毕业设计论文-基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计

天津工业大学天津工业大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计 姓姓 名 名 庄将灿庄将灿 院院 系系 别 别 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 班班 级 级 电子电子 071071 指导教师 指导教师 荣锋荣锋 职职 称 称 讲师讲师 2011 年年 6 月月 2 日日 天津工业大学毕业设计 论文 任务书天津工业大学毕业设计 论文 任务书 题目题目基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计 学生姓名学生姓名庄将灿学院名称学院名称电子与信息工程学院专业班级专业班级电子 071 课题类型课题类型实际课题 课题意义课题意义 随着现代交通运输业的飞速发展 交通事故已成为当前全球所面临的严重问 题 据统计 全世界每年因交通事故导致的死亡人数达60 万 直接经济损失约 125 亿美元 这些事故中57 的灾难性事故与驾驶员疲劳驾驶有关 疲劳虽然是 一个很正常的生理现象 但每年导致的交通事故给世界各国造成巨大的经济损失 和人员伤亡 增加了社会的不安定因素 故近年来 驾驶员疲劳驾驶问题已受到 世界各国越来越多研究人员的关注 其中针对疲劳驾驶检测方法而进行的研究更 具重要的现实意义 课题内容课题内容 具体工作内容如下 1 生理参数测量电路设计 2 采集程序设计 进度要求进度要求 1 13 1 15 确定设计目标 查阅相关的专业资料 3 01 3 14 进一步查阅资料 确定设计任务的思路和总体框架 3 15 4 04 设计硬件电路 完成系统的具体功能 4 05 4 25 用软件绘制各功能模块 PCB 图 4 26 5 09 修改电路原理图以及 PCB 图 做印制电路板 5 10 6 06 编写本系统的采集程序 撰写论文 准备答辩 主要参考主要参考 文献文献 1 吴春莹 浅谈汽车驾驶员疲劳检测技术的研究进展 J 机电一体化 2007 13 4 43 47 2 郑培 宋正河 周一鸣 机动车驾驶员驾驶疲劳测评方法的研究状况及发展 趋势 J 中国农业大学学报 2001 6 6 101 105 3 孙伟 等 疲劳驾驶预警系统的研究进展 J 汽车电器 2009 1 起止日期起止日期2011 年 1 月 2011 年 6 月 备注备注 院长院长 教研室主任教研室主任 指导教师指导教师 毕业设计 论文 开题报告表毕业设计 论文 开题报告表 20112011 年年 2 2 月月 2020 日日 姓名姓名庄将灿学院学院 电子与信息工 程学院 专业专业电子信息工程班级班级电子 071 题目题目基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计指导教师指导教师荣锋 一 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 一 与本课题有关的国内外研究情况 课题研究的主要内容 目的和意义 疲劳驾驶检测方法的研究是当前国内外研究的前沿和热点 目前 疲劳驾驶的检测方法总体上 可分为客观和主观两类 具体的有 基于驾驶员生理参数的检测 基于驾驶员行为特征的检测 基 于车辆行为特征的检测等等 本次毕业设计主要研究的是基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统的硬件设计 该系统主要通 过检测脑电图 EEG 信号和脉搏跳动检测两个方面来判断驾驶员是否疲劳驾驶 驾驶员疲劳驾驶问题已受到世界各国越来越多研究人员的关注 其中针对疲劳驾驶检测方法而 进行的研究更具重要的现实意义 二 进度及预期结果 二 进度及预期结果 起止日期起止日期主要内容主要内容预期结果预期结果 1 月 13 日 1 月 15 日 3 月 1 日 3 月 14 日 3 月 15 日 4 月 4 日 4 月 5 日 4 月 25 日 4 月 26 日 5 月 9 日 5 月 10 日 6 月 6 日 确定设计目标 查阅相关的专业资料 进一步查阅资料 确定设计任务的思路和总体框架 设计硬件电路 完成系统的具体功能 用软件绘制各功能模块 PCB 图 修改电路原理图以及 PCB 图 做印制电路板 编写本系统的采集程序 撰写论文 准备答辩 完成 完成 完成 完成 完成 完成 完成课题的完成课题的 现有条件现有条件 生理参数检测系统以及相关资料 审查意见审查意见 指导教师 指导教师 年年 月月 日日 学院意见学院意见 主管领导 主管领导 年年 月月 日日 天津工业大学毕业设计 论文 进度检查记录 题目题目基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计 学生姓名学生姓名庄将灿学院名称学院名称 电子与信息工程 学院 专业班级专业班级电子 071 指导教师姓名指导教师姓名荣锋指导教师职称指导教师职称讲师 日日 期期指指 导导 记记 录录 3 月 10 日 对如何编写开题报告进行指导 3 月 15 日 对我写的开题报告提出修改意见 3 月 23 日 给我推荐了一些资料和书籍 4 月 1 日 对我的总体方案提出修改意见 4 月 10 日 对硬件电路模块进行分析及提出建议 4 月 20 日 对我绘制的 PCB 提出修改意见 5 月 5 日 对我在硬件电路调试过程中出现的问题提出解决方案 5 月 10 日 指导我编写脑电信号 AD 转换的程序 5 月 20 日 指导我撰写毕业设计 5 月 30 日 对我的论文进行格式等进行初步检查 6 月 1 日 对我的论文内容进行检查及提出修改意见 6 月 5 日 指导我如何进行毕业答辩 天津工业大学本科毕业设计 论文 评阅表天津工业大学本科毕业设计 论文 评阅表 设计类 设计类 毕业设计 题目 基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计 学生姓名庄将灿学生班级电子 071指导教师姓名荣锋 评审项目指标满分评分 能体现本专业培养目标 题目大小 难度适中 学生工 作量饱满 能得到较全面训练 10 选题 题目与生产 科研等实际问题结合紧密 10 课题调研 文献检索 能独立查阅文献以及从事其它形式的调研 能较好地理 解课题任务并提出实施方案 有分析整理各类信息从中 获取新知识的能力 15 外文应用 能正确引用外文文献 翻译准确 文字流畅 5 设计图纸 插图 简洁 规范 无差错 设计栏目齐全 合理 能正确使用国家标准单位 15 设计说明书 论文 结构严谨 表达清楚 文字通顺 用语正确 基本无错别字和病句 书写格式符合规范 15 能根据毕业设计目标进行实验设计 对数据的运算及处 理正确无差错 对实验结果的分析准确 20 设计说明 书 论文 设计具有创新性或实用价值 10 合计100 意见及建议 评阅人签名 评阅人签名 年年 月月 日日 天津工业大学毕业设计 论文 成绩考核表 学生姓名学生姓名庄将灿学院名称学院名称 电子与信息工程 学院 专业班级专业班级电子 071 题目题目基于生理参数测量的汽车疲劳驾驶检测系统硬件设计 1 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 毕业设计 论文 指导教师评语及成绩 指导教师签字 指导教师签字 年年 月月 日日 2 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 毕业设计 论文 答辩委员会评语及成绩 答辩主席 或组长 签字 答辩主席 或组长 签字 年年 月月 日日 3 毕业设计 论文 总成绩 毕业设计 论文 总成绩 a 指导教师 给定成绩 b 评阅教师 给定成绩 c 毕业答辩成绩 总成绩 a 0 5 b 0 2 c 0 3 成绩 成绩 成绩 成绩 摘摘 要要 全世界每年因驾驶员疲劳驾驶而导致的死亡人数占交通灾难性事故的 57 故针 对疲劳驾驶检测方法的研究具有现实意义 而最近十多年来 疲劳检测逐步取得人们 的关注 为此本文设计了基于脑电采集的汽车疲劳驾驶检测系统的硬件电路 脑电图 EEG 信号检测一直被誉为监测疲劳的 金标准 所以本文将脑电信号 作为检测疲劳的主要参数 为了准确采集脑电信号 本文设计的前端调理电路包括前 置放大电路 四阶低通滤波电路 二阶高通滤波电路 中间级放大电路 50HZ陷波电 路 极性转换以及末级放大电路 并由嵌入式ARM开发板EasyCortex M3 1752将采集到 的脑电信号进行A D转换后通过串口发送到计算机做进一步的处理 最后利用MATLAB对 数据进行绘图分析 以及对系统进行整体分析和总结 关键词 关键词 疲劳驾驶 脑电信号 采集 ARM Cortex M3 ABSTRACT The death toll in traffic accidents caused by fatigue driving makes up 57 of that in all traffic accidents every year all over the world therefore it is of realistic significance to carry out research aiming at fatigue driving detection method The past ten years the fatigue test and gradually get people s attention so this paper designed a fatigue driving test system based on the measurement of physiological parameters Electroencephalogram EEG monitoring of signal detection has been known as the gold standard of the fatigue So EEG signal will be used as the main parameters of fatigue on this paper In order to accurately detect EEG signals the paper design the preamplifier circuit fourth order low pass filter circuit second order high pass filter circuit middle class amplifier circuit 50Hz trap circuit polarity conversion circuit and the last stage amplifier EEG signals will be ADC by ARM development board EasyCortex M3 1752 and transmitted to the computer through the serial port for further processing Finally the data will be analysed and drawn by MATLAB This system will be summarized and analysed at last too Key words fatigue driving EEG acquisition ARM Cortex M3 目录 第一章 绪 论 1 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 驾驶员疲劳检测方法 2 1 2 2 疲劳驾驶检测系统国内外研究现状 2 1 3 本课题研究方向 4 第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 5 2 1 脑电波采集基本知识 5 2 1 1 有关脑电的基本知识 5 2 1 2 脑电图导联法 6 2 2 疲劳驾驶检测系统设计总方案 7 2 2 1 放大及滤波电路方案 8 2 2 2 信号处理电路的设计方案 9 第三章 硬件电路设计 13 3 1 放大电路设计 13 3 1 1 前置放大电路 13 3 1 2 中间级和末级放大电路 15 3 2 滤波电路设计 16 3 2 1 低通滤波器 17 3 2 2 高通滤波器 19 3 3 陷波电路 20 3 4 极性转换电路 22 第四章 基于 Cortex M3 的 AD 采样与数据处理 24 4 1 ARM Cortex M3 介绍 24 4 1 1 Cortex M3 结构概述 24 4 1 2 LPC1700 系列微控制器 25 4 1 3 片上 Flash 存储器系统 26 4 1 4 片上静态 RAM 26 4 2 基于 Cortex M3 的模数转换器 26 4 2 1 A D 转换引脚描述 26 4 2 2 A D 基本操作 27 4 3 Cortex M3 与计算机的通信方式 27 4 4 开发环境与软件 28 4 4 1 程序开发环境 28 4 4 2 程序设计 30 4 4 3 Flash Magic 程序烧录 31 4 4 4 EasyArm 串口调试 33 4 4 5 数据记录软件泰康串口大师 34 4 4 6 MATLAB 数据分析 34 第五章 系统测试与总体评价 36 5 1 系统测试结果 36 5 2 系统总体评价 37 参考文献 39 附 录 40 谢 辞 60 天津工业大学本科毕业论文第一章 绪论 0 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 随着汽车的不断普及 交通事故也随之增多 全球每年有 2000 多万人在 交通事故中受伤或致残 死亡 100 多万人 经济损失高达 5000 亿美元 全世 界每年因道路交通事故导致道路安全已经极大地威胁着社会公众的生命和财产 成为全球关注的重点 2010 年 01 月 09 日公安部交通管理局通报 2009 年 全国共发生道路交通 事故 238351 起 造成 67759 人死亡 275125 人受伤 直接财产损失 9 1 亿元 而 2010 年 1 月份至六月份按照道路交通事故同比口径统计 全国共发生道路交 通事故 99282 起 造成 27270 人死亡 116982 人受伤 直接财产损失 4 1 亿元 驾驶员作为机动车的操作者是第一要素 这也是造成交通事故的主要肇事 者 英国的一项研究得出 道路交通事故肇事发生的原因是由驾驶员因素引起 的占65 美国57 而与驾驶员因素有关的百分率占到近95 美国占94 我国的道路交通事故的统计也表明 主要由于驾驶员造成的事故占90 左右 总之 驾驶员因素作为肇事发生交通事故的主要因素已被世界各国所公认 国内对交通事故发生的原因进行分析时发现 驾驶员疲劳驾驶是造成交通 死亡事故的重要原因之一 因司机疲劳驾驶所引起的各种道路交通事故约占总 数的15 至20 国外对交通事故发生原因进行分析也得出了类似结论 美国 国家高速公路交通安全管理局 NHTSA 估计 在美国 因驾驶员疲劳驾驶引起的 事故每年超过100 000件 其中受伤人数为71 000人 死亡人数大约为l 500 人 通过进一步调查发现 人在疲劳时事故发生的可能性会上升4倍至6倍 法 国国家警察总署对交通事故的研究报告表明 因疲劳驾驶引起的交通事故占人 身伤害事故的14 9 占死亡事故的20 6 据新西兰一项研究发现 只要在以下三种情况不驾车 车祸发生率可以减 少19 出现睡意 在过去的24小时内睡眠时间少于5小时 天津工业大学本科毕业论文第一章 绪论 1 凌晨2 00至5 00 还有几项研究发现 商用车的驾驶员尤其容易感到疲劳 在低收入和中等 收入国家进行的调查发现 运输公司业主经常驱使其驾驶员长时间工作 或在 精疲力尽的情况下工作 或超速驾驶 美国的研究发现 30 重型商用车辆的 致死性车祸和52 的货车车祸都与疲劳驾驶有关 18 的货车驾驶员承认当发 生车祸时自己睡着了 由上可以看出 疲劳驾驶对道路交通安全存在着重大威胁 所以 研究一 种可以有效的防止和监督驾驶员疲劳驾驶和驾驶注意力不集中等精神分散状态 并及时给予警告的系统 对于降低交通事故及人员伤亡率 有着十分现实的重 要意义 也是解决疲劳驾驶造成的交通事故的最有效途径 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 驾驶员疲劳检测方法驾驶员疲劳检测方法 目前驾驶员疲劳检测研究方法可以分成两大类 从驾驶员自身特征出发 通过某种设备获取驾驶员的生理参数特征或者 视觉特征 利用驾驶员在正常状态和疲劳状态的特征模式不同 采用相应的模 式识别技术分类进行判别 从而检测到是否有疲劳产生 基于驾驶员生理参数 的检测方法是通过某些设备得出驾驶员的有关生理参数 如脑电图 EEG 眼电 图 EOG 心电图 ECG 等 根据参数变化情况来判断是否有疲劳产生 根据车辆的行为表现间接判断驾驶员是否产生疲劳 在这类技术中 通 过传感器获取车辆在行驶过程中的各种参数 根据车辆行驶过程中的异常情况 如车辆是否超过道路标志线 速度是否超速 车辆之间的距离是否太近等 判 断驾驶员是否有疲劳产生 1 2 2 疲劳驾驶检测系统国内外研究现状疲劳驾驶检测系统国内外研究现状 20世纪90年代 疲劳检测研究有了很大的进展 许多国家都展开了疲劳驾 驶检测车载装置的开发工作 并且都取得了一定的成绩 现有的研究成果中具 有代表性成果有 美国Electroc Safety Products公司开发的方向盘监视装置 S A M stering attention monitor 该装置主要来监控方向盘的运动情况 若 检测到方向盘持续4s不运动 该装置就发出报警 直到方向盘恢复正常运动 美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS The Drowsy Driver Detection system 采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法 可获取驾驶员烦躁不安的情 天津工业大学本科毕业论文第一章 绪论 2 绪活动 眨眼频率和持续时间等疲劳数据 用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着 头部位置传感器 Head Position Sensor 由ASCI Advanced Safety Concepts Inc 研制开发的用于计算驾驶员头部位置的传感器 通过头部位置 的 变化规律判定司机是否瞌睡 DAS2000型路面警告系统 The DAS2000 Road Alert System 由美国 EllisonResearchLabs实验室研制 一种设置在高速公路上用计算机控制的红外 线检测装置 当行驶车辆摆过道路中线或路肩时 向驾驶员发出警告 卡内基梅隆大学机器人研究所研制的Copilot系统 该系统主要依据 PERCLOS法来判断驾驶员的睁眼和闭眼状态进而确定其是否疲劳 PERCLOS Percentage ofEyelid Closure Over the Pupil Over Time 是指眼睛 闭合的时间占某特定时间的百分比 有P70 P80和EM三种判定标准 分别表示 瞳孔被眼睑纵向遮住的时间比率为70 遮住时间比率为80 毗及眼睑均方闭 合率 国内在防疲劳驾驶系统方面的研究起步较晚 虽然在近几年发展较快 但 是和国外相比差距比较明显 有代表性的研究如下 中国农业大学的郑培 宋正河等研究了基于PERCLOS的疲劳识别算法 他 们应用人脸皮肤色彩的高斯模型 灰度直方图 模式匹配等定位和追踪眼睛开 闭的过程 计算出眼睛闭合时间 利用统计方法给出了疲劳检测的算法 成功 地实现了驾驶员驾驶疲劳的实验测评系统 该系统已经初步具备了实时 非接 触式检测的特性 石坚 吴远鹏 卓斌等通过传感器测量驾驶员驾驶时的方向盘 踏板等 运动参数来判别驾驶员的安全因素 发现方向盘的操作情况与驾驶员的疲劳程 度具有密切的关系 方向盘较长时间不动 说明驾驶员在打瞌睡 但是该系统 受驾驶员的驾驶习惯 路面状况等外界因素影响较大 很难获得确切的判断标 准 实用性不高 吉林大学的邸巍 王荣本构建了采用红外光源的系统 该系统采用单红 外光源和图像传感器相结合 对采集到的图像借助OtSu法获得阈值进行图像分 割实现二值化 然后对得到的二值化图像进行投影来得到人脸区域 最后利用 Harris算子来定位驾驶员的瞳孔位置 综上所述 到目前为止 机动车驾驶员驾驶疲劳测评技术还未达到成熟的 地步 实用的疲劳驾驶检测系统尚未推出 现有的一些疲劳监控产品多因为实 时性差 成本高 接触性等原因 难以真正运用到实际生活中 所以 从车载 实时 非接触 成本低等方面考虑研究出实用疲劳检测系统成为国内外共同追 天津工业大学本科毕业论文第一章 绪论 3 求的目标 研究如何利用机器视觉技术 图像处理技术和PERCLOS疲劳检测方法 相结合 开发出实用性高 成本低 体积小 对驾驶员无干扰 可靠性强的疲 劳驾驶检测系统是目前研究的热点 1 3 本课题本课题研究方向研究方向 综合以上的疲劳检测方法及系统 考虑到脑电图 EEG 信号检测一直被誉 为监测疲劳的 金标准 而在使用EEG检测疲劳时 由于波段能够反映疲劳情 况 波谱的提取以及分类情况对识别效果有很大影响 目前的研究集中在对波 段数据的特征提取以及分类上 故而本论文主要研究的便是基于脑电波的疲劳 驾驶检测系统 本文的研究的主要内容如下 1 脑电波采集前端调理电路设计 包括利用 MULTISIM 仿真软件对调理电 路的各个模块进行仿真 验证信号经过电路调理后能否得到相应的结果 并依 据设计好的电路利用 PROTEL 软件画出 PCB 板子 2 基于嵌入式开发板 EasyCortex M3 1752 的脑电波信号 A D 转换 并通 过串口通讯传输到计算机保存 3 对处理后的结果进行分析 验证本设计的正确性 4 对系统进行整体分析和评价 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 4 第二章第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案疲劳驾驶检测系统总体设计方案 2 12 1 脑电波采集基本知识脑电波采集基本知识 人身上都有磁场 但人思考的时候 磁场会发生改变 形成一种生物电流 通过磁场 而形成的东西 我就把它定位为 脑电波 脑电是一种微弱的生物电信号 是脑神经细胞传导信息时在大脑皮层或头 皮表面电活动的总体反映 脑电信号一般是通过放置在头皮的电极来获取 然 后通过电极导联耦合到差动放大器的输入端进行放大 最后由脑电记录设备记 录其波形以便对脑电信号做进一步的分析处理 2 1 12 1 1 有关脑电的基本知识有关脑电的基本知识 人体也同样广泛地存在着生物电现象 因为人体的各个组织器官都是由细 胞组成的 对脑来说 脑细胞就是脑内一个个 微小的发电站 我们的脑无时无刻不在产生脑电波 早在1857年 英国的一位青年生理科 学工作者卡通 R Caton 在兔脑和猴脑上记录到了脑电活动 并发表了 脑灰 质电现象的研究 论文 但当时并没有引起重视 十五年后 贝克 A Beck 再一次发表脑电波的论文 才掀起研究脑电现象的热潮 直至1924年德国的精 神病学家贝格尔 H Berger 才真正地记录到了人脑的脑电波 从此诞生了人 的脑电图 脑电活动可以分为自发脑电 Spontaneous EEG 和诱发脑电 Evoked Potential EP 它们已成为脑电生理研究和临床应用的最主要的两种手段 自发脑电 大脑皮层经常具有持续的节律性变化 称为自发脑电活动 其电位可以随 时 间发生变化 在无刺激时 在不同部位 自发脑电活动的频率和振幅是不同的 如果把引导电极 双极或单极 放在头皮表面 用电极将这种电位随时间变 化的波形提取出来并加以记录 所记得的电位波形称为脑电图 EEG 直接从皮 层表面所记得的电位波形你为皮质电图 ECOG 它可以作为意识水平的真实反 映的指标 脑电图和皮质电图都反映大脑皮质的自发脑电活动 从头皮上所得到的脑电波的幅值 在正常的情况下信号范围为l 100 V 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 5 一般在10 50左右 而在暴露的大脑皮层表面所取得的电位则比此值大10 V 20倍 约1 它们的频率范围为O 5 100 在大脑的不同叶上 波形性质mVHz 不同 并依赖于觉醒和睡眠的水平 在现代脑电图学中 根据频率和振幅的不同将脑电波分为波 波 波 和 波 1 波 频率为每秒8 13次 平均数为10次左右 它是正常人脑电波的基本 节律 如果没有外加的刺激 其频率是相当恒定的 人在清醒 安静并闭眼时 该节律最为明显 睁开眼睛或接受其它刺激时 波即刻消失 波 频率为每秒14 30次 当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波 当 人从睡梦中惊醒时 原来的慢波节律可立即被该节律所替代 波 频率为每秒1 3次 当人在婴儿期或智力发育不成熟 成年人在极度 疲劳和昏睡状态下 可出现这种波段 波 频率为每秒4 7次 成年人在意愿受到挫折和抑郁时以及精神病患者 这种波极为显著 但此波为少年 10 17岁 的脑电图中的主要成分 诱发脑电 如果给机体以某种刺激 如光 声 电和触压或直接刺激皮质 也会导致 脑电信号的改变 这是中枢神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生的生物 电活动 是代表中枢神经系统在特定功能状态下的生物电活动的变化 称之为 诱发脑电 诱发脑电分为特异性诱发电位和和非特异性诱发电位 所谓非特异性诱 2 发电位是指给予不同刺激时产生的相同的反应 这是一种普通的和暂时的情况 而特异性诱发电位是指在给予刺激后经过一定的潜伏期 在脑的特定区域出现 的电位反应 其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系 非特异性 诱发电位幅度比较高 在脑电图记录中即可发现 特异性诱发电位较小 1 10 完全淹没在自发脑电信号中 非特异性诱发电位没有任何特定意义 故 V 在临床诊断中不具有诊断价值 因此在临床上只进行特异性诱发电位的检查 2 1 22 1 2 脑电图导联法脑电图导联法 人的大脑发出的微弱电信号必须通过电极来获取 电极是实际上是一个换 能装置 它将在体内靠离子传导的电流转换成在电极和导线内靠电子传导的电 流 即离子电流转换成电子电流 医用电极的种类很多 医用习惯从置于体内 的角度来分类 可有体表电极 皮下电极 体内电极等 脑电的电活动会传导 到体表 因此多使用体表电极 脑电电极根据其应用范围有挚型银管电极 粘 连电极 针电极 银丝蝶骨电极等 各类电极均有其优缺点 在本系统中采用 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 6 银管电极 世界上绝大多数脑电图实验室采用的是国际10 20系统 the 10 20 international System 电极放置法如图2 1 图 2 1 10 20脑电图导联法 脑电图是头皮上两电极间电位差的波形图 每一脑电导联必有两个电极 放在相对零电位点 一般取耳垂 的电极称为无关电极 或参考电极 不活动 电极 标准电极等 而放在非零电位点上的电极 即放在头皮上的电极 称为 活动电极或作用电极 脑电图的导联方法一般分为单极导联法和双极导联法 单极导联法是将活动电极置于头皮上 并通过导程选择开关接前置放大器 的一个输入端 G1 无关电极置于耳垂 并通过导程选择开关接前置放大器的 另一个输入端 G2 这样产生于活动电极的阴性电位变化将作为波形向上的阴 性波形记录下来 双极导联法不使用无关电极 只使用头皮上的两个活动电极 记录下的是 两电极部位脑电位变动的差值 可大大减少干涉 排除无关电极引起的误差 2 22 2 疲劳驾驶检测系统设计总方案疲劳驾驶检测系统设计总方案 本设计系统的要求是 从头皮采集到的微弱电信号经放大滤波后满足采集 系统要求 送入采集电路变为数字信号经过一定的信号处理后 一路送显示直 接显示采集的波形 一路送入计算机以便对采集的信号作进一步的处理 系统 总体框图如图 2 2 所示 来自电极的 脑电信号 放大滤波 电路 A D 转换 ARM 开发板 计算机 显示器 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 7 图 2 2 系统总体框图 2 2 12 2 1 放大及滤波电路方案放大及滤波电路方案 1 设计需要考虑的相关因素 综上所述知识 可知脑电信号是一种微弱的低频生物电信号 在幅值上是 微伏级 在进行有效的处理 显示或记录之前 首先必须把信号放大到采集系 统要求的幅值范围内 因此在设计电路时必须考虑以下因素 人身安全性 前端调理电路在测量脑电信号时要求不能伤害人体 危及人身安全 其中 头皮上的的电极与放大滤波电路的前置放大级相连 为防止市电窜入电路 放 大滤波这部分电路最好采用干电池供电 此外 信号处理及外围电路与放大滤 波电路不采用一套供电电路 减少干扰信号 由于脑电信号的幅值很小 测试环境不允许有很强的背景噪声和干扰 这 些噪声和干扰很可能将脑电信号淹没 如果不能对这些噪声和干扰进行很好的 抑制和消除 在放大脑电信号的同时 噪声也被放大 那么从放大器出来的信 号几乎是一片噪声 尤其是工频对信号影响很大 为了满足采集电路的要求 设计电路时必须从以下三方面考虑 一是放大滤波电路采取干电池供电并将其 接成浮地的形式 由于没有市电接入电路 故可以极大地减少工频对信号的影 响 二是前置放大级要有很高的共模抑制比 信号放大系统对噪声抑制的性能 在很大的程度上都是由其前置级的信噪比决定的 如果前级噪声没有得到很好 的抑制 在后级是很难实现有效抑制的 而且噪声也会随着系统放大而放大 在电路上一般采用共模抑制比很高的仪用放大器构成的差动放大电路来消除共 模干扰 三是采用滤波陷波电路 脑电信号是一种低频信号 范围从0 1 100Hz 在此范围以外的信号应使其最大限度地衰减 所以在电路中应采用带通 滤波器将其滤除 50Hz或60Hz的工频信号则采用陷波器将其去除 足够的增益 连接在脑皮上的电极采集到的脑电信号的幅值很低 一般为10到50 V V 而低压采集芯片可以采集的双极性信号的最大幅值范围有 3 2 5V 3 3V 5V等几种 或是上述范围的正极性信号 所以对脑电信号 放大大致需要10万倍 这在设计中是有很大难度的 目前的脑电图机最大放大 倍数也只为5万倍 但若考虑脑电信号最小值1能放大到毫伏级采集芯片即能 V 正确采集的话 放大倍数可适当降低 以8位采集芯片TLC5540为例 其最大幅 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 8 值为5V 则其分辨率约20 也就是能将l的信号放大到20以上即可mV VmV 正确采集 总体电路放大需到2万倍以上 最高放大幅值2V以上 2 设计方案 本设计中由于需要放大的倍数比较大 所以在本设计中将放大电路分为三 级分别为前置放大级 中间放大级和末级放大级 放大倍数分别为5l倍 100倍 和4倍 其中末级放大倍数可调 这样可以保证输出的线性度 在前置放大电路和中间级放大电路之间设置了带通滤波 带通滤波由一个 二阶高通滤波器和两个参数不同的四阶低通滤波器组成 二阶高通滤波电路主 要是为了滤除高于100Hz以上的信号 而四阶低通滤波电路主要是为了滤除低于 1Hz的脑电信号 在中间级放大电路和末级放大电路之间加入了50Hz陷波电路 主要是为了滤除50Hz的市电信号 最后经过末级放大电路的信号再由极性转换 后传送到采集模块进行后续处理 放大滤波电路整体框图如图2 3 来自电极 到采集电路 图 2 3 放大滤波电路总体框图 在该系统中前置放大器可以使用运放自己搭建仪用放大器来实现 但一般 所选运放参数不太一致 构成的电路对称性较差 致使共模影响较大 故建议 采用专用仪用放大芯片 其输入阻抗高 共模抑制比高 如BB公司的 INAll8 121 128 129 电路的放大 滤波和陷波可以通过运放构成 应尽量选 用温飘小 共模抑制比高的运放芯片 本系统中采用的是LMC6484 目前市面上也有滤波器和陷波器的成品 一类是可编程滤波放大器或信号 调理放大器 滤波器类型可更改 其滤波阶数可达八阶 增益和截止频率均可 调 如和成系统有限公司出品的16 1U可编程滤波放大器和Lattice公司的 ispPAC系列 另有一类是通用滤波器 如BB公司的UAF42 通过更改外围电路 4 的参数即可实现不同增益 截止频率及类型的滤波或陷波器 上述两类成品设 计电路方便 稳定性好 但价格昂贵 本设计采用运放而不采用专用芯片设计 即使用成本较低的OP07芯片 前置放大电路四阶低通滤波电路 二阶高通滤波电路 中间级放大电路50HZ 陷波电路末级放大电路 极性转换电路 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 9 2 2 22 2 2 信号处理电路的设计方案信号处理电路的设计方案 信号处理电路将前级电路送来的模拟信号通过A D转换后送入数字信号处理 芯片做一定算法分析如滤波 陷波 信号分离等 经处理的信号经VGA显示或 LCD显示 也可以将采集的数据通过串口 并口或USB口等送入计算机保存 以 便做进一步的算法分析 具体框图如图2 4 来自采集电路 图 2 4 信号处理电路框图 1 A D 转换需要考虑的因素 A D 转换器的选择必须考虑来自前端调理电路的信号特点 一是信号幅值应落在 A D 转换器的幅值范围之内 A D 转换器有单极型和 双极型两种 单极型的芯片会使得双极性信号产生削波失真 脑电信号属于正 极性信号 但经过陷波电路后 由于陷波电路的负反馈作用可能有负极性信号 出现 所以在电路中设置极性转换电路将其变为正极性信号 以适合某些仅支 持单极性的采集芯片 此外所选 A D 转换器的幅值范围应尽量接近信号平均幅 值 这样同样分辨率的转换器采集的信号精度更高 二是转换器的采样速率尽量高一些 这样可以真实的反映波形的细节 转 换速率可分为超高速 次高速 高速和低速等几种类型 从几赫兹到几个 G 赫 兹 但并不是越高越好 工程上一般取信号频率的 8 10 倍为最佳 采样速率太 高重复数据太多 太低就会忽略波形上的一些细节 对于不超过 100Hz 的脑电 信号而言 1K 以上采样速率就可满足要求 三是转换器精度尽可能要高 采集芯片的转换精度从 8 位到 32 位 在设计 允许的情况下尽量选择分辨率高的芯片 这样对信号的细微变化也能准确反映 2 信号处理芯片的选择 在设计信号处理应用系统时 芯片选型是非常重要的一个环节 只有选定 A D 转换 信号处理芯片 本方案采用 ARM A D 控制接口数据 收发控制 算法分析 接口 计算机 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 10 了适合工程的芯片 才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路 像上图中 的A D转换 显示接口和与计算机通信的接口 都要随不同的硬件而作确定 根据上述的介绍与分析 本课题选用运算能力比较强 扩展功能丰富的ARM 处理器 ARM Advanced RISC Machines 是微处理器行业的一家知名企业 设计了 大量高性能 廉价 耗能低的RISC处理器 相关技术及软 件 ARM架构是面向 低预算市场设计的第一款RISC微处理器 基本是32位单片机的行业标准 它提 供一系列内核 体系扩展 微处理器和系统芯片方案 四个功能模块可供生产 厂商根据不同用户的要求来配置生产 其主要特点如下 自带廉价的程序存储器 FLASH 和非易失的数据存储器 EEPROM 这 些存储器可多次电擦写 使程序开发实验更加方便 工作更可靠 高速度 低功耗 在和M51单片机外接相同晶振条件下 AVR单片机的工 作速度是M51单片机的30 40倍 并且增加了休眠功能及CMOS技术 使其功耗远 低于M51单片机 工业级产品 具有大电流输出可直接驱动SSR和继电器 有看门狗定时器 防止程序走飞 从而提高了产品的抗干扰能力 超功能精简指令 具有32个通用工作寄存器 相当于M51单片机中32个累 加器 从而克服了单一累加器工作的瓶颈效应 程序下载方便 AVR单片机即可并行下载也可串行下载 无需昂贵的编程 器 此外 还可以在线下载 也就是说可以直接在电路板上进行程序修改和烧 录 具有模拟比较器 脉宽调制器 模数转换功能 使得工业控制中的模拟 信号处理更为简单方便 并行口 定时计数器 中断系统等单片机内部重要资源的功能进行了大 幅度提升 使之更适合工业生产过程的实时控制 其时钟频率既可外接也可使用单片机内部自带的振荡器 其频率可在 1MHz 8MHz内设置 使得硬件开发制作更为简洁 强大的通讯功能 内置了同步串行接口SPI 通用串行接口UAST 两线串 行总线接口TWI I2C 使网络控制 数据传送更为方便 超级保密功能 应用程序可采用多重保护锁功能 可低价快速完成厂家 产品商品化等等 除上述特点外 零外设 也是AVR嵌入式单片机的重要特征 由于该芯片已 内置了程序存储器 晶振并增加了在线汇编功能 所以AVR单片机芯片接上直流 电源 下载个程序就可以独立工作 无需附加外部设备 无需使用昂贵的编程 器和仿真装置 这给我们学习和开发带来了便利条件 天津工业大学本科毕业论文第二章 疲劳驾驶检测系统总体设计方案 11 由于 ARM Cortex M3 处理器是一个面向低成本 小管脚数目及低功耗应用 并且具有极高运算能力和中断响应能力的处理器内核 而且 ARM Cortex M3 处 理器采用了纯 Thumb 2 指令的执行方式 使得这个具有 32 位高性能的 ARM 内核 能 够实现 8 位和 16 位处理器级数的代码存储密度 在增强代码密度的同时 该处 理器内核是 ARM 所设计的内核中最小的一个 其核心的门数只有 33K 在包含 了必要的外设之后的门数也只有 60K 这使它的封装更为小型 成本更加低廉 在实现这些功能的同时 它还提供性能优异的中断能力 通过其独特的寄存器 管理并以硬件处理各种异常和中断的方式 最大程度的提高了中断响应和中断 切换的速度 综合以上所述 本课题选用的是 EasyCortex M3 1752 开发板作为 信号处理模块 天津工业大学本科毕业论文第三章 硬件电路设计 12 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 脑电信号的处理包括将脑电电极获取的数据进行前置放大 滤波 中间级 和末级放大 还包括为把信号传输给ADC所做的极性变换 本章节将叙述硬件电 路的整体设计 下面分别介绍前端调理电路的各个部分 3 13 1 放大电路设计放大电路设计 其包含前置放大级 中间放大级和末级放大级 电路整体放大按照放大两 万倍设计 三级的放大倍数分别为51 101 4 以10 100的脑电信号算 放 V 大幅值从二百多毫伏到两伏多 完全可以满足AD芯片的采集要求 3 1 13 1 1 前置放大电路前置放大电路 3 1 1 13 1 1 1 脑电信号的特点脑电信号的特点 脑电信号的微弱性导致了它非常容易地会被淹没在大量的干扰与噪声里面 数量级 设计出一个优良的放大器是获取脑电信号最关键性的环节 所以mV 脑电信号在这样的多级放大电路中 前级放大电路设计的优劣直接关系着整个 脑电数据采集系统的精度 必须充分重视 脑电信号的幅值范围为10到100 由于信号太微弱比标准心电信号 V V 微弱的多 共模干扰对脑电信号的检测将会造成更严重的影响 因此脑电放大 电路需要具有更高的共模抑制比 一般应在120dB以上 其次 脑电电极比心电 电极小得多 所以它具有较强的信号源阻抗 要求在前置级放大电路的设计中 应具有更高的输入阻抗 其值至少应大于10 前置放大电路通常采用差动M 电路的结构 为最大限度地提高输入阻抗及共模抑制比 目前生物电放大器前 置级电路普遍采用的是由O Brien提出的非常经典的同相并联结构的前置级放大 电路 这种结构的电路由3个基本运算放大器构成 其中2个组成同相并联输入 第一级放大 以提高放大器的输入阻抗 另一个为差动放大 作为放大器的第 二级 其共模抑制比取决于第一级放大电路中2个运放共模抑制比的对称程度 差动放大器的闭环增益以及电阻的匹配精度等 早期生物电信号尤其是脑电信 号的采集往往因为器件的因素而无法取得很好的效果 5 天津工业大学本科毕业论文第三章 硬件电路设计 13 3 1 1 23 1 1 2 芯片介绍芯片介绍 设计采用BB公司的INAl21P作为前置放大器 INAl21P的内部电路和封装图 如图3 l和图3 2所示 图3 1 INA121P内部电路图 图3 2 INA121P封装图 INAl21封装形式有8脚双列直插式和8脚贴片式两种 对于实验和教学来说 一般采用前种封装形式 INAl21的8个引脚功能分别为 1脚和8脚之间接电阻 该电阻用来设置电路的增益 电路增益由公式 3 1 计算得到 G R 3 1 G 1 R 50K 1G 电路增益设置范围可以从l到10000 即外接不同的可以设置不同的电路 G R 增益 因此在实际电路中可以根据需要外接相应的 的特性对增益有一 G R G R 定的影响 如值的不精确 将导致增益的不精确 的稳定性和温度特性 G R G R 将直接反映增益的稳定性和温度特 芯片的2脚和3脚为放大器的输入端 可以 对输入的信号进行滤波 有高通和低通滤波接法 4脚和7脚为电源输入端 7脚 为电源正极 4脚为电源负极 INAl21采用双电源供电 具有很宽的供电电压范 围 2 25V到18V 设计使用典型的 5V供电 5脚为输出参考端 一般5脚 接地 该引脚不能浮空不接 6脚为输出引脚 天津工业大学本科毕业论文第三章 硬件电路设计 14 而且由于INA121其CMR最高可以达到106dB 故综上所述本设计前置放大电 路采用的芯片为INA121 3 1 1 33 1 1 3 硬件电路硬件电路 由INA121构成的脑电信号前置放大电路如图3 3 图中Vin 和Vin 直接接脑 电电极 地端连接耳垂 具体接法参照第二章的10 20系统脑电图导联法 图3 3 前置放大电路 3 1 23 1 2 中间级和末级放大电路中间级和末级放大电路 中间和未级放大均采用由运放构成的同相放大电路 只是末级放大增益可 调 本设计使用2片LMC6484运放芯片 每片内部包含4个运放 除两级放大使用 2个运放外 其余运放用于滤波和陷波电路 LMC6484是一种医用小信号放大器 其共模抑制比可达69dB 温飘小 实际设计也可以使用温飘和稳定性好的 来代替 A741 对于中间级放大器电路如图3 4 取l 取100 由同相比例 4 RK 5 RK 放大增益公式可求得中间级增益 如公式3 2 图3 4 LMC6484构成中间级放大电路 天津工业大学本科毕业论文第三章 硬件电路设计 15 3 2 101 1K 100K 1 R R 1G 2 3 2 末级放大器取l 使用可变电阻 其最大阻值为3 增益计算 2 RK 2 RK 如公式 3 3 图3 5 LMC6484构成末级放大电路 3 3 4 1K 3K 1 R R 1G 4 5 3 所以本系统中三级放大电路总的增益为 3 4 20604410151 321 GGGG 放大电路采用三级放大形式的优点是 信号逐级放大 不集中在某一级 但一般前级放大倍数不宜太大 因为信号和噪声同时经过这一级 如果放大倍 数过大 则噪声也被同样放大 如果噪声幅度过大 则不利于后级处理 即后 级难以有效去除噪声 中间级是主要放大级 进入这一级的信号已经经过处理 噪声已得到有效滤除 一般该级的放大倍数较大 末级是对前面放大的补充 其放大倍数可根据后级电路作适当调整 3 23 2 滤波电路设计滤波电路设计 滤波器是一种使有用信号通过 同时抑制无用频率成分的电路 滤波器的 基本功能为 让特定频率范围的信号通过 而阻止其它频率信号通过 也就是 对其它频率信号具有衰减作用 而上述提到 脑电信号的范围为0 1 100Hz 由