（计算机软件与理论专业论文）数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现.pdf

数字齄嗽仪信母采集子系统的设计姆实现 摘要 摘要 黩电仪是用来记录人体大撼皮层电压变化的一种医学仪器，而数字 脑电仪是最近两年才出现的新型医疗仪器，是在原机电式脑电仪基础上 发震超来的释新鳌设备。 数字脑电仪从功能上可以划分为放犬电路、信号采集子系统、软件 分析系统三部分。 脑电仪信号采集子系统主要蜜魂豹是把采集翻熬模拟藏电信号转 换为数字信号，并传输给计算机，这样遵过特定的数值分析软件就能实 现对脑电储号的分析与研究，为鼷学诊断提供帮助。 本文穗出并设计了一个脑电镶号采集系统酶霹行方寨，完成了黪电 信号的数字化采集，实现了脑电储号采集仪岛计算机的通讯。 论文首先介绍了脑电仪的发展及现状，指出了信号采集予系统在数 字脑电佼系统中鹣重繁性及谍鼷研究的意义；然瑟献对脑电信号的粼撰 入手，提出了信号采集子系统的总体设计方案；并结合脑电信号采集的 技术指标和系统本身的特点，制订了脑电采集通讯协议。 簸后穰据系统设计方案和利订豹耱电采集逶讯协议进行了程廖设 计，实现了脑电采集子系统的基本功齄，并进行了测试分析。 关键词：瘸电、信号采集、睾行逶讯、微控剃器 作者：李悫伟 导师：徐汀荣 a b s t r a c t t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t o f t h ，e ，d ，i g i t a 1 e 1 e c h o ，e n c ，e ，p h ，a 1 o g r a p h s i g n a 1 s c 。o 1 1 e c t i o ，n s u b s y s t e 。m t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h ed i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h s i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e m a b s t r a c t t h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a md e v i c ei sak i n do fm e d i c a la p p a r a t u su s e d t or e c o r dt h ec h a n g e so fv o l t a g ei nt h ec e r e b r a lc o r t e xi nh u m a nb o d i e s h o w e v e r , t h ed i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a md e v i c e i san e wm e d i c a l a p p a r a t u sw h i c h h a sa p p e a r e di nt h er e c e n t2y e a r sa n dg o td e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h et r a d i t i o n a lm e c h a n i ca n de l e c t r o n i c e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m d e v i c e o nt h ep a r to fi t sf u n c t i o n s ，t h ed i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a md e v i c e c a nb ed i v i d e di n t ot h r e es e c t i o n s ：t h ea m p l i f y i n ge l e c t r i cc i r c u i t , t h e s i g n a l sc o l l e c t i o ns y s t e ma n dt h es o f t w a r ea n a l y s i ss y s t e m 。 t h eb r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e mi sm a i n l yu s e dt oc h a n g et h e a n a l o g u eb r a i n w a v es i g n a l st ot h ed i g i t a ls i g n a l s ，a n dt h e nt r a n s f e rt h e mt o t h ec o m p u t e r t h e r e f o r ei tc a r la n a l y z ea n dr e s e a r c ht h eb r a i n w a v es i g n a l s b ym e a n so ft h es p e c i f i cd a t aa n a l y t i c a ls o r w a r ea n do f f e rh e l p st ot h e m e d i c a ld i a g n o s e s t h i sa r t i c l e p u t s f o r w a r da n dm a k e sa na v a i l a b l e p l a nf o r t h e b r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o ns y s t e m i ta c h i e v e st h ed i g i t i z e dc o l l e c t i o no f t h eb r a i n w a v es i g n a l sa n dc o m m t m i c a t i o nb e t w e e nt h eb r a i n w a v es i g n a l s c o l l e c t i o nd e v i c ea n dc o m p u t e r t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no f t h e e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m d e v i c e i tp o i n t so u tt h ei m p o r t a n c eo ft h e s i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e mi nt h ed i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a md e v i c e s y s t e ma n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho n t h i ss u b j e c t 。t h e ni ts t a r t sw i t ht h e a n a l y s i st ot h eb r a i n w a v es i g n a l s ，p u t sf o r w a r dt h eg e n e r a ld e s i g nf o rt h e s i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e m a n dd r a w su pa na g r e e m e n to fc o m m u n i c a t i o n t h ed e s i g na n di m p l e m e n to f t h ed i g i t a le l e c t r o e n c e p h a l o g r a p hs i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e ma b s t r a c t f o rt h eb r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o nt o g e t h e rw i t ht h et e c h n i c a li n d e xo ft h e b r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e m a tl a s t i t d e s i g n st h ep r o g r a m sa c c o r d i n gt ot h ep l a no f t h es y s t e ma n dt h ea g r e e m e n t o fc o m m u n i c a t i o nd r a w nu pf o rt h eb r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o n ，a c h i e v e s t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h eb r a i n w a v es i g n a l sc o l l e c t i o ns u b s y s t e ma n d e x e c u t e st e s t sa n da n a l y s i s k e y w o r d s ：e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，s i g n a l sc o l l e c t i o n ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，m i c r o c o n t r o l l e r i w r i t t e nb y s u p e r v i s e db y l i z h i w - e i x u t i n g r o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声鞠 本人郑霾声髓：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人鹱集体已经发表皴 撰写过的研究成果，也零含必获褥荔媸大学或其它教弯摄梅熬学位涯书露使罴避的榜 料。对本交豹礤究作出燕妥赁献豹个人稀桊俸，均穗在文中潋鞠确方式标葫。本人承 担本声明的法律责强。 研究生签名：莲墨：生盛期：! z 学位论文使用授权声明 苏州丈学、审匿科学技朱信惠磷究耩、溪家罱书馆、清华大学论文含作部、中溺 社科院文献儒息情报中心有权保酹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。赊在保密期内的保密论文龄，允谗谂文被查阅翻借鲻，耀以公孝( 包括剃登) 论 文静全豁或吝努海容。论文豹公带( 包括落登) 授稷苏髑大学擎位办办瑗。 研究生签名：查基缝 导师签名：盟 日期： 垒：翌 日期l 至! 塑 数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现 第一章绪论 第一章绪论 脑电仪是用来记录人体大脑皮层电压【l 】变化的一种医学仪器，而脑 电图则是人脑头皮电位记录的一种方法，是脑电仪的输出结果。 在医学临床诊断中，脑电图检查是检测大脑功能正常与否的一种重 要手段。 1 1 问题的提出 1 1 1 机电式脑电仪的缺点 机电式脑电仪也称为描记式脑电仪，是根据机电原理，通过机械的 方式，根据电压的交化将记录到的脑电波用墨水笔画在纸上【1 8 】。 典型的机电式脑电仪的外观如图卜1 所示。 园卜1 枞电式脑融仪外观 机电式脑毫仪鳇缺点鸯翔下强点： 1 ) 稳定性和可靠性相对比较低。例如：纸遮的变化会导致波形描 绘焉图形失真，容易造成分耄蓐憋误差。 2 ) 只能进行静态短时间的检测。病人只能通过去特定的医院进行 臃电图检查，但是我们翔道膝电波鲍勇常活动并不一定连续缝现， 有些题瞬间变化的。因而对一些偶发、短暂、阵发的或具有特征性 的菇电活动，媳翻就燕褥无能为力了。 第一章缝逢羲字簸电搜狺号采集子系统辩靛谤与窭蒜 3 ) 数据保存和查询显褥非常隧难。出予采用纸张的形式保存脑电 图，对病人的资料查询显得栩当困难。 4 ) 脑电波是记录在纸上的，因此，对数据的分柝手段受到限制。 我国予1 9 4 7 年引进两台机电式脑电豳机，躐今已有5 0 年的历史。 目前，机电式脑电仪已经不能完全满足临床脑电梭查的霰要。 1 1 2 数字脑电仪介绍 随着科技的发展，高精度、微型化的放大芯片的出现，使得脑电图 机的测量精度和稳定性大幅提高。数字化脑电仪是最近两年才出现的新 型医疗仪器，是在原机电式脑电仪和脑电地形图仪的基础上发展起来的 一种新型设备。是集脑电放大、数模转换、数据保存为一体的微型脑电 信号记录器，并与计算机软件技术相结合的一种最新技术产品。 数字脑电仪的系统框架如图l 一2 所示。 人体大脑放大器信号采集予系统p c 图卜2 数字脑电仪的系统框架图 数字脑电仪和机电式脑电仪相比较有较大优点： 1 ) 数据的保存是以文件或数据库形式保存的，输出可以通过打印 机随时打印，不存在走纸速度的问题。 2 ) 能够利用数字信号处理的相关技术对数字脑电信号进行处理， 挖掘更多的信息，便于临床的辅助诊断和分析，比以前医生通过目 测和尺量法有本质的区别。 3 ) 数据保存和查询显得十分方便。 当前的科学研究往往是采用许多学科的研究方法去研究一门学科 的对象，如何将心电、脑电、眼动、呼吸等生命体征信息有机地、 数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现第一章绪论 实时地提供给临床医生，如何对精神分裂症、抑郁症、智能障碍、 强追症、恐怖症等神经精神科疾病提供更多的信息，将是今后此类 设备发展的方向，与上述体征信息有关疾病的研究正在成为近年来 医学工作的重点，特别是神经精神科医生研究的热门课题。 数字脑电仪正是为了适应这一医学研究发展方向而研制的。 1 1 3 数字脑电仪实现的关键技术 项目硬件设计包含三个主要部分，即前置放大电路、a d 转换和控 制电路。 翦置放大电路点要解决脑电傣号的放大闯题。 人体发出的脑电信号较小，为微伏数擞级，要实现a d 转换，必须 将其放大十几万倍，并且如此高的放大倍数要使放大信号不失真，必须 在硬件电路中设计捧制干扰的电路。放大的倍数鬃体要视徽控制器的特 性并且和微控铡器的设计相联系。 a d 转换要完成将模拟脑电信号转换为数字脑电信号。 控制电路主要是计算机与前鬟放大器内的控制芯片与通讯电路组 成。 。2 课题的肉容疑设计翻标 本课题的主要研究内裙是提出并设计出一个可行的方案，将放大过 螽的模菝的脑电信号转换必数字信号被计冀祝所接收，必藏端翡p c 枫 提供数字化的脑电信号。， 爨薅的说，课越设计包括戳下蔻个方溢的内容： 第一，研究脑电信号能够转换为数字信号所要求的条件，为前置的 敖大电路设计提密要求。 第二，选择合适的微控制器，通过a d 转换，把模拟信号转换为数 字信号，设计程j 事并实现。 第三，制订并根据通讯协议，使得前端的p c 机和腩电信号采集仪 麓够颗剩豹逶最。 第一章绪论 数字脑电仪倍母采集子系统的设计与实现 第麓，完残对信号采集子系统的测试。 数字化脑电仪的优点就在予能够对获得的脑电信号进行数字信号 分析，本课题主要实现的就是脑电信号数字化这一个环节。 3 课蘧的意义 脑电检测技术发展了几十年，但国内尚无一家企业涉足生产存贮信 患量大、抗予挽毙办强翻稳定髓好熬数字健越邀信患检测仪。此类功憨 的仪器市场上还未出现，即使在豳外市场上也是空白。此项目的开发成 功，将缩短我们与国外同类产晶( 常规脑电图) 的差躐，功能方筒填补 了空皂。可以为临床斓医学嫒究提供更多鹣人体信息，有利于提麓我们 医疗水平，更好地保障人们的身心健康，从而促进经济和社会豹发展。 而本课题所实现的正是数字脑电仪中关键的一个环节，即实现脑电 信号从模拟燮数字的转换，完成脑电数字信号的采集，势设计出一个；l l ； 学可行的方案，使襻脑电采集议和计算祝熊够顺利韵邋讯。 数字赫电仪信号采集子系统的设计与实现第二章脑电信号的剖析与采样分析 第二章脑电信号的剖析与采样分析 2 1 脑电信号简述 2 1 1 脑电波 脑毫波t 2 1 就是大脑生理过程孛产生戆瞧波。 1 9 世纪中叶，神经生理学家有不少重大的突破，首先要推崇的是脑 电的发现。晕在1 8 0 7 年，饿国熬科学家对膣电活动就有了舞始懿探索。 到1 8 7 5 年英国利物浦大学年轻生理学教授c a t o n 已在美豳观察刘在暴 露熬兔藏和猴脑上裁产生微弱熬电交位，势发现所弓l 出的鼠活动波率的 快慢，主要取决动物的精神状态，阀年他在英国医生杂志上发表了 论文齄熬魄流l 射。 1 8 8 8 年，波兰的神经生理学家b e c k 从动物大脑描记出持续的电流， 惩灯光刺激撬感受爨辩，这秘毫波使告消失，荠证明它憝与周缘粼激， 呼吸和心率凭关的翻发性电活动。 1 9 2 4 年，德国精神病学家b e r g e r 博圭，第一次逶过在完整的头疫 上安放电极描记到人脑不同类型的电活动，并在1 9 2 9 年发表论文【4 l 。 臃电变化可分必嚣类。 1 ) 没有特定的外加刺激时，脑神经本身自发地产生的电位变化， 称失自发电活动。 2 ) 人为地对感觉器官施加刺激( 光，声，或电) ，研究它弓f 起的 魅电毽交凭，称为诱发电位响应【5 1 。 2 1 2 脑电图( e e g ) 1 9 3 4 年，英国最著名的神经生瑾学家、诺贝尔医学生迸学奖获得者 a d r i a n 爵士及美国的d a v i s 等人证实并应用予临床以后，正式提出脑电 图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 这一名词嘲。 脑电图( 嚣e g ) 是人脑头皮电位的记录。 纂二毒箍毫薅弩静瓤辑每采捞分辑数字瓣奄搜信号采集手系统熬设计与实臻 人的脑郝有很多的神经细胞，这些细胞活动的时候都会有微弱的电 压变化。利用仪器记录这魑电压变化，就w 以帮助了解脑部的活动。一 般做法是在人的头皮特定饿置平均地放上l8 个接收电极，再加上其他 的辅助电极，经过特定的仪器，就可以检测到电艨的变化，将记录得到 的脑电压随时阅的变化( 即脑电波) ，绘嫩成图，就是脑电图。 典型的脑电图”嘲如圈2 一l 所示。 图2 - 1 人体脑电豳 因此，脑电图是运用脑电采集仪器在脑皮表面记录到的脑部生物电 活动的波形图。 2 1 3 脑电波的分类 依据脑电图仪与临床生理医学会国际联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f s o c i e t i e sf o re l c c 打o c e p l l a l o 脚h ya n dc l i n i c a ln e u r o p h y s i o l o g y ) 的分类，将脑电 波的频率分为四个频段，分别是口波( 8 1 3h z ) 、1 3 波( 1 4 3 0h z ) 、 0 波( 4 7h z ) 和6 波( 小于4h z ) 。这些意义的组合，形成了一个 人的内在外在行为及学习上的表现7 i 。脑电波的分类如表2 - 1 。 2 2 脑电图在医学诊断中的地位 脑电图描记是检查脑功能正常与否的一种重要手段i 姗。如大脑皮层 有肿瘤时，由于肿瘤本身不发生电波，但脑瘤对周围组织有破坏作用， 在检查时即可在脑瘤部位记录到周围损伤组织不正常的0 波或6 波，由 此可诊断脑瘤的大小与部位。又如癫痫病人，脑电图常出现高振幅的棘 波、光波或综合波等“抽搐放电”的波形。这些波形的改变对协助诊断、 数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现 第二章脯电信号的剖析与采样分析 疗效观察与评价预后都有一定意义【2 l l 。 表2 一i 脑电波按频率的分类 频率范围临床表现 6 波出现于深度睡眠，婴儿及有严重器官性疾病 低于4 i i z ( 无意识)患者身上。 o 波主要出现在小孩的顶叶部及颢叶部 ( 潜意识) ( t e m p o r a lr e g i o n ) ，成人在情绪受到压力时 介于4 7 h z 之间 也会出现；另外在睡眠时期也很明显。许多 脑疾病患者都可找到。波 a 波一般人处于清醒并且安静，休息下所出现的 ( 意识与潜意周期波，其电位约为5 0 微伏，在脑枕叶部 识的桥梁) 介于8 1 3 h z 之间 ( o c c i p i t a lr e g i o n ) 及顶叶部( p a r i e t a l r e g i o n ) 最明显。 8 波在清醒而警觉状态下的周期波。由a 波转变 ( 意识)介于1 4 3 0 h z 之间为b 波的过程称为脑波觉醒，在顶叶部 及额叶部较为明显，电位约为2 0 微伏。 在脑血管病，癫痫症，各种病因的痴采症的诊断，脑电图具有较大 懿意义艘。 2 。3 脑电倦号的剖析 2 3 1 信号的描述方法 信号可淤这群分类嬲： f 摸拟信号 信号1 离散信号 羹攀茎霉信号 模拟信学是时间的连续函数，在规定的时间内的任意时刻信号都有 一定的数值( 摄值) ，疆且此数值憝在一定的范围内随时阕连续变化的。 第二章弦毫禧号熬翔辑与袋样势辑 数字髓电投信号袋羹子系统豹设辞与窭鬓 离散信号只在组特定的时刻有数筐，而在其他时闻数值为零。 脑电信号是一种模拟信号，若把脑电信号表示为，( f ) ，t 是时间，厂 是对应的电压值，湿然，( ) 在整个t 的连续区间都有定义，因此，脑 电信号是一种时间连续信譬。并且，脑电信号只在壹变量t 的j # 负半轴 闭区间【o ，懈) 才取非零值，而在【啦o ) 开区间内取德均为0 ，因此脑电信 号怒因果信号( c a u s a ls i g n a l ) 。并且脑电信号还是时间的非周期蕊数。 2 。3 。2 麟电波的疑突方法 在医学应用上，脑电波的分析主要是对脑电波中出现的各种频率范 围的波进行分析，即把特定频率的脑电波出现和大脑的疾病相联系作为 医学诊断依据。这实际就是对信号进行频谱分析，是从时域到频域的转 换过程。 连续信号的分析： 在连续时间系统中，周期为互，角频率为q = 嘲= 2 ，r 石的符合狄义赫 利条件的周期函数渺可展开成三角形式的傅立叶级数( f s ) 为： ，p ) = 0 0 + ( c o s n o v + b s i n n o v ) ( 2 1 ) 式2 1 表明，周期函数可以表示为各种频率一m 的周期函数的和1 0 l ： 把一个非周期函数，( f ) 看成是其周期延拓： 矿o = f i t 一哟( 2 2 ) 在周期z _ m 时的极限，即： 俐= 謦矿( f ) = 霉抛一月石) ( 2 3 ) 设其离散谱为： 只= 吉ef ( t ) e 州d t ( 2 4 ) t ”i 这样，在王_ o o 情况下，的频谱她5 可以认为是厂( f ) 的频谱。 数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现 第二章脑电信号的剖析与采样分析 即： 。 巾) = f p 侧= 熙v 8 侧 ( 2 5 ) 定义： 只动：墼巧2 ：n n 掣是信号，o ) 的频谱密度函数。 。1 q ”国 则，f ( o j ) 反映的就是在押频率出频谱分量在单位时间间隔q 上的 平均，即单位频带上的频谱值。 所以信号的傅立叶变换( f t ) 为【】： f ( 妫= i 厂p 一删班， ( 2 6 ) 它是信号，( f ) 的频谱密度函数。 非周期信号的傅立叶变换( f d 的频率定义域是连续频率，是整个频 率轴，而函数的值的意义则变为了频率分量的密度值。 由于信号的傅立叶变换f ( c o ) 一般为复值函数，式2 6 可以写成： f ( c o ) = l f ( 6 0 ) l e 9 。 ( 2 7 ) 其中，| 域酬称为信号熊幅度频谱密度函数，表示信号豹柩发密度 随频率变换的幅频特性；而伊( 研为信号的相位频谱密度函数。 慰予脑电信号来说，瘸邀信号是嚣周期透数，它的馋立时变换就懿 式( 2 7 ) 。医生拿到张脑电图后，只能根据经验或者用尺量，去寻找 她想要观察的频率。遥过馋立时变换分橱w 以看到，频率和幄度谱有善 内在的联系，只不过用机电式记录下的脑电波无法使用科学的分析方法 进撂分橱。 2 4 脑电波的采样分析 2 4 1 从时问连续信号到时间离散信号 办予计算枫无法直接慰模拟信号进季亍处理，因此在处理之前苗先要 通过模数转换把模拟的脑嘏信号变成数字信号。 惹把数字信号表示为( ，那么定义域1 7 和德域f 都是离散麴值， 女；= 睾齄壤癌号瓣荆斩与采样分折数字酶瑰役倍弩采集予系统曲设计与实现 数字信号是时阀离教信号。 挺模攒的信号交减数字信号，是对囱变量t 和幅值，阍时进行离散 讫静过程，这个过穰是遥道采溺a d 转换实现的。 数模转换器a d c 包含两个部分。 1 ) 相等的间隔取一次信号的抽样； 2 ) 对信号的抽样( 幅度僚) 进褥量优并瘸固定购比特数宽度的整 数表示。 设五为獭样周期，z = 1 t ，q = 2 硝为抽样角频率。 抽样最简单的方法烂冲激串捶梯，剥爆冲激函数的抽样特饿，一令 踊数，( ，) 与之相乘，可以得到，0 ) 的抽样信号为： 工( r ) = f ( n r , ) 8 ( t - n r ，) = f ( n t , ) 8 ( t - n t , ) = ，( f ) 5 ( t 一，l 正) = f ( t ) a t ( f ) ( 2 8 ) 其中d 函数为： jj e o - ( t ) 舡l o o ) 钐 l 拶( f ) = 0 并且定义周期为疋的周期单位冲激信号为： t a t ) - - z o - q h 疋) ( 2 1 0 ) 由频域卷积定理，其f t 为： 只( 缈) 。玄f t f ( ) 】+ 川( ) 】 2 瓦1f ( o o ) + 以互萨( m h 织) = 亭f ( c o ) 4o r ( c o - n e o n ) 5n = - - 。o = f ( c o 一择姣) ( 2 1 1 1 ) 数字脑屯仪信号采集子系统的设计与实现第二章脑电信号的剖析与采样分析 即： 只( 叻= i 1 f ( c o - n c o ) ( 2 1 2 ) s * m 由此得出，信号按间隔正进行冲激抽样后信号的傅立叶变换是周期 函数，是原函数傅立叶变换的瓦分之一按周期致= 2 9 t 所进行的周期拓 延。这种“等间隔离散化”的函数的傅立时变换是“周期”频谱。实现 了时域离散；王频域周期“。 对最高频率( 截止频率) 为鳞的带限信号f ( o ，如果抽样周期i 比 较大，即以比较小，那么抽样会导致频域上相邻的两个被延拓的频谱发 生交叉混叠，从而使得原始信号的傅立时变换无法从抽样后信号的频谱 中分离出来。如果从一皱到魄区间截取抽样信号的频谱作为对原始信号 频谱的近似去恢复原始信号，那么误差将会很大。相反，如果抽样周期 足够小，满足：q q q ，即q 2 吧，那么抽样信号在频域上将不 会发生混叠。在这样的前提下，信号可以恢复。 2 4 2 采样率的设定 n y q u i s t 抽样定理规定：要保证从信姆抽样后的离散时间信譬无失 真地恢复原始对阅逶续信号，或者说要保证信号的抽样不会导致镁侮信 息的丢失，必须满殿下面两个条件1 1 3 l ： l 信号必须是频带受限的，即其频谱所含频率成分受限予某一个有限 值最高频率，设为婢，信母没有超过频率纰的频率成分。 2 采样率嫂必须至少是镲号最高频率豹嚣倍，即蛾 2 0 j 。 n y q u i s t 抽样溆理规定了采样的最低频率。 在人体脑电波中，只有小于5 0 h z 的波才有医学诊断价值，从理论 上讲，采样的频率麒高，获得的数据越接近理想化，也可以使低通滤波 器的设计简单，但是选 ! 导过高，会造成系统中其他部分的实现上的诸多 困难，使得设计成本大大增加。 在实骣王 乍审考虑到避免频谱漩叠，聚样频攀一般取： 第= 章脑电信号的剖析与采样分析数字脑电仪信号采熊子系统的设计与实现 螺= ( 3 4 ) q ( 2 1 3 ) 基于这样的考虑，脑电波的采样频率以2 5 6 h z 作为初步的采样频率。 并且报据n y q u i s t 定理，采集仅在采样前必须加入保护性前置低通滤波 器一一抗混鬟率波爨，箕截止频率在纹躲霹设置在1 2 0 h z 左卷。 数字脑电仅信号采集子系统的设计与实现第三章信号采集子系统的总统设计 第三章信号采集子系统的总体设计 3 1 信号采集子系统的设计方案 脑电采集仪信号采集子系统的设计目标是很明确的，简单的说，就 是要完成对模拟脑电信号的数字采集，把脑电压转换为二进制的离散数 据，通过一定的传输方式，把数据传送到p c 机，p c 机获得数据后就可 以通过计算还原原始的脑电信号，绘制出波形图输出，并可以采用信号 分析的方法对脑电波进行分析。 信号采集子系统在整个数字脑电仪的结构中起到的是人脑一电脑 的中间桥梁的作用，是一种人一机的接口。 系统的设计思路如下： 1 ) 选择合适的通讯方式，实现采集仪和计算机的通讯。 2 ) 根据艟电仪的特患，割定魅电采集的遥禳协议，采集仪_ 鞫诗算 机的通讯将按照脑电采集通讯协议工作。 3 ) 选择会适熬徽控制器，该羟裁器愁实现模拟到数字的转换，劳 实现脑电采集的通讯协议。 信号摄据a d 转换的要求经过敦大器教大以后和徽控制爨豹模拟 输入口相连；p c 机以2 5 6 h z 的频率，向采集仪器发出采集信号的请求： 采繁仪收到信号采集的请求着痘动a d 转换，著恕转换瑟购信号传绘计 算机( p c ) 。 3 。2 计算橇与酗瞧采集仪的逶添 3 。2 1 通讯方式的确定 一般来说，我们把c p u 与外部设备之间的信息交换称为通讯，计 算枫与计算机之阗的信息交换也珂称为通讯i l 4 1 。 1 ) 并行通讯述是串行通讯 在我们的系统中，采用了微掇制器与计算机进行通讽。 蔫兰章痿号采錾予蓑统静慧俸设诗数字藏毫菠蕊号袋集子系统熊设计与实璇 通讯霄两种方式：并行通讯和串行遥讯方式发送或接收数掇。共幸亍 通讯常用于计算机内部的数据传输，它的数据传输率很高。串行通讯相 对馏尊，但是速度低。并行通讯实现比较复杂，傻是相对速度骞。并行 通讯的距离比较短，不能适合长距离的通讯。在进行长躐离的通讯的时 候，为了提疯信号的抗干扰的特性，最好的办法就是采用串行通讯的方 式j i l l 。 脑电仪要求对脑电信姆的采集频率是2 5 6 h z ，采用1 6 导联。 如果采用串行通讯，并且采朋单字节的方式，每个字节占用1 0 b i t ， 那么传输速搴最低骚求是： 1 6 x 2 5 6 x 1 0 b i t = 4 0 9 6 0b i t 秒 因此可以看出，脑电仪对传输速率的要求并不是缀离，用串行通讯 完全可以选用。 2 ) 单工，半双工还是全双工 串行通讯有单工，半双工和全双工之分。当数据的发送和接收分流， 分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和 接收操作，这样的传送方式就是全双工的传输方式。在全双工方式下， 通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在 两个方向上传送。全双工方式无需进行方向的切换，因此，没有切换操 作所产生的时问延迟。这种方式需要2 根数据线传送数据信号。 计算机通过软件定时，向采集仪发出数据采集的请求，采集根据接 收到的命令向计算机发出数据，可以看出数据在二个方向上同时都存在 着双向信号传输，因此采用全双工方式进行通讯比较合理。 3 ) 同步通讯还是异步通讯 串行通讯分为两种不同的方式，即同步方式和异步方式。从通讯效 率来讲，异步通讯效率低，同步通讯高。但是，异步通讯简单，收发双 方时钟可允许一定误差。同步通讯较复杂，双方时钟的允许误差较小。 异步传输方式也称为起止式同步传输方式。在异步方式中，不需要 传送时钟，只需传送数据，一次一个字符。每个字符用一个起始位引导， 散字脑电仪信母采集子系统的设计与实现第三章储号采集子系统的总统设计 爱一个停止缱结束，在起始短与停止薤之阗是5 焉个数据位，超始经实 际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低电平时，告诉收方传送开 始。它的到来，表示下面接着是数据位来了，要准备接收。而停止使标 恚一拿字符豹结束，它豹疆蕊，表示一个字符传送完肇。这样就势遥信 双方提供了何时开始收发，何时结束的标志。传送开始前，发收双方把 所采用的起止式格式( 包括字符的数据位长度，停止像位数，有光校验 位戬及；黾奇校验还憝髑狡验等) 和数据抟输速率佟统一勰定。传送开始 质，接收设备不断地检测传输线，看是否有起始位到来。当收到一系列 的“1 ”( 停止位或空附位) 之后，检测到一个下跳沿，说明起始位出现， 起始燕缝确谈惹，就开始接收所甄定的数据位察奇锅校验位浚及停止 位。经过处理将停止位去掉，把数据位拼装成一个并行字节，并且经校 验后，无胬偶错才算正确的接收个字符。一个字符接收完毕，接收设 备有继续溺试转输线，益视“瑰平静笺采帮下一个字符的开始，褒戴 全部数据传送完毕。 由上述工作过程可赣到，异步通讯是按字符传输的，每传输一个字 符，就用起始位来通知收方，以诧来重新核对收发双方阿步。羞接收设 备和发送设备两者的时钟频率略有偏差，这也不衾嚣偏差的累积而导致 错钕，加之字符之阀的空阏位也为这静德差提供秘缓冲，所以异步串 程逶讯憋霹靠性高。僵枣予要在每个字符静蓠盾加上起始位和停止谴这 样一些隧热使，使褥传稔效率交低了，哭有约8 0 。 从实时采样这个角度出发，邋讯的可靠性是傻褥酋簧考虑的个方 嚣，所以系统采用异步韵串行通讯方式。从其键赢髑来讲，在微处理器 和计算机进行通讯时，异步通讯方式也是最常用的方式壮3 1 。 3 ，2 。2 接目的确定 r s 。2 3 2 枣行接嗣满予个入诗算辊谬c ) 及电嫔戍蠲颁域孛最必成功 的率行数獬标准；两r s 4 2 2 和r s 。4 8 5 串行接口则楚工泣应用领域中最 为成功的举行数据标准，上述这些数据标准并不巍接相互兼容。 兼三章信号采集予蒹统的融体设计数字脑电仪信号采集子系统的设计与裳现 r s 2 3 最初由电子工业协会( e i a ) 制订并发布的，按照位的方式传 输数撼，它的传输波特率可选。r s 2 3 2 主要应用在数据传输量不太大， 域对数据传输搴要求不太高盼场合，它的优点是应用成本低，并虽广泛 啦用于支持不同的外部设备和p c 之间的通讯，一般p c 上都标配有 到二个r s 2 3 2 接翻。 采用r s 2 3 2 通讯，襄普通的p c 枫邋讯只要抛一根r s 2 3 2 竣电缆裁 可以完成，因此，采用r s 2 3 2 接口是实际可行的方案。 甑上所述，脑电采集仪选用r s 2 3 2 接口和p c 辊进行通讯，速率考 虑到扩充，选定必：波特率= 1 1 5 2 0 0 b p s g l ，采用全双工的异步方式逐 讯。 3 2 3 采样数据格式 考虑到串行通讯的速率和采样率的规定，采样的数据格式莱用单字 节的方式。 在第四章我们将会看到，实际a d 转换结果是1 2 位的数据，如果 采用了8 位数据的话，会导致采样的分辨率有所降低，但是如果采用双 字节发送数据，那么将会带来2 个影响：第一串口的通讯流量将会增加； 第二，数据的存储量将会增加。 串c i 的通讯流量增加有可能导致出错率的增加捋】；数据存储量的增 h o 贝0 将直接导致在未来进行便携式脑电采集仪设计时遇到困难。 选用单字节的数据格式双字节的数据都有优缺点，也都是可行的方 法，在这个项目中我们首先选择的是采用单字节发送数据。 3 3 通讯协议的制订 3 3 1 脑电采集通讯协议的设计 通讯方式确定以后就可以制订脑电采集仪和p c 机的通讯协议了。 脑电通讯协议从脑电信号的实际应用情况出发，主要考虑的有以下 几方面： 数字脑电仪信号采集子系统的设计蝴实现第黛章信峙采集子蒜统的总境设计 1 ) 由于脑电采集仪只和pc 机通过r s 2 3 2 相连进行实时数据采样， 因此暂不需簧考虑拥塞控制，流量控制等方面的影响； 2 ) 对采样率鳃控铡是逶过软释设计定时器，以2 5 0 h z 懿频率蠢控 制器发送指令以捩取数据包； 3 ) 通讯包分为二种，一种是控制器给p c 枫的通讯包，一种是p c 规绘控制器的通讯包，要分嬲定义这二类逶谶包的格式。 主要要求如下： 1 ) 系统采用r s 2 3 2 通讯接口，通过串行数据线与p c 的r s 2 3 2 接 口连接。 2 1 通讯接口参数：波特率= 1 1 5 2 0 0 ，起始位= l ，数据位= 8 ，停止位 = l 。 3 。3 。2 黩毫采集通讯协谈麓裁订 按照上面爱透逶讽协议懿要求，簸窀采巢饺翡遴谣协议将按照下瑟 瓣逶讯秘议格式遴行逶添。 ( 一) 遥谖毽格式： 1 ) p c 发送绘脑电采集纹的逶禳毯 p c 发送给脑电采集纹的通添包采用荸字节豹格式。该攀字节的内 容瑟p c 发送绘藏电采集纹豹擐令。 2 脑邀采集仪发送绘p c 夔逶瀑毽 脑毫采集纹发送绘p c 瓣逶镶毽采用不定长的戆式，毒长度、捺令 弱蠢褰三郝分缀成。表3 一l 给窭了详细的说骥。 第兰章信号采集予蒜统的总体设计 数字脑电仪信号采熊子系统的设计与实现 表3 l 脑电采集仪发送给p c 的通讯包 偏秽0l 2 n 长度 l 1n l j 漓舔誊 l e n g t h c o m m a n dc o n t e n t i 溪峨i 长度指令内察 麓 n ( 详见指令详解)( 详见指令详解) ( 指令积内容的字节数) ( 二) 指令详解( 表中所给出的数值均为十六进制) 1 获取脑电采集仪参数( 参见表3 - - 2 ) 表3 2 获取脑电采集仪参数的指令详解 ? 萋蟋j 荡继醺黼蘩鬻黼黼匿鞫戳o i ，m 。“。i 。鬟纂。冀篓 蒸i i 鬻熊| i 穰穆i j蕉纛慧鬻羹溯蕊鬻萋鬻嚣誊。j 濑褰鬣： 点： ， o 长度 0 3 埘 ll 摆令o l 辫耄篆纂获瀚撼翁渤瀚暾薹瀚懑i 麓；j 誊； 糟￥i 蒜i 2l 导联数 x x i 0 0 正常 3l电涎状态 0 1 电压 氐 2 获取脑电采集仪软件版本( 参见表3 - 3 ) 数字脑电仅信封采集子系统的设计与实现第三章信号采集子系统的总统设计 袭3 3 获取簸奄采集致软释敝本豹搔令译瓣 p c 发送给脑电采集仪的通讯 0 2 包 编移长度。j ：滋胡 。 肉容 0 ol 长度 0 3 皇_ 、 薯 脑越采集仪遨凰绘p e 的通讯包 1l指令 0 2 一 “、叠 一 ， 21 版本号高位 x x 薯薯 31版本号低位 x x 3 ，进行一次采样( 参j i l 表3 - - 4 ) 淡3 4 进行一次采襻播令详解 趟麟辫髓箍粼酾i 簸溅毽!1 0 ，u ，。聪“、 ”_ ：矗 镳糁i蠖囊；i 熏j 溺娶醚麓糍罐j ? 滴容 。 i 一一一 _j 跃度 w “ 0l 艟魁繁榘= i ；! ：黼回绘p c 的激锇包 _ 。董蟊、曩 誊j j 蓦。1l 指令 0 3 m 搿_ ! ；：_ 囊- = ” _ t 簧一 _ 。；、 。 、 ，_ 。 2 nn 1 善蹲联采掸毽 x x x x 4 打开定标信号( 预鼹) ( 参见表3 5 ) 袭3 - - 5 打开定橼臻号豹指令详弗致颈蜜) p e 发送给艚电采集仪的通讯包 2 0 。羹薯j 蔓 。 薤电繇使邋霾绘p e 躲避谖毫 无 1 9 第三章情号采集乎系统的总体设计数字脑电仪信号采集子系统的设计与实现 5 关闭定标信号( 预翻) ( 参见表3 - - 6 ) 表3 6 关闭定标信号的指令详解( 预留) l - 2、 o _ _ _ 2 。 i悖c 发送给脑魄采集使构通讯织= ： 卜 。誊 、爱。j ? j 无 il 髓电采榘蝴给憨韵通讯戳 2 0 数学脑屯仪信号采熟予系统的设计与实现第蛸章信号采集子系统的蜜现 第四耄信号采集子系统的实现 在上两章中，介绍了脑电信号采集的理论基础，系统的总体设计， 势撵出了在遴簿数字纯聚集之蓑对傣号娃理的一些要求，这也是对蓠缀 放大电路和滤波电路提出的要求。 这一章，将介绍采集子系统中的数字电路部分，即以微控制器 c 8 0 5 1 f 0 2 0 x 必核心靛整剃部分。 该芯片怒c y 朗a l 公司c 8 0 5 l f x 系列微控制器之一。在这一部分中，苗 先将介绍核心芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 x 的特性。接下来将详细介绍该微处理的特 殊鸯存器魏设置，这令遵程就是对蕊冀迸行设访的过程e 最压，将会缨 熟于芯片串行通讯的通信模块及通讯协议的制订，包括微处理器的软件 实现。 4 。1c 8 0 5 1 f 0 2 0 x 徽控制器介绍 微控制器在现代的智能化系统中得到了广泛的应用，尤其在些 褪能测量控制纹器中它寄着无比优越的钱势。因为无论钛徐格上，还是 箕使用的难荔程度上，它都有着掰前不可超越的魏方。 在我稻藤瞧计簿枫接磷技术瓣磷究中，低端的数援采集逶嘏采薅? s y g n a l 公司熬c 8 0 5 1 f 0 2 0 x 芯片。旌其它的磷究脑电诗算机接嗣的方法中， 几乎都不嗣程度的使用微控制芯片。其中用的比较多的是h 公阂的d s p 数字信号处理芯片，这盘要是利用它在数据分析巾的快速处理能力。由 于我们脑电仅中的数据分析处理部分楚在上使视( p c 梳) 上完成的。所 以低端不要求有太高的数据处理能力。 4 1 1c 8 0 5 1 f 系列徽控制器简介 c 8 0 51 f 系列微控制器憝完全集成的混和信号系统芯片( s o c ) ，其有 于8 0 5 1 指令集完全兼容的c i p 内