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姓名:庄将灿院(系别:电子与信息工程学院专业:电子信息工程班级:电子071指导教师:荣锋职称:讲师2011年6月2日天津工业大学毕业设计(论文任务书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院名称电子与信息工程学院专业班级电子071课题类型实际课题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2011年1月——2011年6月备注院长教研室主任指导教师毕业设计(论文开题报告表2011年2月20日姓名庄将灿学院电子与信息工程学院专业电子信息工程班级电子071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: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:起止日期主要内容预期结果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现有条件生理参数检测系统以及相关资料审查意见指导教师:年月日学院意见主管领导:年月日天津工业大学毕业设计(论文进度检查记录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院名称电子与信息工程学院专业班级电子071指导教师姓名荣锋指导教师职称讲师日期指导记录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(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选题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设计说明书(论文设计图纸(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设计具有创新性或实用价值。10合计100意见及建议评阅人签名:年月日天津工业大学毕业设计(论文成绩考核表学生姓名庄将灿学院名称电子与信息工程学院专业班级电子071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:指导教师签字:年月日2.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:年月日3.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:摘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EasyCortexM3-1752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:疲劳驾驶;脑电信号;采集;ARMCortex-M3ABSTRACTThedeathtollintrafficaccidentscausedbyfatiguedrivingmakesup57%ofthatinalltrafficaccidentseveryyearallovertheworld,thereforeitisofrealisticsignificancetocarryoutresearchaimingatfatiguedrivingdetectionmethod.Thepasttenyears,thefatiguetestandgraduallygetpeople'sattention,sothispaperdesignedafatiguedrivingtestsystembasedonthemeasurementofphysiologicalparameters.Electroencephalogram(EEGmonitoringofsignaldetectionhasbeenknownasthe"goldstandard"ofthefatigue.SoEEGsignalwillbeusedasthemainparametersoffatigueonthispaper.InordertoaccuratelydetectEEGsignals,thepaperdesignthepreamplifiercircuit,fourth-orderlow-passfiltercircuit,second-orderhigh-passfiltercircuit,middle-classamplifiercircuit,50Hztrapcircuit,polarityconversioncircuitandthelaststageamplifier.EEGsignalswillbeADCbyARMdevelopmentboardEasyCortexM3-1752,andtransmittedtothecomputerthroughtheserialportforfurtherprocessing.Finally,thedatawillbeanalysedanddrawnbyMATLAB.Thissystemwillbesummarizedandanalysedatlast,too.Keywords:fatiguedriving;EEG;acquisition;ARMCortex-M3目录第一章绪论(11.1课题研究的背景及意义(11.2国内外研究现状(21.2.1驾驶员疲劳检测方法(21.2.2疲劳驾驶检测系统国内外研究现状(21.3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(52.1脑电波采集基本知识(52.1.1有关脑电的基本知识(52.1.2脑电图导联法(62.2疲劳驾驶检测系统设计总方案(72.2.1放大及滤波电路方案(82.2.2信号处理电路的设计方案(9第三章硬件电路设计(133.1放大电路设计(133.1.1前置放大电路(133.1.2中间级和末级放大电路(153.2滤波电路设计(163.2.1低通滤波器(173.2.2高通滤波器(193.3陷波电路(203.4极性转换电路(21第四章基于Cortex-M3的AD采样与数据处理(244.1ARMCortex-M3介绍(244.1.1Cortex-M3结构概述(244.1.2LPC1700系列微控制器(254.1.3片上Flash存储器系统(264.1.4片上静态RAM(264.2基于Cortex-M3的模数转换器(264.2.1A/D转换引脚描述(264.2.2A/D基本操作(274.3Cortex-M3与计算机的通信方式(274.4开发环境与软件(284.4.1程序开发环境(284.4.2程序设计(304.4.3FlashMagic程序烧录(314.4.4EasyArm串口调试(334.4.5数据记录软件泰康串口大师(344.4.6MATLAB数据分析(34第五章系统测试与总体评价(365.1系统测试结果(365.2系统总体评价(37参考文献(39附录(40谢辞(60第一章绪论1.1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%:①出现睡意;②在过去的24小时内睡眠时间少于5小时;③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1.2.1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:①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。②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:①美国ElectrocSafetyProducts公司开发的方向盘监视装置S.A.M(steringattentionmonitor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。②美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS(TheDrowsyDriverDetectionsystem。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。③头部位置传感器(HeadPositionSensor。由ASCI(AdvancedSafetyConcepts,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。④DAS2000型路面警告系统(TheDAS2000RoadAlertSystem。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。⑤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(PercentageofEyelidClosureOverthePupilOverTime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:①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。②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。③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EasyCortexM3-1752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第二章疲劳驾驶检测系统总体设计方案2.1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。2.1.1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(SpontaneousEEG和诱发脑电(EvokedPotential,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。①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-100μV,一左右;而在暴露的大脑皮层表面所取得的电位则比此值大10-20般在10-50V倍,约1mV。它们的频率范围为O.5-100Hz。在大脑的不同叶上,波形性质不同,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α波、β波、δ波和θ波]1[:α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,α波即刻消失。β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。δ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。θ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。②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]2[,所谓非特异性诱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(1-10μV,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。2.1.2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(the10-20internationalSystem电极放置法如图2-1。图2-110-20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。2.2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:图2-2系统总体框图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2.2.1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:①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。②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。③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10μV到50μV]3[。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±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1μV能放大到毫伏级采集芯片即能正确采集的话,放大倍数可适当降低。以8位采集芯片TLC5540为例,其最大幅值为5V,则其分辨率约20mV,也就是能将lμV的信号放大到20mV以上即可正确采集,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]4[,通过更改外围电路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。2.2.2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(1A/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(AdvancedRISCMachines是微处理器行业的一家知名企业,设计了A/D转换信号处理芯片(本方案采用ARMA/D控制接口数据收发控制算法分析接口计算机大量高性能、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:①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。②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。③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。④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。⑤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。⑥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。⑦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。⑧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。⑨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。⑩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。由于ARMCortex-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ARMCortex-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EasyCortexM3-1752开发板作为信号处理模块。第三章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。3.1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10-100μV的脑电信号算,放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。3.1.1前置放大电路3.1.1.1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(mV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10μV到100μV,由于信号太微弱比标准心电信号微弱的多,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10MΩ。前置放大电路通常采用差动电路的结构,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[。3.1.1.2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3-1INA121P内部电路图图3-2INA121P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GR,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:G1R50KΩ1G+=(3-1电路增益设置范围可以从l到10000,即外接不同的GR可以设置不同的电路增益,因此在实际电路中可以根据需要外接相应的GR。GR的特性对增益有一定的影响,如GR值的不精确,将导致增益的不精确,GR的稳定性和温度特性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。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。3.1.1.3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3.1.2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μA741来代替。对于中间级放大器电路如图3-4,4R取lKΩ,5R取100KΩ,由同相比例放大增益公式可求得中间级增益,如公式3-2。图3-4LMC6484构成中间级放大电路1011KΩ100KΩ1RR1G232=+=+=(3-2末级放大器2R取lKΩ,2R使用可变电阻,其最大阻值为3KΩ,增益计算如公式(3-3:图3-5LMC6484构成末级放大电路41KΩ3KΩ1RR1G453=+=+=(3-3所以本系统中三级放大电路总的增益为:20604410151321=⨯⨯=⨯⨯=GGGG(3-4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。3.2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,由电极获取的信号经过前置放大器的放大,信号的幅度将变大,但这些信号中仍含有脑电信号范围外的噪声和干扰,我们必须从这些信号中提取我们需要的有用信号,去除噪声和干扰。设计中使用低通滤波器滤除100Hz以上的信号,用高通滤波器滤除0.1Hz以下的信号。3.2.1低通滤波器本设计采用四阶低通滤波器滤除高于100Hz的噪声信号。而四阶低通滤波器可以由两个二阶低通滤波器通过级联构成。而本设计中的二阶低通滤波器采用压控电压源电路方式,其原理图如图3-5。图3-6二阶低通滤波器设计时取电路增益为1,主要是考虑到电路中己有放大电路,滤波电路可以不必再放大信号,使分析相对简单。该二阶低通滤波器的传输函数为:2121121122121CCRR1SCR1CR1(SCCR1/RH(s+++=(3-5增益:1Av=(3-6自由震荡角频率:21212nCCRR1ω=(3-7阻尼系数:n1211/ωCR1CR1(ε+=(3-8等效品质因数ω1Q=(3-9若RRR21==,CCC==21,则有:传输函数:22222CR1SRC12SCR1H(s++=(3-10自由震荡角频率:RC1ωn=阻尼系数:2ε=,等效品质因数:21Q=令jωS=代入传输函数3-5,经整理得到:(1ωωjεωjω(1jωHn2n++=(3-11其幅频函数为:(⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-=2n222nωω(ε]ωω([11|jωH|(3-12求其截止频率即(21|jωH|=时的ω,即21ωω(ε]ωω([112n222n=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-(3-13当2ε=时推得:nnncωωωεεω64.012242((2(222≈-=+-+-=(3-14根据以上各公式并结合所要设计滤波器的参数就可以确定电路中各元件的参数。将两个二阶低通滤波级联后得到的四阶低通滤波电路即本设计采用的电路图如图3-7。图3-7四阶低通滤波器(1第一级二阶低通滤波器39KΩRR21==,0.01uFC0.047uF,C21==2nn22nωSεωSωH(s++=得22621212n/srad101.40CCRR1ω⨯==0.92CC2CCRR1/CR1CR1(ε1221211211≈=+=等效品质因数:1.09ε1Q==代入截止频率cω的计算式rad/s101.551.31ωω242(εε(2ω3nn222c⨯==+-+-=246.3Hz/2πωfcc==(2第二级二阶低通滤波器75kΩRR21==,0.01uFCC21==同理得/srad100.013RC1ω5n⨯==阻尼系数:2ε=等效品质因数:0.5ε1Q==代入截止频率cω的计算式832rad/s0.64ωω12ω242(εε(2ωnnn222c=≈-=+-+-=132.5Hz/2πωfcc==本设计中的两个二阶低通滤波器的截至频率不同,采用一高一低,这样可以使其下降沿变的更陡峭一点,性能更好。3.2.2高通滤波器二阶高通滤波器与二阶低通滤波器一样,也采用压控电压源的电路形式。由于高通滤波器与低通滤波器具有对偶性,因此只要将低通滤波器电路中的电阻和电容互换位置就可以了。本设计的二阶高通滤波器电路如图3-8。图3-8二阶高通滤波器同理二阶高通滤波器截止频率:nn222nc1.6ω12ω242((εε(2ωω≈-=+-+-=(3-15160kΩR1=,330kΩR2=,4.7uFCC21==2nn22ωSεωSSH(s++=得2221212n/s0.86radCCRR1ω==1.38RR2CCRR1/CR1CR1(ε2121212212≈=+=等效品质因数:0.72ε1Q==代入截止频率cω的计算式0.92rad/s1.01ω242(εε(2ωωn222nc≈=+-+-=0.15Hz/2πωfcc==即二阶高通滤波器的截止频率为0.15Hz。3.3陷波电路直流电源一般都由频率为50Hz或60Hz的市电通过一定措施变换得到,变换后的电源仍具有一定的纹波电压,这种纹波会对电路产生一定干扰,一般在电路上加入电源滤波网络予以滤除。但工频信号有时会串入电路会对信号产生一定干扰,尤其是脑电信号很微弱,工频对其干扰尤为严重,因此有些电路必须加入陷波电路将工频滤除。我国市电频率为50Hz,电路中50Hz及其谐波对其信号干扰非常严重。图3-950Hz陷波电路本设计中的50Hz陷波电路是由电阻和电容构成T形网络,原理图如上图3-9其中R2RRR321===,CC21CC321===,其传输函数为:KSCG4(1CSGCSGH(s222222-+++=(3-16其中R1G=,212RRRK+=令jωS=得:(o2o22o2Kωj4(1ωωωωjωHω----=(3-17式中RCCGωo1==RCfoπ21=当oωω=时,(0jωH=,当oωω<<和oωω>>是增益接近1,令21|H|=求得hf和if为:]1(21(41[2KKffoh-+-+=(3-18]1(21(41[2KKffoi---+=(3-19阻带带宽:oihfKffBW1(4-=-=(3-20品质因数:1(41KfffQiho-=-=(3-2150Hz陷波电路的典型元件参数为:Ω===KCfRuFCo8.3121,1.0π。仿真结果如图3-10。图3-1050Hz陷波电路仿真结果3.4极性转换电路前面提到,由于陷波器的反馈作用,输出信号信号中可能有负极性信号出现。为了保证只能采集正极性信号的AD不产生削波失真,最好在信号输入前加入一个极性转换电路,将双极性信号转换为正极性信号。实现极性转换的基本方法是在双极性信号上叠加某个直流电压实现,一般采用如下图电路即可实现这样的极性转换效果,电路图如图3-11即仿真结果如图3-12。图3-11极性转换电路图3-12极性转换电路仿真结果图电路中,电位器2R用来调节输出叠加的直流电压。1R,1C构成充放电电路。电路工作过程简述如下:当0=inV时,二极管1D导通,运放构成同相跟随器,refooutVVV==1;当输入信号wtVVminsin=加到运放反相端,在inV负半周期间,1D仍导通,inV与1oV相加后经过1D给电容1C充电,这时电容1C上的电压cV的极性为左负右正,1C两端电压的最大值为:mrefcVVV+=max(3-22此时输出为:wtVVVmcoutsinmax+=(3-23当在inV正半周期间,二极管1D因反偏而截止,此时输出仍为:wtVVVmcoutsinmax+=这样:wtVVVVmmrefoutsin++=(3-24由式(3-24可见输出电压整体上移mrefVV+,转换示意如图3-13所示:图3-13极性转换示意图为了后级数据处理方便,设计时使refV尽可能为零,这样后级A/D电路所量化的值即为信号的峰-峰值。此外,由于工作频率很低,因此电路中的电阻1R和电容1C都尽量的大,使电路的充放时间远大于信号的周期才能保证信号的正常转换。第四章基于Cortex-M3的AD采样与数据处理本章介绍基于EasyCortexM3-1752的脑电信号的A/D转换和数据处理处理,Cortex系列是基于ARMv7的最新ARM微处理器,目前Cortex家族处理器包括A系列的Cortex-A8(应用处理器、R系列的Cortex-R4(实时处理器和M系列的Cortex-M3(微处理器,而本设计将采用Cortex-M3对脑电信号进行处理。4.1ARMCortex-M3介绍ARMCortex-M3处理器是一个面向低成本,小管教数目及低功耗应用,并且具有极高运算能力和中断能力的处理器内核。其问世于2006年,第一个推向市场的是美国LuminaryMicro半导体公司的LM3S系列ARM。目前,NXP、ST、ATMEL和TOSIBA等多知名半导体厂商也相继推出多款基于Cortex-M3内核的ARM微处理器。ARMCortex-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。与相近价位的ARM7核相比,Cortex-M3采用了先进的ARMv7架构,具有带分支预测功能的3级流水线,先进的中断处理能力,其中断延迟最大只需12个周期,带睡眠模式,8段MPU,同时具有1.25MIPS/MHz的处理速度,而且其功耗仅为0.19mW/MHz。4.1.1Cortex-M3结构概述ARMCortex-M3包含三条AHB-Lite总线,一条系统总线以及I-code和D-code总线,后二者的速率较快,且在TCM接口的用法类似:一条总线专用于指令取指(I-code,另一条总线用于数据访问(D-code。这二条内核总线的用法允许同时执行操作,即使同时要对不同的设备目标进行操作。LPC1700系列Cortex-M3微控制器使用多层AHB矩阵来连接上Cortex-M3总线,并以灵活的方式将其它总线主机连接到外设,允许矩阵的不同从机端口上的外设可以同时被不同的总线主机访问,从而能获取到最优化的性能。APB外设使用多层AHB矩阵的独立从机端口通过两条APB总线连接到CPU。这减少了CPU和DMA控制器之间的争用,可实现更好的性能。APB总线桥配置为缓冲区写操作,使得CPU或DMA控制器无需等待APB写操作结束。4.1.2LPC1700系列微控制器LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。ARMCortex-M3是下一代新生内核,它可提供系统增强型特性,例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。其操作频率可达100MHz。ARMCortex-M3CPU具有3级流水线和哈佛结构,带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。ARMCortex-M3CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2个输入和2个输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6个输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。本设计中采用的是LPC1752微控制器的EasyCortex-M3开发板。LPC1752的封装原理图如图4-1。图4-1LPC1752封装原理图4.1.3片上Flash存储器系统LPC1700系列Cortex-M3微控制器含有512KB的片上Flash存储器。一个新的2个端口Flash存储器加速器通过两条快速AHB-Lite总线将其使用性能扩至极限。该存储器可用于存放代码和数据。对Flash存储器的编写有若干种方式来实现。它可通过串口来进行在系统编程。应用程序也可以在运行时对Flash进行擦除或编程,从而为数据存储域固件升级等操作带来了极大的灵活性。4.1.4片上静态RAMLPC1700系列Cortex-M3微控制器包含共计为64KB的片上静态RAM存储器。这包括主32KBSRAM(CPU和高速总线上的3个DMA控制器均可对其进行访问以及另外两个各为16KB的、位于AHB多层矩阵独立从机端口的SRAM模块。这种结构允许各自执行CPU和DMA访问操作,从而对总线主机的延迟变少或无延迟。4.2基于Cortex-M3的模数转换器本设计中,Cortex-M3开发板将接收来自经过调理电路的处理后的脑电信号,接收到的信号幅值均为正这样可以有利于A/D转换。信号接入端为开发板的AD0.2即P0.25口,此端口将接收到的信号送入处理器处理后再通过串口发送到上位机,上位机负责接收和保存来自串口的信号。Cortex-M3开发板上的A/D转换器的基本时钟由APB时钟提供。A/D转换器包含一个可编程的分频器,它可以将APB时钟调整为主次逼近转换所需的时钟(最大可达13MHz。并且,完全满足精度要求的转换需要65个这样的时钟。4.2.1A/D转换引脚描述开发板上的AD0.0-AD0.7为8个模拟输入端,因此A/D转换器单元可测量8个输入信号的电压。这些模拟输入是一直连接到引脚上的,通过引脚复用寄存器将它们设定为端口引脚。也可通过将这些引脚设置为端口输出来实现A/D转换器的简单自检。此外,尽管ADC功能所在引脚最大可承受5V电压,但对ADC模块而言,其模拟复用引脚所能承受的电压并非如此。大于3.3V(VDDA的电压不能连接到被选择用作ADC输入的引脚上,否则读取ADC会出错例如,AD0.0和AD0.1用作ADC0输入引脚,引脚上的电压分别为4.5V和2.5V,虽然AD0.1输入引脚的电压在正常范围内,但AD0.0引脚上过大的电压仍然会导致AD0.1读取错误。VREF为参考电压。该引脚为A/D转换器提供参考电压。VDDA,VSSA为模拟电源和地。它们分别与标称为VDD(3V3和VSS的电压相同,但为了降低噪声和出错几率,两者应当隔离。A/D转换器包含的寄存器见附录B。4.2.2A/D基本操作一旦ADC转换开始,就不能被中断。若前一个转换未结束,软件新写入就不能发起新的转换,新的边沿触发事件也会被忽略。以下所述的寄存器均可参见附录B。(1硬件触发的转换如果ADCR的BURST位为0且START字段的值包含在010-111之内,当所选引脚上或定时器匹配的信号发生跳变时,A/D转换器启动一次转换。也可选择在4个匹配信号中任何一个的指定边沿转换,或者在2个捕获/匹配引脚中任何一个的指定边沿转换。将所选端口的引脚状态或所选的匹配信号与ADCR的位27异或来作为边沿检测逻辑。(2中断DONE标志位为1时,中断请求会被提交到NVIC。软件通过NVIC中的A/D中断使能位来控制是否产生中断。当ADDR被读取时DONE标志被否决。(3精度和数字接收器必须通过寄存器PINSEL选择AD转换功能从而读取监控引脚的准确电压。对于ADC输入引脚,不需要数字功能也可以读取有效的ADC值。只要ADC硬件相关的引脚选定了数字功能,内部电路就会与它断开。(4DMA控制DMA传输请求产生于ADC中断请求线。发起DMA传输的情况与产生中断的情况相同对于DMA传输,只支持突发传输请求。可将DMA通道控制寄存器中的突发大小设为1。若ADC通道个数不等于任意一个支持DMA的突发大小(可用的DMA突发大小有1、4和8,突发大小被设为1。DMA传输大小可决定DMA中断产生的时间。传输大小可以设置成ADC转换通道的个数。不相邻的通道可通过DMA使用分散/聚集链表项来传输。4.3Cortex-M3与计算机的通信方式经ARMCortex-M3处理的数据将送入计算机进行数据保存,以便做进一步的分析处理。ARM与计算机的通信可以有串口、并口、USB甚至网卡等多种方式,其中采用USB方式有传输速度快、占用资源少以及真正即插即用的优点,但USB加微控制器的方式或USB单片机的方式都需要对USB协议有彻底的理解;网卡可以达到很高的传输速率,但需将操作系统嵌入Nios软核,软件的编写也需要对TCP/IP协议及硬件底层有深入的理解,难度较大;串并口虽然较USB和网卡传输方式来说通信速率低,但是其价格低廉、电路简单,也能满足本系统设计的要求,因此这里采用串口连接的方式。开发板上的串口通讯连接原理如图4-2。图4-2串口通讯电路原理图4.4开发环境与软件4.4.1程序开发环境由于本系统是基于ARM环境的,所以程序设计及编译的环境选用的是Keiluvision4软件,软件界面如图4-3。图4-3Keiluvision4软件界面在工程配置中目标CPU中选择LPC1752,如图4-4。图4-4选择LPC1752目标设备选项设置如图4-5。图4-5“目标设备”选项设置其中时钟频率设置为12MHz,只读存储器中芯片内部IROM1起始地址为0X0,长度为0X10000。可读存储器芯片内部IRAM1起始地址为0X010000000,长度为0X4000。链接选项设置如图4-6。图4-6“链接”选项设置输出设置如图4-7。图4-7“输出”设置4.4.2程序设计本设计中程序设计,主要是编写采集脑到的电信号的A/D转换,其中串口通信波特率设定为9600即程序中宏定义如下:#defineUART_BPS9600其中经A/D转换的数据将经由串口0传送到计算机上,数据将储存在U0THR,程序中将选择AD0.2为AD转换的输入端。开发板上需要将JP4中的AD0.2与P0.25短接,JP2中的TXD0与P0.2,RXD与P0.3短接。同时将PC机的串口线连接到开发板UART0,打开Easyarm串口调试软件,这样便可以观察到采样的结果。但是必须注意的是由于AD参考电压是3.0V,若直接采用P0.25采集电压,电压不得高于3.0V。而本设计中采集到的脑电波经放大后不会高于3.0V,所以可以不用考虑采集到的信号会高于3.0V的情况发生。本设计的程序见附录C。4.4.3FlashMagic程序烧录FlashMagic是一款通过串口可对芯片进行ISP(在系统编程的上位机PC软件。使用它可以便捷的实现芯片程序下载或芯片擦除。当芯片使用代码保护加密后,板载仿真器将不能调试程序,必须通过FlashMagic整片擦除才能再次使用。运行FlashMagic如图4-8所示。图4-8FlashMagic将开发板的UART0与PC机的串口相连,并短接ISP跳线和开发板上的UART0跳线,然后将开发板重新上电。此处需要注意开发板串口与PC机硬件连接无误。在使用FlashMagic进行ISP下载前需要完成以下5个设置:(1通信设置点击“SelectDevice”按钮,在弹出的“DeviceDatabase”对话框中选择您需要进行ISP下载的芯片型号,然后点击“OK”按钮。在“COMPort”中根据实际情况选择串行通信端口;在“BaudRate”选项中设置串口通信波特率为9600;在“Device”中选择芯片型号为LPC1752;在“Interface”中选择“None(ISP”作为下载方式;在“OscillatorFreq”中设置芯片所使用的系统时钟频率为12MHz,如图4-9所示。图4-9通信设置(2擦除设置选择好“Device”后,在图4-10方框中将出现所选芯片的Flash扇区情况。在红色方框中可任意选择您所要擦除的扇区。①勾选“EraseallFlash+CodeRdProt”将擦除所有的扇区;②勾选“EraseblocksusedbyHexFile”将擦除Hex文件使用到的扇区。本设计中选择擦除所有的扇区,如图4-10。图4-10擦除设置(3Hex文件路径设置点击“Browse”按钮,选择编译好的程序生成的Hex文件的路径,如图4-11所示。图4-11HEX文件路径设置(4其他功能设置图4-12所示框中的选项即是其它功能设置。①“Verifyafterprogramming”设置是否在下载后进行效检;②“FillunusedFlash”设置将填充未使用Flash值为0x00。本设计中无需点选任何其他功能选项。图4-12其他功能设置(5启动图4-13如所示,点击“Start”启动ISP下载,右下角的进度条将显示下载的进度情况,下载完成后断开ISP跳线,并将开发板重新上电,程序运行。图4-13启动4.4.4EasyArm串口调试当本设计中的程序下载成功后,需要先断开开发板上的ISP跳线和开发板上的UART0跳线。确定开发板和计算机的串口连接好后重置开发板,运行EasyArm软件,验证串口数据传输是否正确。EasyArm软件界面如图4-14。图4-14EasyArm软件界面当程序烧录成功且开发板与计算机串口通讯正常的情况下,EasyArm软件将显示采集到的电压值。如图4-15。图4-15串口通讯正常4.4.5数据记录软件泰康串口大师泰康串口大师是一款串口数据显示及数据记录的软件,可以将采集到的数据以log文件形式存储在计算机中。软件界面如图4-16。图4-16泰康串口大师4.4.6MATLAB数据分析MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran的编辑模式。所以本设计最后的数据分析采用的是MATLAB软件,利用MATLAB的制图功能绘制正常与疲劳情况下得到的脑电信号。利用MATLAB绘图可以得到如下的脑电信号波形图,如图4-17。图