（生物医学工程专业论文）基于μCosⅡ的嵌入式脑电分析系统.pdf

山东大学硕士学位论文 号采集、数据预处理、参数设置、数据传输等几个部分，实现了模块化管理。 4 ) 采用实验室自主研究的脑电采集软件s d u n d 。完成了简单的诱发脑 电信号采集实验。 本系统设计的一个特点是为诱发脑电信号的提取提供了便利机制。系统 由硬件接口来处理事件的起始同步问题。针对脑认知研究要处理不同事件下 的诱发相关电位的特点，采用8 通道o v 5 v 高低电平信号区分8 类不同的刺 激事件。在采集脑电信号的同时获取不同事件的起始同步信号，并将其与脑 电信号封装在一起。这样，上位p c 机在读取了数据后能够从一连串的数据 中寻找到被刺激信号描记的脑电信号部分，对其进行叠加平均，提取出有效 信息。 基于pc o s - i i 的嵌入式脑电分析系统能正确检测脑电信号的变化情况， 实现了诱发脑电信号与刺激信号的同步描记，为诱发脑电信号的离线分析提 供了事件标志，为脑认知的研究提供了实验工具，也可为脑一机接口的研究提 供可靠的实验工具和分析平台。 关键词：脑认知；脑电信号；嵌入式系统；a r m ；uc o s i i ；u s b 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e21s tc e n t u r yi sr e c o g n i z e db yt h ew o r l ds c i e n t i f i cc o m m u n i t ya st h ea g e o fb i o l o g i c a ls c i e n c ea n db r a i ns c i e n c e a d v a n c e si nt e c h n o l o g y ，h u m a n i t yh a sa d e e pk n o w l e d g eo ft h ee x t e r n a lw o r l d ，b u th u m a na w a r e n e s so fi t so w nb r a i ni s v e r ys u p e r f i c i a l i nt h ep r o m o t i o no fg l o b a lr e s e a r c hp r o j e c t s ，t h er e s e a r c ho f h u m a nb r a i nc o g n i t i v e p r o g r e s s h a sb e c o m eo n eo ft h em a i n s t r e a m so f c o n t e m p o r a r y s c i e n t i f i cr e s e a r c h t h eb r a i nc o g n i t i v ef u n c t i o ni sav e r y c o m p l i c a t e db r a i nf u n c t i o np r o c e s s e e ga n a l y z i n gp l a y sav e r yi m p o r t a n tp a r t i nt h ec u r r e n tr e s e a r c ho ft h ec o g n i t i v ef u n c t i o n a tp r e s e n t ，t h ea n a l y z i n g s y s t e mu s e df o rb r a i nc o g n i t i v er e s e a r c hi st o oe x p e n s i v et op o p u l a r i z e t h e r e f o r e ，an e wh i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o w - c o s te e ga n a l y z i n gs y s t e mb a s e d o ne m b e d d e ds y s t e mi sv e r yn e c e s s a r y a ne e ga n a l y z i n gs y s t e mb a s e do na d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ( a r m ) a n d r t c o s - i ir e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h i ss y s t e m c o n s i s t so ft w op a r t s ：e e gm e a s u r e m e n ta n dp c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) e e g m e a s u r e m e n ti sc o n n e c t e dw i t ht h ep cb yu s bi n t e r f a c e t h ed e s i g no fe e g m e a s u r e m e n ti st h ef o c u so ft h i sp a p e r t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e e gm e a s u r e m e n ta r ec o m p l e t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ne x p e r i m e n ti sd o n eu s i n g t h ee e g a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r es d u n dw h i c hi sd e v e l o p e db yt h e l a b o r a t o r yi n d e p e n d e n t l y t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ec a p a b i l i t i e s o ft h i s e q u i p m e n ta r es a t i s f i e d t h ef o l l o w i n gw o r k sa r ec o m p l e t e di nt h i sp a p e r 1 ) t h ed e s i g no fh i g h p e r f o r m a n c ee e gp r e t r e a t m e n t c i r c u i ti n c l u d i n g a m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n ga n da dc o n v e r t e ra r ed e s c r i b e d t h ep e r f o r m a n c eo f e e gp r e t r e a t m e n tc i r c u i t d e p e n d so np r e a m p l i f i e rp r i m a r i l y i nt h i sp a p e rt h e h i g h p r e c i s i o ni n s t r u m e n t a t i o n d i f f e r e n c e o p e r a t i o n a la m p l i f i e r a d 6 2 0i s s e l e c t e dt ob u i l da m p l i f i e rc i r c u i t 山东大学硕士学位论文 2 ) t h eh a r d w a r ed e s i g no fe m b e d d e ds u b s y s t e mi sc o m p l e t e d a na r m m i c r o p r o c e s s o rs 3c 4 4 b o xi su s e da st h ec o r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h e d e s i g no fp o w e rs u p p l y ，j t a gi n t e r f a c e ，r e s e t ，c r y s t a l ，t h em e m o r ya n du s b i n t e r f a c ec i r c u i ta r ed i s c u s s e d t h eb o o t l o a d e rp r o g r a mo fs 3c 4 4 b o xi sa l s o d i s c u s s e d 3 ) t h e t c o s i ir e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mi st r a n s p l a n t e di ns 3 c 4 4 b o x s u c c e s s f u l l y i nt h i sp a p e rs o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do n d c o s i i i n t r o d u c t i o no f a no p e r a t i o ns y s t e mc a nm a n a g ep r o g r a m sm o r ee a s i l ya n dm a k et h es t r u c t u r eo f s o f t w a r ec l e a r m o r ei m p o r t a n t l y ，i t ss o f t w a r ec a nu p g r a d ec o n v e n i e n t l yf o r f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei s c o m p l e t e d t h e d r i v e ro fu s bi sd e v e l o p e di nt h eb a s eo fi - t c o s - i i t h es y s t e mf u n c t i o ni s d i v i d e di n t o f i v e m o d u l e s ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t ap r e p r o c e s s i n g ，p a r a m e t e r s e t t i n g ，o r d e ri m p l e m e n t i n g ，o r d i n a r y t r a n s m i s s i o na n d s y n c h r o n o u s d a t a t r a n s m i s s i o n 4 ) as i m p l ee x p e r i m e n to fe v o k e de e ga c q u i s i t i o ni sd o n eu s i n gt h ee e g a c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r es d u n d t h i ss y s t e mu s e sh a r d w a r ei n t e r f a c e st od e a lw i t ht h es y n c h r o n i z a t i o no f e v e n t s i tu s e s8c h a n n e l s s i g n a l 0 v 5 vt o d i s t i n g u i s he i g h t d i f f e r e n t s t i m u l a t i o n sb e c a u s eb r a i nc o g n i t i v er e s e a r c hh a st od e a lw i t he r pu n d e r d i f f e r e n ts t i m u l a t i o n s s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l so fd i f f e r e n ts t i m u l a t i o n sa r e a c q u i r e dw h i l er e c o r d i n ge e gs i g n a l s ，t h e nt h e s es i g n a l sa r ep r o c e s s e dt o g e t h e r t h es y s t e mc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h ee e gs i g n a l sa n ds y n c h r o n i z et h ee r p s i g n a l sa n dt h es t i m u l a t i n gs i g n a l s t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e mc a np r o v i d eu sw i t h t h ee v e n tf l a gi nt h eo f f l i n ea n a l y s i so fe r p s oi ti sac o n s i d e r a b l yu s e f u l e x p e r i m e n t a lt o o li nb r a i nc o g n i t i v er e s e a r c h i ta l s os u p p o r t su sw i t har e l i a b l e e x p e r i m e n t a lt o o la n da n a l y z i n gp l a t f o r mf o rt h eb r a i n - c o m p u t e ri n t e f a c e k e yw o r d s ：b r a i nc o g n i t i o n ；e e g ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y ) ；e m b e d d e ds y s t e m ； a r m ；p c o s i i ：u s b i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 期：乡鹱二堇望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邀趑越导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 21 世纪是世界科学界公认的生物科学、脑科学的时代。l9 9 5 年夏，国际 脑研究组织在日本京都举办的第四届世界神经科学大会上提议把下一世纪 ( 2 1 世纪) 称为“脑的世纪 。科技的进步使人类对外在世界的认识已经相 当深刻，但人类对自身的认识却十分肤浅。至于对脑的认知功能的研究就更 粗陋了。在全球性的研究计划的推动下，有关脑认知过程的研究已成为当代 科学发展的主流方向之一。 世界各国普遍重视脑科学研究口1 。美国第10 1 届国会通过一个议案，命 名1 9 9 0 年1 月1 日开始的十年为“脑的十年 ，重点研究保护大脑，防治脑 疾病；欧共体成立了欧洲脑的十年委员会及脑研究联盟，兼顾保护脑和了解 脑；日本在19 9 6 年制定为期二十年的“脑科学时代一脑科学研究推进计 划一，把创造脑提升到了和了解脑、保护脑并重的地位并成为脑研究的三大 目标；中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础 的研究项目，并被列入了 国家的“攀登计划。可见，对于脑的研究是多角度、多层次、更是多学科 的。在这些全球性的研究计划的推动下，对人脑语言、记忆、思维、学习和 注意等高级认知功能进行多学科、多层次的综合研究也已经成为当代科学发 展的主流方向之一，有关人脑高级认知过程的研究正以几何级数增长。 认知功能是一个广为沿用并且含义广泛的概念。一般来说，认知功能是 指包括感觉、知觉、记忆、判断、思维、推理、问题解决、学习、想象、概 念形成和语言等在内的广泛的脑功能，它是人体大脑高级机能的重要功能之 一n 。认知科学起源于美国。它的兴起是各门学科相互渗透的必然结果，是 各学科的分化过程和整体化过程的统一们。认知科学涉及的问题非常广泛， 从神经生理基础到计算机科学，从哲学到社会文化因素，都有认知的问题。 认知研究的手段目前主要有： 1 ) 基于脑结构成像的研究( 血管造影术、c t 、m r i ) 。 山东大学硕士学位论文 2 ) 基于脑功能成像的研究( p e t ，p o sit r o ne m is sio nt o p o g r a p h y ，f m r i ， f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 。 3 ) 神经电记录刺激( 单通道、多通道电记录，e e g ，e r p ，m e g ，t m s ) 。 4 ) 认知测试( 心理测试等) 以及计算机建模仿真。 1 2 脑电在认知研究中的应用 目前，脑电信号被广泛的应用在认知研究中。脑电( e e g ) 检测是一种无创 的、具有高时间分辨率的、侧重时间上的信息传递和处理的研究方法。e e g 包含了大脑皮层神经活动的信息，其中蕴含着包括思维、情感、精神以及心 理等活动的丰富内容，深入研究e e g 对了解认知和思维过程，对揭示大脑工 作机理具有重要意义。目前，国际上许多学者都在进行认知脑电的研究，他 们主要对不同导联、不同心理作业的时间信号进行处理，利用不同认知状态 下的能量分布特性来揭示大脑工作的机理。 在认知研究中，诱发电位是目前的主要手段之一。19 4 7 年p a w s o n 提出 了诱发电位的概念，19 71 年j e w e t 等人报告了有关听觉诱发响应的事实1 。 k u t a s 指出哺3 ，凡是对外周感觉器官、感觉神经、感觉通路与感觉系统的任 何有关结构进行特定的刺激，从而在脑中任何部位产生可测出的电位变化， 都叫做诱发电位。由于诱发电位的特异性，即它与“特定”刺激的有关性以 及与特定的感觉回路的密切联系，使得它携带了有关大脑结构及功能的更多 信息。因此诱发电位更具有重要的研究价值。研究认为诱发电位反映认知 过程中大脑的神经电生理改变，因此又有人称之为“认知电位 ，即当人对某 种客观事物进行认知加工( 如注意、记忆、思维) 时，通过平均叠加法从头颅 表面所记录到的脑电位。诱发电位把大脑的神经生理学与认知过程的心理学 融合起来，使诱发电位成为了解认知的神经基础的最主要的信息来源。这些 认知过程包括感觉、知觉、记忆、判断、思维、推理、问题解决、学习、想 象、概念形成和语言等。 1 3 脑电信号 脑电信号主要是由皮层内大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形 成的，是许多神经元共同活动的结果阳3 。因为锥体细胞在皮层排列整齐，其 2 山东大学硕士学位论文 顶树突相互平行并垂直于皮层表面，因此其同步电活动易发生总和，从而形 成较强的电场，改变皮层表面的电位。 大脑皮层的电活动有两种不同形式，一种是在无明显刺激情况下，大脑 皮层能经常自发的产生节律性的电位变化，这种脑电活动称为自发电位心3 。 另一种是感觉传入系统或脑的某一部位受刺激时，在皮层某一局限区域引起 的电位变化，这种电位变化称为诱发电位。 诱发电位一般都比较弱，容易湮没在自发脑电信号中，因此诱发电位的 提取需要用到各种信号处理的方法，并需要用计算机来完成。例如用叠加的 方法，以刺激时刻为参考点，把相同时间段内的数据进行叠加，这样自发电 位为随机噪声，诱发电位为信号，在多次平均叠加过程中，自发电位被削弱， 而诱发电位被加强，从而把诱发电位信号从背景信号中提取出来。 诱发脑电信号与自发脑电信号相比，有如下几个特点： 1 ) 具有一定的潜伏期，即刺激信号与脑电信号之间存在特定的时间关系。 2 ) 外界刺激引起的脑电位变化在同样条件下可以重现，具有可重复性。 3 ) 刺激特定的感觉系统，会在对应的大脑皮层区域产生电位变化。 因此在采集诱发脑电信号时，一般是在给受试个体特定刺激的同时，同 步启动采集仪器进行信号的采集，从而使刺激信号与诱发脑电记录点之间遵 守严格的时间关系。 脑电信号作为一种人体生理电信号，具有自身独特的采集要求： 1 ) 脑电信号比较微弱。从头皮描记的脑电信号只有10 0 u v 的较小振幅，一般 为10 u v 一5 0 u v 。因此它要求的放大增益要高得多( 约1 0 0 d b 左右) 。 2 ) 由于信号太微弱，同样大小的共模电压对脑电检测将会造成更为严重的影 响，因此要求脑电放大器有更高的共模抑制比，约为( 10 0 0 0 ：1 ) 。 3 ) 强噪声背景。人体本身是一个复杂的系统，人体其他生理参数的变化引起 的电位噪声对脑电信号的提取产生不利的影响；人体在电磁场中( 如5 0 h z 的工频电网) 吸收的电磁能会形成对脑电信号的强干扰。 4 ) 为了防止极可能出现的基线漂移，对脑电采集电极也有更严格的要求，应 采用银一氯化银制的极化电极，以提高极化电压的稳定性。 5 ) 由于脑电电极比心电电极要小得多，因此它具有较高的信号源阻抗，这就 要求放大器有更高的输入阻抗( 大于1o mq ) 。 3 山东大学硕士学位论文 6 ) 人体脑电信号的有效频率集中在0 3 0 h z 。根据香农定理：若模拟信号x ( t ) 为有限带宽信号，其最高频率为f ，只有当取样频率f 。大于或者等于两倍 的f 时，对x ( t ) 进行等间隔采样，得到离散时间采样信号x ( n ) = x ( n t 。) ， 其中t 。= l f 。为采样间隔，这样读取的信号才可以保持原信号x ( t ) 的全部 信息。在仪器设计中，只要采样频率在6 0 h z 以上即可以令信号不失真。 7 ) 脑电采集时电极置于人体头皮处，人体本身是导电体，容易受到电极的威 胁，基于安全因素的考虑，在设计脑电信号放大器时必须考虑到采用隔离 屏蔽。 1 4 电极导联 电极可分为作用电极、参考电极与接地电极。安置在头皮上的电极为作 用电极，记录到的脑电信号是作用电极和参考电极的差值。放置在身体相对 零电位点的电极，即为参考电极。接地电极通常放置于头前部中点，也可放 在头部和身体的任何部位，该电极有助于抑制5 0 h z 的工频干扰n 纠。脑电图 的导联方法可分为使用参考电极的单极导联法和不使用参考电极而只使用作 用电极的双极导联法。 单级导联。将作用电极置于头皮上，参考电极取于耳垂( 鼻尖或乳突) 来记录脑电的方法，即为单级导联。单极导联的优点是记录到的是作用电极 下的脑电位变动的大致绝对值，其波幅较双极导联高而且恒定。其缺点是参 考电极并不是绝对的零电位点，有可能产生活化现象。 双极导联是仅有两导作用电极，无参考电极的记录方法，其记录到的波 幅值为两个电极之间的电位差，因此可以大大减小干扰，并可排除参考电极 引起的误差，这是双极导联的优点。但是，如果双极导联的两个活动电极间 距离在3 c m 以内，来自较大范围( 距离大于3 c m ) 的脑电位被两个活动电极 同时记录下来，结果电位差值互相抵消，记录的波幅较低，也不恒定，所以 两电极的距离应在3 6 c m 以上，这是双极导联的缺点。 目前，e e g 研究中通常采用国际脑电图学会标定的l0 2 0 电极导联定位 标准( 每个电极与邻近电极离开lo 或2 0 的距离) 。按lo 2 0 系统电极放置 法，左右各取8 个点( 前额、额、测额、中央、顶、枕、颞、后颞) ，中线取 额、中央、顶3 个点，左、右耳垂( 参考电极) ，共放置21 个电极扪，电极 4 山东大学硕士学位论文 的大体位置及名称如图1 1 。 图1 11 0 2 0 电极导联定位标准示意图 1 5 主要工作与各章节的安排 目前脑电信号分析在认知科学的研究中起着不可或缺的重要作用，针对 脑电信号的采集已经有比较成熟的采集设备。比如美国n e u r o s c a n 公司生产 的n e u r o s c a n 系列产品、澳大利亚c o m p u m e d ic 生产的多导睡眠检测仪( 包括 脑电信号的监测) 、国产的中科新拓脑电图机等。其中以美国n e u r o s c a n 系列 产品做得最为出色，市场占有率最高。这些设备一般价格十分昂贵，难以推 广使用。因此，本论文结合实验室的应用需要，采用嵌入式结构，研究了一 种基于实时操作系统uc o s - i i 的新型高性能低价格的脑电记录分析系统。 本文主要做了以下工作： 1 ) 设计了高性能的脑电预处理电路，包括前置放大电路、滤波电路以及a d 转换电路。 2 ) 选择合适的微处理器，设计了满足脑电信号采集要求的嵌入式系统，包括 硬件电路的设计以及启动程序的设计。 3 ) 完成了实时嵌入式操作系统pc o s - i i 在微处理器上的移植，实现了u s b 通信功能，包括u s b 接口电路的硬件设计以及通讯软件的设计。 4 ) 将应用软件所需要完成的功能划分为信号采集、数据预处理、参数设置、 数据传输等几个部分，实现了模块化管理。 5 ) 进行了简单的诱发脑电信号采集实验。 5 山东大学硕士学位论文 全文的主要内容和结构安排如下： 第一章简单介绍了认知功能的概念，讨论了研究脑认知功能的方法，脑 电信号在脑认知研究中的重要性，说明了本文研究的现实意义。研究了脑电 信号的特点以及脑电信号采集的要求，并介绍了脑电采集电极导联方式。最 后对本文所作的主要工作做了大体地介绍。 第二章提供了系统的整体设计框架。介绍了嵌入式系统的基本概念和几 种常用的嵌入式处理器，根据处理器的选型原则和本文系统设计的要求，选 择a r m 作为本文嵌入式系统的微处理器；介绍了几种常见的嵌入式操作系统， 选用实时嵌入式操作系统uc o s - i i 。 第三章完成了系统的硬件设计。设计了脑电预处理电路，主要完成了前 置放大电路、滤波电路、a d 转换电路以及信号隔离电路的设计；根据系统 的要求，选择合适的a r m 微处理器，设计了满足脑电采集的a r m 嵌入式系统， 主要完成了电源、j t a g 接口、复位、晶振、存储器以及u s b 接口电路的设计。 第四章完成了系统的软件设计。主要设计了s 3 c 4 4 b o x 启动程序 b o o t l o a d e r 的设计；完成了实时嵌入式操作系统l ic o s i i 的移植；完成了 系统通讯软件的设计，综合考虑u s b l 1 协议、p d i u s b d 12 与s 3 c 4 4 b o x 的硬 件连线以及pc o s - i i 操作系统，采用分层结构编写了u s b 驱动程序；实现了 脑电信号采集任务。 第五章简单介绍了p c 端软件脑电采集软件一s d u n d 。完成了简单的诱发 脑电信号采集实验。 第六章总结和展望，对本文所做工作的进行了总结，并对以后的工作和 脑电采集分析系统的发展研究进行了展望。 6 山东大学硕士学位论文 第二章系统整体设计及嵌入式系统简介 2 1 系统整体设计 系统整体设计分为两部分：上位p c 机部分和嵌入式脑电信号采集仪器部 分。嵌入式脑电采集仪器通过u s b 接口与上位p c 机进行通信，它能够高质量 的从人体头皮采集脑电信号，为脑电分析提供可靠的基础。上位p c 机的主要 功能是为脑电信号的采集、显示和处理提供一个操作平台。嵌入式脑电采集 仪器是本文研究的重点。 来自大脑皮层的脑电信号，相对于心电信号和肌电信号是比较弱的，一 般只有几十微伏的数量级，而相对刺激事件产生的诱发信号电位更小，仅为 几个微伏。因此获取脑电的首要任务就是要把此电位信号经放大器放大，再 由a d 转换成数字信号，然后才能送进微处理器进行相关处理。采集处理后 的脑电信号经u s b 通讯接口上传至p c 机进行实时显示或历史回放。整个系统 的工作流程如图2 1 所示。 a d 7 6 8 3 n6f一串行数据、控制adi 1 1 位：二! 竺兰：塞! 转换芯片卜一多 活动 电极 s 3 c 4 4 b o xp d i u s b d l 2p c d a t a 7 ：0 】 i 参考 i 电极 j 受试者 e x i n t o n w e n o e 1 3 r e s e t g p c i5 p d 0 p d 7 d a t a 7 ：0 l 端点0 霉w r 巨 i r d 一 篇u s p e n tfsi l 旦r r 一 图2 1 系统结构原理图 刺激源 同步传输 生器 利用脑电分析的方法研究大脑的认知功能，需要处理不同事件下的诱发 相关电位信息。因此在该系统的设计方案中，采用了8 通道o v 5 v 高低电平 信号同时区分8 类不同的刺激事件。诱发刺激信号和脑电信号的同步是一个 比较麻烦的事情。本文中设计了专门的软件模块和硬件接口来处理此问题。 7 兰一 山东大学硕士学位论文 当s 3 c 4 4 b o x 的p d 0 - p d 7 引脚被配置为脉冲输入通道的接口时，外部的诱发 刺激信号在给受试者施加刺激的同时给此接口提o v s v 电平信号，嵌入式脑 电采集仪器在采集脑电信号的同时检测该接口的状态，并将其封装在同步脑 电信号数据结构中传送给上位p c 机；当p d 0 p d 7 引脚被配置为脉冲输出通 道接口时，可以由上位p c 机应用软件发出命令，在此接口输出o v 5 v 电平脉 冲信号，同样由嵌入式脑电采集仪器在采集脑电信号的同时将此电平信号封 装在同步脑电信号数据结构中传送给上位p c 机。本系统采用多时间平均的方 法来处理不同时间下的诱发相关电位信息。 2 1 1 嵌入式脑电采集仪器 嵌入式脑电采集仪器主要实现以下的功能： 1 ) 采集微弱的脑电模拟信号并将其转换为数字量。 2 ) 控制数据采集动作，并对采集到的数据进行预处理，以便于传输、存储。 3 ) 初始化u s b 接口，以完成建立连接以及完成枚举配置过程。 4 ) 接收p c 的指令，包括打开、关闭仪器，以及参数的设定，输出控制信号。 5 ) 将采集到的数据按照规定的格式通过u s b 口传送给p c 。 嵌入式脑电采集仪器分成两部分来设计：脑电信号预处理电路和a r m 微处理器部分。两部分共同构成一个嵌入式系统。脑电信号预处理电路对脑 电信号进行放大，滤波。a r m 微处理器部分主要完成系统的控制功能，并实 现与上位机的通信。脑电预处理电路主要包括放大电路和滤波电路两部分。 这一部分完全由硬件电路实现，不涉及软件设计。微处理器部分的设计则包 括硬件电路设计和软件设计两部分。 2 1 2 上位p c 机 上位p c 机和嵌入式脑电采集仪器之间通过u s b 接口进行通讯，由于通用 p c 机一般都带有u s b 接口，所以对于上位p c 部分没有硬件设计要求，只涉 及软件的开发。p c 机端软件完全控制处于下位机端的嵌入式脑电采集仪器， 包括打开启动仪器、设定参数、数据采集等，并且负责将从仪器采集到的数 据进行记录存储以及处理、显示。p c 端软件采用实验室自主开发的脑电采集 软件s d u n d 。s d u n d 软件采用m ic r o s o f tv is u a lc + + 6 0 设计，数据库采用 8 山东大学硕士学位论文 s q l s e r v e r 2 0 0 0 。具体的处理方法以及界面设计不是本文的研究内容。 2 2 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统n 。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户 的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功 能3 。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点心们： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 能够把通用计算机中许多 由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金 密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计。量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器 的选择更具有竞争力。 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统的产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期。 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或嵌入式本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成后用户通常不能对其中的 程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 1 嵌入式处理器的选择 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单 元。嵌入式处理器可以分成下面几类n9 1 ： 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 9 山东大学硕士学位论文 本文中设计的嵌入式脑电采集仪器要求低功耗，高性能，低价格，并且 集成大量外围设备。综合比较以上几种嵌入式处理器的特点，我们选用了国 内现在比较流行的嵌入式微处理器a r m 。a r m 是a d v a n c e dr is cm a c h in e s 的缩 写，是全球领先的16 3 2 位r is c 微处理器知识产权设计供应商1 。a r m 公司设 计了大量廉价、高性能、低成本的、低功耗的r i s c 微处理器、相关技术及软 件。a r m 公司将其技术授权个给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商， 利用这种合作关系，a r m 很快成为全球性r i s c 标准的缔造者。a r m 结构是基 于精简指令集原理设计的，它具有三级流水线：取指、译码、执行，能提供 0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。总线采用冯诺依曼结构，指令和数据共用一 条3 2 位总线，但是只有装载、存储和交换指令可以对存储器中数据进行访问， 其数据宽度可以是8 位字节、16 位半字或者3 2 位字。目前，a r m 处理器应用比 较多的是a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l0 和s e c u r c o r e o 系列的产品。 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 嵌入式操作系统的引入是嵌入式脑电采集仪器软件设计的基础。嵌入式 操作系统是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源 的分配；工作的调度、控制，以及并发活动的协调：它必须体现其所在系统 的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。嵌入式操作系统 在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方 面具有较为突出的要求。目前，常见的嵌入式操作系统有嵌入式l in u x ( e m b e d d e dl in u x ) 、w in d o w s c e 、 v x w o r k s 、n u c1e u s 、e c o s ( e m b e d d e d c o n f i g u r a t i o no p e r a t i n gs y s t e m ) 、 o s e 、i ic o s i i 。 嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方面加以考虑： 1 ) 操作系统的硬件支持：是否支持目标硬件平台；可移植性。 2 ) 开发工具的支持程度。 3 ) 能否满足应用需要：对操作系统性能的要求；中文内核支持；标准兼容性； 技术支持；源代码还是目标代码许可。 从以上三方面综合考虑，本文中选用嵌入式实时操作系统pc o s - i i 。它 的主要特点如下n 们： 1 ) 公开源代码。源代码全部公开。这样使系统变得透明，很容易就能把操作 1 0 山东大学硕士学位论文 系统移植到各个不同的硬件平台上。 2 ) 可移植性。uc o s - i i 绝大部分源码是用a n s i c 写的，可移植性较强。 3 ) 可固化。uc o s - i i 是为嵌入式应用而设计的，只要开发者有固化手段， 就可以把uc o s - i i 嵌入到产品中使它成为产品的一部分。 4 ) 可裁剪。可以只使用uc o s - i i 中应用程序需要的那些系统服务，这样可 以减少产品中| ic o s - i i 所需的存储器空间( r o m 和r a m ) 。 5 ) 占先式。pc o s - i i 完全是占先式( p r e e m p tiv e ) 的实时内核，1 1c o s - i i 总 是运行就绪条件下优先级最高的任务。 6 ) 多任务。pc o s - i i 可以管理6 4 个任务，目前的版本保留8 个给系统。应用 程序最多可以有5 6 个任务。 7 ) 任务栈。每个任务有单独的任务栈，pc o s i i 允许每个任务有不同的栈 空间，以便压低应用程序对r a m 的需求。 8 ) 系统服务。uc o s - i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、 块大小固定的内存的申请和释放和时间相关函数等。 9 ) 中断管理。中断可使正在执行的任务暂时挂起，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 10 ) 稳定性与可靠性。 2 2 3 开发工具的选择 本文中编译器及调试工具选择a d s l 2 ( a r md e v e lo p e rs u i t e ) 。a d s 是a r m 公司是为嵌入式a r m 设计的一整套软件开发工具，支持包括w in d o w s 和 u n ix l if l u x 在内的多种操作系统。a d s 主要模块包括：a n s i c 编译器( a r m c c 和 t c c ) ，i s o 嵌入式c + + 编译器( a r m c p p 和t c p p ) ，a r m t h u m b 汇编器( a r m a s m ) 、 链接器( a r m lin k ) ，w in d o w s 集成开发环境( c o d e w a r r io r ) 、调试器( a x d ) 、格 式转换器( f r o m e lf ) 、库管理器( a r m a r ) ，c 和c + + 库h 引。 a d s 支持多种格式，如a r m u la t o r ( 指令级仿真) ，m u l ti _ i c e ( j t a g 调试和串 口方式调试) 。a d s 可以在w in d o w s 下直接使用，非常方便，效率也很高。 山东大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 系统的硬件设计分为两大部分：脑电预处理电路的设计和a r m 微处理器 部分的设计。脑电预处理电路完成脑电信号的放大、滤波以及a d 转换等功 能；a r m 微处理器部分的设计也就是嵌入式系统的设计，主要完成a r m 微处 理器外围电路的设计。 3 1 脑电预处理电路的设计 3 1 1 屏蔽驱动及参考电极驱动 图3 1 屏蔽驱动及参考电极驱动电路 从与人体头皮相接触的电极到嵌入式脑电采集仪器，导线的长度一般大 于1m 。由于导线引线用屏蔽电缆，脑电信号通过电缆传输时，在信号线和电 缆屏蔽层之间将有可观的分布电容n 们。屏蔽驱动电路的目的是使导线屏蔽层 分布电容的两端电压保持相等。两个参考电极按照国际导联标准连接于2 个 耳垂上，分别为同侧8 导输入活动电极提供输入参考电压信号，其稳定性非 常重要，必须具有足够的驱动能力。屏蔽驱动及参考电极驱动电路如图3 1 。 参考电极驱动电路中，我们选用m o t o r o l a 公司的t l 0 71 构成一个跟随放大器， 跟随放大器的设计增益为l 。t l 0 71 是一款低噪声( 18 n v h z ) 的差分运算放 1 2 山东大学硕士学位论文 大器，具有低偏置电压( 3 m y ) ，低漂移电流( 5 p a ) 的特点，其输入阻抗达到 1o o g 1 。图中r l0 6 、r 1 10 、r 1 11 组成了分压网络，主要是为了和活动电极 放大器的定标信号参考输入电阻相匹配，减少不对称电压对测量信号的影响。 3 1 2 前置放大器的设计 脑电信号非常微弱，对放大器的增益要求很高，高的增益过程一般是通 过分级实现的。本文中放大电路分为前置放大器和主放大器。脑电信号采集 时的干扰信号多是共模信号( 如