o na n ds o r t i n go fn e u r a ls p i k ea c t i v i t ya r eat e c h n i c a l c h a l l e n g et h a ti sap r e r e q u i s i t ef o rs t u d y i n gm a n yt y p e so fb r a i nf u n c t i o n m e a s u r i n g t h ea c t i v i t yo fi n d i v i d u a ln e u r o n sa c c u r a t e l yc a nb ed i f f i c u l td u et ol a r g ea m o u n t so f b a c k g r o u n dn o i s ea n dt h ed i f f i c u l t yi nd i s t i n g u i s h i n gt h ea c t i o np o t e n t i a lo fo n e n e u r o nf r o mt h o s eo fo t h e r si nt h e1 0 c a la r e a s t u d y i n gt h ed y n a m i c so fn e u r a l a c t i v i t yv i ae l e c t r i c a lr e c o r d i n g 。r e l i e so nt h ea b i l i t yt od e t e c ta n ds o r ts p i k e s r e c o r d e df r o man u m b e ro fn e u r o n sb yt h es a n l ee l e c t r o d e t h i sp a d e ri n t r o d u c e sa m e t h o df o rr e c o r d i n gs i n g l ec e l l s b a s e do nl a b v i e w a n dt h ea l g o r i t h m sa n d m e t h o d sf o rd e t e c t i n ga n dc l a s s i f y i n gn e u r a la c t i o np o t e n t i a la r ea l s op r e s e n t e d t h ep a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s to n ei n t r o d u c e st h em e t h o dt o a c q u i r et h en e u r a ls i g n a lf r o mf r e e l ym o v i n gr a t s ，b a s e do nl a b v i e w i nt h i ss e c t i o n r e c o r d i n gm e t h o da n dr e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a r ep r e s e n t e d t h e s e c o n do n em a i n l yf o c u s e so nt h ed a t aa n a l y s i s s e v e r a ld e t e c t i n ga n ds o r t i n g m e t h o d ss u c ha st h r e s h o l dd e t e c t i o n p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i s a n dw a v e l e tt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e d a tl a s t t h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fr e c o r d i n g a n dc l a s s i f y i n gn e u r a la c t i o np o t e n t i a lb a s e do nm a t l a bi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ： n e u r a l s p i k e ，l a b v i e w , m a t l a b ，s p i k es o r t i n g ，t h r e s h o l d d e t e c t i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i s a n dw a v e l e t t r a n s f o r l t l i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 0 8 4 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 含为获得南京邮电学院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：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 拉籼 南京邮电学院硕士学位论文 第一章绪论 第一节论文的选题背景 生物神经系统对来自内、外环境的信息，进行转化、编码、整和、存储，并 使相应的感应器作出反应，整个过程中的信息在神经系统中进行传递，主要是通 过神经元动作电位在神经纤维上的传导和突触处的化学传递实现的，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、信息科学等多门学科的重要课题。 神经元放电脉冲的采集、检测和分析，是研究神经活动的基本过程( 神经信 号如何发生和调制? 神经信号如何在神经元之间传递的? 神经信息如何编码和 加工? ) ，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。有了性 能优越的神经元放电脉冲的检测、分类方法，才能有效地提取和分析神经元放电 脉冲中所隐含的信息，才能更深入她了解脑的奥秘脑如何发育和成熟? 智力 和创造性怎样产生，以及学习、记忆和高级认知功能的机制是什么? 脑的退化和 神经细胞的死亡由什么原因引起? 怎样才能促进脑的再生和修复等问题。 鉴于此，我们和复旦大学合作来研究生物神经元放电信号的采集、检测与 分析。这项研究对于生物科学的研究和发展，对于理解信息科学在神经科学的应 用都有很大的意义。 第二节本课题的目的及意义 本课题是基于虚拟仪器的概念，使用目前最为流行的虚拟仪器软件开发环境 - - l a b v i e w ，对生物神经信号进行数据采集、预处理和显示；然后通过对神经信号 的分析来进一步了解生物的行为，该内容属于认知神经科学的范畴，由于认知神 经科学是近几年才发展起来的- - f 学科，又是一门实验性科学，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。而国内很多高 校都设置了生命科学这个专业，他们使用的生物信号采集、检测、分析的实验仪 器多是技术落后的设备，无法满足实验和科研的需要。有实力的学校可以买进口 的实验设备，进口的仪器价格都是非常昂贵的，而且也不能大量采购：对很多学 校来说都不可能去购买的。 虚拟仪器技术正好能解决这一矛盾，基于p c 机的虚拟仪器可以充分利用微 南京邮电学院硕士学位论文 机资源，可以完成多种仪器的功能，可以组合成功能强大的专用测试系统，可以 通过软件升级，本课题的研究具有现实意义。 第三节本课题的内容 本课题分为两大部分，一是硬件部分，一是软件部分，是硬件电路知识和软 件知识相结合，组成一个软硬结合的测试系统。硬件包括微电极、微电极放大器、 无线发射和接收、数据采集和p c 机，涉及到模电、数电、通信等很多基本知 识；软件包括数据采集、数据分析和处理结果显示，软件知识涉及到l a b v i e w 、 m a t l a b 、小波变换、信号处理、数理统计等知识。系统的整体框架如下图1 1 所示： 图i 1 系统整体框架图 南京邮电学院硕士学位论文 第一部分数据采集 第二章虚拟测量仪器的技术 第一节虚拟仪器的概述 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟 仪器的实质利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形 式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号的数据的运算标准分 析和处理：利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试 功能的一种计算机仪器系统。 1 9 8 3 年，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司提出用于控制测试系统的图形画 编程语言l a b v i e w ，它通过不同的标准总线接口( i e e e 一4 8 8 、h p i b 、g p i b 等) 与 各种测试设备连接。l a b v i e w 的软件体系结构就是“虚拟仪器”。 v i 通过应用程序将计算机与仪器硬件结合起来，用户通过友好的图形界面 ( 虚拟前面板) 操作计算机，一个v i 可以由前面板、数据流框图和图标连接端 口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图相当于仪器的电路结 构，前面板和数据流框图有各自的设计窗口，而图标连接端口则负责前面板窗口 和框图窗口之间的数据传输与交换。随着现代测试与仪器技术的发展，目前虚拟 仪器概念已经发展成为一种创新的仪器设计思想，成为设计复杂测试系统和测试 仪器的主要方法和手段。 第二节虚拟仪器的特点及优点 与传统的仪器相比，虚拟仪器有下几个特点： ( 1 ) 虚拟仪器的硬件、软件具有开放性、模块化可重复使用及互换性等特点。为 提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块而 不用购买完全的新系统，有利于测试系统的扩展 ( 2 ) 可由用户定义仪器功能。由于仪器的功能可在用户级上产生，故它不再完全 由仪器生产厂家来确定，用户可以根据自己的需要，通过增加或删除软件，为虚 拟仪器加入新的测试功能而不用购买一台新的仪器。 南京邮电学院硕士学位论文 ( 3 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他设备互连 ( 4 ) 研制周期大为减少 l a b v i e w 的优点：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构 和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高：另一 方面l a b v i e w 针对数据采集，仪器控制，信号分析和数据处理等任务，设计提 供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编程的繁琐，还提 供了各种总线接口和常用仪器的驱动程序，是一个通用软件开发平台。 南京邮电学院硕士学位论文 第三章硬件系统的构成 第一节系统组成结构的简介 研究生物神经元的活动情况，要依赖于对神经元放电脉冲的记录、检测和分 类。记录神经信号分为细胞内记录和细胞外记录，细胞内记录的电位是膜电位， 由细胞膜内、外电学特性的不平衡产生的：细胞外记录的电位是由细胞膜外的放 电不平衡产生的。本文是研究细胞外记录的神经元放电信号。细胞外神经元放电 信号的记录方法由分为单电极记录和多电极记录，单电极记录是用二根微电极， 其中一根做参考电极，另外一根做记录电极；多电极是用电极阵列同时记录多个 神经元的放电信号。单电极记录是传统的记录方法，一般可记录一到几个神经元 放电。本文采用的是单电极记录方法。 硬件系统主要包括一下几个部分：微电极放大器，无线发射和接收模块，数 据集卡，p c 机。结构框图如图3 1 所示，微电极拾取的毒申经元放电信号，经微 电极多级放大器将信号发大，送入无线发射模块，然后由接收模块接收送到数据 采集卡，经采集卡上的a d 转换器，然后送计算机处理分析处理、存储和显示。 匿蛩鼍翌卜七习 l 部神经信号il 大器lij ! l 盛慧l _ 一a 数d 毳0 卜一羹訾卜l 厂、厂、厂_ 、 l i 处理及显示j - 1转换r 1 块滤波厂卜 第二节系统各部分功能描述 2 1 微电极放大器的原理和设计 神经元单位放电信号是来自神经元胞体，如果直接从胞体上记录脉冲， 其幅度可在数微伏，但由于电极很难靠近胞体，又由于体液的旁路、衰减， 实际记录到的电压强度仅数微伏到数十微伏一般都在微伏数量级。要得到足 够强度的信号以做观察和分析，就要将信号放大数千倍至数十万倍。这样， 南京邮电学院硕士学位论文 放大器就成了神经信号采集系统的核心。结合生物神经元放电信号的特点， 从以下几方面考虑微电极放大器的设计。 神经元放电脉冲的波形的主频在1 k 赫兹左右，微电极放大器应是个音 频范围的交流放大器。由于信号微弱，要求放大器不但要具有很高的放大倍 数和很低的噪声系数，而且要具有很高的输入阻抗，才能使信号不失真。 提高输入阻抗，首先要选用具有高输入阻抗的放大器，其次要接成跟随 器。适合做微电极的放大器的输入阻抗要求在l o ”欧姆左右，这样可以得到 最高的输入阻抗和最低的输出阻抗。跟随器电路连接成图3 2 所示，其增益 为1 ，即这个跟随器无电压放大，它的作用仅是改变输入阻抗，起到放大电 流的作用。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。跟随器就具有这样的功能。 。1 。u to 豢 南京邮电学院硕士学位论文 一个运算放大器有两个输入端，一个输出端。一个负相输入端，一个正相输 入端。所谓正相端就是指在此端口输入一个信号，输出信号和其在相位上是一致 的。负相输入端刚好与其相反。跟随器的接法如图3 4 所示： 图3 4 同相跟随器 微电极放大器前级加跟随器，后级才是起放大作用的运算放大器。对于生物 信号而言，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千倍的放大率。本文中，用了3 级运算放大器来实现高的 放大倍数。 另外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。共模输入就是记录神经信号时，使用 参考电极如图3 5 所示：将记录电极接在跟随器1 的输入端 、r c z ： 辱习 叫二怎： 图3 5 共模输入方式 将参考电极接在另外一个跟随器的输入端。参考电极的电学特性要和记录电极尽 量一致，而且尽量要放在电位变化不灵敏的地方。 选用参考电极，因为运算放大器接成共模输入时，输出的电位等于两个输入 电位的差值。这样，不管输入的电位有多大，只要这两个输入端接收到的都是同 样的信号那么输出就为零。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 南京邮电学院硕士学位论文 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，相位也一样。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。 本文多级运算放大器采用3 级运放。如图3 6 ，3 7 ，3 8 所示：这里的运算放 大器采用的也是t i 公司的产品t l v 2 2 6 4 ，它的性能指标与t l v 2 2 6 2 一样，所不 同的是前者是4 运放。它的管脚引线定义如图3 9 所示： 图3 6 第一级放大电路 图3 7 第二级放大电路 图3 8 第三级放大电路 根据放大器的基本知识，很容易计算出放大倍数：第一级放大倍数g 1 = r 3 r i = 9 ，第二级放大倍数g 2 = r 8 r 7 = 1 5 ，g 3 = r l l r 1 0 = 1 0 1 5 。这样三级 共放大倍数g = g 1x g 2 x g 3 = 1 3 5 0 - 2 0 2 5 。 南京邮电学院硕士学位论文 1u 1 i 21 3 3 1 2 l 1 1 51 d 矗g 7日 4 0 u t 4 啪一 4 州+ v n o g n 3 l n 3 i n 一 3 0 u t 图3 9t l v 2 2 6 4 的引脚定义 2 2 无线发射和接收 由于这个实验是采集自由移动的大鼠神经元放电脉冲，传统的记录方法是采 用导线传输采集的信号，这样会给大鼠的行动带来很多不便，导线容易缠绕，妨 碍大鼠的行动，限制了它的移动范围，影响数据记录。因此这里我们改用无线发 射和接收技术来传输采集的数据，就可以解决这些问题。 无线发射和接收模块采用u k , w a t f o r dr a d i o m e t r i x 公司的t x 2 ，r x 2 一对数 据发射和接收模块。传输速率1 6 0 k b i t j s ，传输距离在室内可达7 5 米，室外可达 3 0 0 米，载频频率为4 3 3 3 2 m h z ，完全屏蔽。t x 2 ，r x 2 非常适合点对点，多点 之间的无线连接。广泛应用于汽车和建筑物的安全性，电子销售点，远程工业控 制和计算机网络。由于它们的尺寸小( 发射模块的尺寸为3 2 m m 1 2 r a m ) ，适合 安装在大鼠背上，而不影响它的行动：功耗低，适合电池供电。 t x 2 发射模块的结构和引脚框图如图3 1 0 ： 图3 1 0t x 2 的结构框图 其特点：2 阶声表面波滤波器s a w ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 控制，f m 调制 工作电压2 2 v 到6 v 南京邮电学院硕士学位论文 2 次谐波小于- - 6 0 d b r x 2 接收模块的结构和引脚定义框图如图3 1 l 网同 ，一匿 图3 1 1r x 2 的结构框图 其特点：s a w 声表面波滤波器，镜像抑制5 0 d b 电源电压3 v 一6 v 本机振荡器泄漏小于- - 6 0 d b 在1 6 0 k b p s 传输速率时，l p p m 的误码率灵敏度是一9 6 d b m 在4 0 k b p s 传输速率时，l p p m 的误码率灵敏度是一1 0 0 d b m 在1 6 0 k b p s 传输速率时，l p p m 的误码率灵敏度是一1 0 7 d b m 2 3 接收滤波器的设计 从接收模块r x 2 接收的信号，要经过滤波器滤除干扰信号和噪声，才能被数 采卡采集并a d 转换。滤波器设计是借助f i l t e r l a b 软件实现的，低通滤波器通 带截止频率为5 k 赫兹，通带衰减3 d b ，止带频率衰减负8 0 d b 。高通滤波器通带截 至频率2 0 0 赫兹，通带衰减3 d b ，止带频率衰减负8 0 d b 。电路图如下 c 2 1 o d l l f 南京邮电学院硕士学位论文 图3 1 2 ( a )三节b u t t e r w o r t h 低通滤波器 r 2 1 罐 图3 1 2 ( b ) 三节b u t t e r w o r t h 高通滤波器 2 4 电路的抗干扰设计 由于本系统是采用多级运放来采集微弱小信号，所以设计电路时要考虑噪声 的干扰及抑制干扰，抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径， 提高敏感器件的抗干扰性。从以下2 个方面考虑抑制干扰。 一是器件的选择。对电路中所用的放大器，除了要有对所有的输入噪声有良好 的抑制能力外，还要求本身所产生的噪声要小，即希望是一个低噪声放大器。如 果放大器本身产生的噪声非常大，就是严重影响检测和放大，有用信号就会被淹 没。对于电路里其他元器件的选择，也要要求噪声系数要小。 二是印刷电路板的抗干扰设计。这方面要考虑几个因素：( 1 ) 电源线的布置： 要根据电流的大小，尽量调宽导线布线，使电源线，地线的走向与数据信息传递 方向一致。电源输入端要加高频滤波电容。( 2 ) 地线的布置：数字地与模拟地分 开，接地线应尽量加粗，减少导线电阻：接地线应尽量构成闭循环回路，这样可 以减少地线电位差。( 3 ) 去藕电容的配置：印制板电源输入端加电解电容，每个 集成电路的电源和地之间加陶瓷电容，去藕电容的引线不能太长，尤其是高频旁 路电容。( 4 ) 印制板的尺寸：印制电路板尺寸要大小适中，过大时，印制线条过 长，阻抗增加，提高成本，降低抗噪性能：过小，元器件过于密集，各个器件以 及线条间相互干扰，散热效果差。( 5 ) 注意印制板的布线方式：导线间的距离尽 量加大，以减少导线间的分布电容，两条信号线尽量不走平行线，信号线不要太 长，过孔数目尽量少：要综合考虑布线布局。 南京邮电学院硕士学位论文 2 5 系统硬件电路图 综合以上情况考虑，电路原理设计如下 图3 1 3 ( a ) 微电极放大、无线发射电路原理图 c 2 i 口d 1 f 图3 1 3 ( b ) 接收高、低通滤波器电路原理图 图3 1 3 ( b ) 接收模块没有画出来，低通滤波器的输入是无线接收模块的输 出端第6 脚。 2 6 硬件电路的调试 由于我们所用元器件是贴片的，体积很小，印制板的连线很密，而且导线也 很细，为了保证p c b 板连线正确( 没有短路或断路) ，用万用表的电阻档测量各 南京邮电学院硕士学位论文 个导线连接是否正确。检查完p c b 板，保证没有错误的情况下，再仔细地把元器 件焊接到p c b 板上。焊接完，再用万用表电阻档测试贴片器件的各管脚的导通情 况，确保没有短路或短路，特别是电源和地不要短接，以免烧坏元器件。 硬件电路调试所用的信号是p c i 一1 2 0 0 数采卡产生的方波信号，频率1 k 赫兹， 幅度0 0 1 毫伏。用示波器观察微电极放大器的输出端( 图3 1 2 中u 2 b 的第7 脚) ， 检查输出的信号是否正确( 幅度为1 3 5 毫伏到2 0 2 5 毫伏) 。不正确，检查第二 级放大输出，第一级放大输出，看是否符合要求，直到排除故障。一般情况下， 只要电路连接正确，电源正确，输出就可以满足要求。所以每一步工作都要仔细 去做，以免带来不必要的麻烦。 调试好微电极放大器，使之满足要求，再把无线反射、接收模块和高、低通 滤波电路连接好，用示波器测量滤波器的输出端，检查输出信号是否正确。硬件 电路调试完，确保系统正常工作，为下一步与数据采集软件系统联调做准备。 2 7 数据采集和，d 转换 2 7 1 数据采集卡的功能 本文的数据采集由数采卡完成，一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、 模拟输出数字i o 、计数器计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。 模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器、采样 保持电路以及a d 来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。 a d 的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合 适的a d 。 模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器( d a ) 的 建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值 改变的快慢。建立时间短、转换率高的d a 可以提供一个较高频率的信号。如果 用d a 的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的d a ，因为加热 器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择d a 的参数指标。 数字i o 通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参 数包括：数字口路数、接收( 发送) 率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、 开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合， 而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理 南京邮电学院硕士学位论文 设备，仍可以用采集卡输出的低电流的t t l 电平信号去监控高电压、大电流的工 业设备。 许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信 号：门限信号、计数信号和输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作 或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准：输出是在输 出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意 味着计数器可以计数更多，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就 越快。 2 ，7 2 数据采集系统的构成 d a q 系统的基本任务是完成对物理信号的采集与测量。但是要使计算机系统 能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号( 电压或者电流 信号) 。有时不能把被测信号直接连接到d a q 卡，而必须使用信号调理辅助电路， 先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个d a q 系统，包 括采集原始数据、分析数据、给出结果等。 图3 1 4 表示了数据采集系统的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡 初始化，板卡上和内存中的b u f f e r 是数据采集存储的中间环节。 图3 1 4 数据采集系统的结构 2 7 3 数据采集过程中需要考虑的因素 当采用d a q 卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式( 单端输入或 者差分输入) 、分辨率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。 l4 南京邮电学院硕士学位论文 单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平 ( 大于l 伏) ，信号源与采集端之间的距离较短( 小于1 5 英尺) ，并且所有输入 信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。差分输 入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪声的误 差，所以差分输入的精度较高。 输入范围是指a d c 能够量化处理的最大、最小输入电压值。d a q 卡提供了可 选择的输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。 分辨率是模数转换所使用的数字位数。分辩率越高，输入信号的细分程度就越 高，能够识别的信号变化量就越小。如果分辩率不够高，许多变化在模数转换 过程就会丢失。只有当分辨率比较高是，才可以比较准确地表示原始信号。 增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以 实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。 总之，输入范围，分辩率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。 此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的0 ，i 变化，通常叫做转换宽度。 其算式为： 转换宽度= 输入范围( 增益十2 分辩率) 采样率决定了模数变换的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多， 对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精确度 就很差。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果 给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特 频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯持频率的成分，信 号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图3 1 5 显示了一个信号分别用合适的采 样率和过低的采样率进行采样的结果。 南京邮电学院硕士学位论文 足够采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果 图3 1 5 信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果 2 7 4p c i 一1 2 0 0 数采卡 2 7 4 1p c i 1 2 0 0 数采卡的简介 本文的数据采集是由n i 公司的p c i 一1 2 0 0 数采卡完成的。 l a b v i e w 的数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 程序库包括了许多n i 公司数据 采集( d a q ) 卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能一模数转换， 数模转换，数字量输入输出，以及计数器定时器操作等。用户在使用之前必 须d a q 卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的d a q 驱动程序。 p c i 一1 2 0 0 数据采集卡是美国n i 公司推出的数据采集与控制设备。该数据采 集板包括8 条模拟输入通道，可根据用户的需要将其配置成8 条单端输入通道或 4 对差分输入通道：包括1 2 位逐次逼近式a d 转换器；包括三个8 位的t t l 电 平数字输入输出端口( p o r ta 、p o r tb 、p o r tc ) 共2 4 线；还包括三个1 6 位用 于定时输入输出的定时计数器。此外，p c i 一1 2 0 0 还是真正的免跳线、即插即用 式数据采集板。它允许用户使用软件对d m a 、中断请求、基本输入输出地址进行 设置，避免与计算机中其他硬件设备发生资源冲突。 p c i 一1 2 0 0 的具体功能如下： ( 1 ) 信号采集( 包括模拟信号输入和a d 转换两部分) 部分，即前向通道，主 要指标如下： 提供三种信号输入方式选项：单端无参考地输入、单端有参考地输入、 差分输入； 放大器增益( 软件设置) ：1 、2 、5 、l o 、2 0 、5 0 、i 0 0 ： 南京邮电学院硕士学位论文 分辨率：1 2 位； 单通道采样率：l o o k h z s ： ( 2 ) d a 转换部分，即后向通道，主要性能指标如下： 分辨率：1 2 位： 响应时间( 即最快刷新速率的倒数) ：l m s 。 一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作， 当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集 卡硬件打交道。n i 公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件一一 m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ，它可以配置n i 公司的软件和硬件，比如执 行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、察看所连接 的设备等。 2 7 4 2p c i 一1 2 0 0 数据采集卡的安装检验与参数设置 要使数据采集卡正确的实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一 些参数进行正确设置。l a b v i e w 提供了m e a s u r e m e n t a u t o m a t i o n 软件。该软 件可以自动检测到与系统( p c 机) 相连的设备( 如d a q 卡、g p i b 、v i s a 、v x i 、 i m a q 等硬件产品) ，并可调用相应设备参数进行设置。 ( 1 ) m e a s u r e m e n t a u t e m a t i o n 的调用 m e a s u r e m e n t a u t o m a t i o n 图标在w i n d o w s 桌面上，它在安装完l a b v i e w 后自 动产生的。其调用方法是：用鼠标点击m e a s u r e m e n t a u t o m a t i o n 图标后，出 现图3 1 6 所示的浏览窗口： 图3 1 6p c i - 1 2 0 0 检测界面 南京邮电学院硕士学位论文 ( 2 ) 检验 若p c i 一1 2 0 0 数采卡已经插入p c 计算机的p c i 插槽中，重新歼机时，计算 机会显示找到新添加的硬件p c i 一1 2 0 0 ，或者开机后，到控制面板 系统属性 设备管理器，可以看到d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e s 目录下的p c i 一1 2 0 0 。表明 已安装成功。如果图中看不到p c i 一1 2 0 0 。这时必须要在m a x 的v i e w 子目录下 用r e f r e s h ( f 5 ) 刷新一下，就可以找到p c i 一1 2 0 0 了。 ( 3 ) 参数设置 用鼠标双击p c i 一1 2 0 0 ，在主菜单下面出现p r o p e r t y 、d e l e t e 、t e s tp a n e l 三个菜单。其中，d e l e t e 用于删除p c i 一1 2 0 0 ；t e s tp a n e l 用于测试数采卡； 而p r o p e r t y 则是用来设置属性的。点击p r o p e r t y ，即可出现图3 1 7 图3 1 7 数采卡配置界面 本系统需要设置的参数配置如下： s y s t e m 设置项 该设置项显示了设备占用的系统资源以及设备的编号。 d e v i c el l a b v i e w 分配给l a b p c 一1 2 0 0 型数据采集卡的设备号为l ，因为没有接 入其它的i o 设备。 r e s o u r c e s i n p u t o u t p u tr a n g e 为o x e 8 0 0 0 0 0 0 o x e 8 0 0 0 f f f ，即p c 计算机分配给p c i 南京邮电学院硕士学位论文 一1 2 0 0 型数据采集卡的输入输出地址范围。 i n t e r r u p tr e q u e s t 为1 l ，即p c 计算机分配给p c i 一1 2 0 0 型数据采卡的中 断号为1 l 。d i r e c tm e m o r ya c c e s s 为1 ，2 ，3 ，即计算机分配给p c i 一1 2 0 0 型数据采集卡的直接访问内存的地址号为l ，2 ，或3 。 a i 设置选项 用于设置模拟输入属性。 p o l a r i t y 极性选择，实值测量，根据输入信号是单极性还是双极性，选择合适量程， 本课题选择的量程为o 5v 。 m o d e 模拟信号的输入方式：单端无参考地接入。 南京邮电学院硕士学位论文 第四章系统的软件设计 第一节数据采集 1 1l a b v i e w 的编程环境 l a b v i e w 开发环境分为前面板和流程图两部分，前者对应于一台实际仪器的 面板，实现的是对仪表的控制和信号的表达功能；后者是程序的图形化源代码， 它包括函数、结构、代表前面板上控制对象和显示对象的端子以及连线等，用于 实现仪表对信号的采集处理等的操作。 l a b v ie w e 用程序的构成 所有的l a b v i e w 应用程序，即v i ，包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、流程图( b l o c k d i a g r a m ) 以及图标连结器( i c o n c o n n e c t o r ) 三部分。 前面板 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，忍于模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种 图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、图表和图形等，这使这得前面板直观 易懂。 流程图 流程图提供v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义 在前面板上的输入和输出功能。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图 程序用l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程 序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示 传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控带4 命 令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 图标连接器 v i 具有层次化和结构化的特征。一个v i 可以作为子程序，这里称为子v i ( s u bv i ) ，被其他v i 调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。l a b v i e w 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的v i 程序当作子程序调用， 以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。 图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框图中 南京邮电学院硕士学位论文 被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，就像函数的 参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。连接器一般情 况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它。 l a b v i e w 的操作模板 工具模板( t o o l sp a l e t t e ) 该模板提供了各种用于创建、修改和调试v i 程序的工具。如果该模板没有 出现，则可以在w i n d o w s 菜单下选择s h o wt o o l sp a l e t t e 命令以显示该模板。 当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从 w i n d o w s 菜单下选择了s h o wh e l pw i n d o w 功能后，把工具模板内选定的任一种 工具光标放在流程图程序的子程序( s u bv i ) 或图标上，就会显示相应的帮助信 息。 控制模板( c o n t r o lp a l e t t e ) 该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图 标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用w i n d o w s 菜单的s h o wc o n t r o l s p a l e t t e 功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模 板。 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) 功能模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个 子模板。若功能模板不出现，则可以用w i n d o w s 菜单下的s h o w f u n c t i o n s p a l e t t e 功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 1 2 虚拟仪器设计步骤 通常，一个虚拟仪器的设计步骤如下： ( 1 ) 在前面板设计窗口放置控件 首先，在前面板开发窗口使用工具面板中的相应工具，从控制模板中选取 和放置好所需控件，进行控件属性参数设置，标贴文字说明标签。 ( 2 ) 在流程图编辑窗口，放置节点、图框 在流程图编辑窗口，使用工具模板中相应工具，从功能模板中选取和放置 好所需图标，它们是流程图中的“节点”、“图标”。 ( 3 ) 数据流编程 南京邮电学院硕士学位论文 使用连线工具按数据流的方向将端口、节点、图框依次相连，实现数据从源 头按规定的运行方式送到目的终点。 1 3 本课题的数据采集实现 依照虚拟仪器设计步骤，根据本课题的需要，静面板设计如图4 1 所示 选择陆径 图4 1 数据采集的面板图 前面板设置数采卡的采样点数和采样率，模拟通道设置是默认为0 通道 输入数据保存的路径，功能选择里选择“采集”，对应的程序流程图如图4 2 l 窥群j l 至垡詈嘿l 邕警机 _ * * 瓜鬲r 韩鬲搿并再石雨鬲霄 j 蜀一 辱萼需圆 圈4 2 数据采集的流程图 数据采集的软件流程图设计好，进行系统联调。神经元的仿真信号接入 微电极放大器的输入端，信号通过微电极放大器放大，无线发射和接收，再 南京邮电学院硕士学位论文 接入数采卡的模拟输入端，配置数采卡的参数，然后选择数据采集面板上的 控制按钮，输入采样频率、采样点数和数据保存路径，在功能选择框选择信 号采集；运行程序结果如图4 3 所示：尖峰脉冲就是神经元的放电信号。这 是单个电极记录的神经元放电脉冲。 图4 3 数据的记录 把波形在时间轴上拉开就是下面图4 4 的显示 图4 4 数据记录 记录的数据保存成文件格式，为下面的信号分析以及研究神经元的电活动 做准备。 南京邮电学院硕士学位论文 第二部分数据分析 这部分有两个内容，一是神经元放电脉冲的检测方法、技术；二是利用k a t l a b 软件实现数据的检测和分类。 第五章鉴别神经元放电信号的方法 前面几章讲述了神经元放电的记录方法，本章节讲述放电信号的检测和分类 方法。生物神经元放电信号的检测和分类是研究脑部功能的先决条件，是一项技 术挑战；该技术的解决直接关系到能否正确的研究神经系统的功能。 本文采用的单个电极记录，单个电极可以同时记录几个神经元的活动，从图 4 4 可以很清楚看出，单个电级记录了两个神经元的电信号。为了研究单个神经 元的活动，研究脑部的编码信息，必须对记录的神经元信号进行分类。分类的方 法有很多种，主要有阂值检测法，主成分分析法，小波分析，小波包分析和神经 网络。图5 1 是一个电极记录了几个神经元放电信号 图5 1 一个电极同时记录几个神经元的电活