基于TMS320LF2407A的脑电信号采集系统的设计

基于TMS320LF2407A的脑电信号采集系统的设计

北京理工大学电子工程系 张建利 李文丰

脑电信号是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，是一种重要的生物电信号。在进行大脑疾病诊断的过程中需要对脑电信号进行记录，以提供临床数据和诊断的依据。因此脑电信号采集系统具有非常重要的临床意义。本系统包括16路电极，共分2组，每组8路，其中每组各有一路电极作为公共端，通过这16路电极对脑电信号进行采集，然后进行差分放大，滤波以及A/D变换，DSP处理，再经由串口与计算机相连，将采集的脑电信号显示在电脑显示器上，以便于人机交互。

脑电信号的特点

脑电信号非常微弱，幅度范围：20 V－200 V，频率范围：1－30Hz。除此之外，脑电信号还有以下特点：

1）随机性及非平稳性相当强。

2）脑电信号具有非线性。

3）采集到的脑电信号背景噪声比较复杂，有50Hz的工频干扰，电极与皮肤的接触噪声以及电极与地之间的共模信号的干扰等等。

系统方案的设计

如图1所示整个系统由阻抗测试、电平测量、差分放大、高通滤波、低通滤波、DSP以及串口接口。此系统的整个流程如下所示：

1）对电池进行电量测量以确保电量充足。

2）阻抗测试：对每组中公共极与其它电极之间的电阻进行测量，以确保电极与皮肤良好的接触。

3）以上两个步骤完成后，切断对这两个模块的供电，然后对脑电信号进行差分放大。

4）差分放大的脑电信号进行高通滤波，再进行低通滤波。

5）低通滤波后的脑电信号由带有A/D转换的DSP进行处理，并通过串口与计算机通信，将脑电信号回放在电脑显示器上。

电平测量与阻抗测试

电平测量

电池使用时间过长，则电量降低，从而电压也相应地降低。我们在此主要是为了确定电池是否是新电池，以便于能够进行长时间的数据采集。所以在进行脑电信号采集之前首先对电池电压进行测量，测量值由DSP处理，并经过串口显示在电脑显示器上。

阻抗测试

为了确保采集的信号为脑电信号，所以需要确保电极与大脑头皮紧密接触。电极与头皮接触的好坏，直接影响着接触电阻的大小。电极－皮肤电阻越小，引入的交流干扰就越小，得到的脑电波形就越好。在此我们将接触电阻的测量转化为电压的测量，用交流恒流源通过接触电阻，测其电压，经由DSP处理，求其电阻，然后通过串口显示在电脑屏幕上。

差分生物电放大器的设计

差分生物电放大器的设计是整个设计的关键，关系到整个系统设计的成败。

生物电放大器的特性

1）高输入阻抗

脑电信号本身是高阻抗的微弱信号源，所以生物电放大器的输入阻抗必须比较高，从而减小信号源阻抗对生物电放大器的影响。

2）高共模抑制比（CMRR）
共模抑制比是差模放大倍数与共模放大倍数的比。共模抑制比越高，对共模信号的抑制能力越强。为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须选用差分放大形式。 3）低噪声、低漂移
高阻抗源本身就带来相当高的热噪声，输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输入信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级，这样，放大器内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。

除了以上几个特点外，生物电放大器还要有足够大的放大倍数及低功耗。

生物电放大器的选择

近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的集成化仪表放大器，如美国TI公司、MAXIM公司、ADI公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计生物电放大器提供了充分的选择。然而，由于生物电信号检测的特殊性，必须选择性能特别高的放大器。根据以上的分析，我们选择美国AD公司的AD627BR，其结构简图如图2所示。

它具有以下特点：

1）AD627BR的增益可以通过外接电阻在5－1000之间任意调节，计算公式：GAIN=5+(200 K /RG)。

2）高输入阻抗：20G 。

3）高共模抑制比：增益为100时，其共模抑制比为125db。

4）输入失调电压为125 V，输入失调电压偏移为1 V/℃。

5）低噪声：38 nV/\sqrt{Hz} RTI Noise @ 1 KHz (G = +100)。

6）非线性误差为20ppm，增益为100时，增益误差为0.10%。

7）低功耗，消耗的电流只有85 A。

滤波器的设计

电路中滤波器的主要目的是去除直流信号和50Hz的工频干扰。

高通滤波器的设计

电极与皮肤相接触会产生约300mV的直流信号，而且生物电放大器本身的失调电压与电流都是直流信号，还有其它一些因素所产生的直流信号，都会对脑电信号造成干扰，所以在A/D变换之前需要通过高通滤波器来滤除这些直流信号。此高通滤波器采用无源滤波器，起始频率为0.5Hz，结构如图3所示。

由图3可得其传递函数为：

H_{1}(s)=\frac{sR_{R}C_{1}}{1+sR_{1}C_{1}}，起始频率为f_{0}=\frac{1}{2 R_{1}C_{1}}

则f_{0}=0.5Hz，C_{1}=1 F，R_{1}=330K

低通滤波器的设计

低通滤波器主要用来去除50Hz的工频干扰，并且对其进行放大。此滤波器采用有源滤波器，此处用的放大器为AD公司的AD8628，AD8628特性如下所示：

1）低失调电压：1 V。

2）输入失调电压漂移：0.02 V/℃。

3）较低的输入偏置电流：100pA。

4）轨对轨输入、输出电压调节。

5）高共模抑制比：120db。

6）低功耗，供给电流只有1.0mA。

低通滤波器结构如图4所示。

由图4可得其传递函数：

H_{2}(s)=1+\frac{R}{R^{'}}\frac{1}{1+sRC}，其截止频率为f=\frac{1}{2 RC}=40Hz。

则R=100K ，C=0.039 F，在此选择放大200倍，所以R^{'}=500

DSP－TMS320LF2407A

经过本人市场调研，综合考虑各种可编程控制器/处理器的性能、价格和本次设计的系统要求，决定选用美国德州仪器公司TI（Texas Instruments）的TMS320LF2407作为所设计系统的处理器。TMS320LF2407是TMS320C24x系列中功能强大、拥有的硬件资源完整的DSP。总寻址范围192K Words x 16 Bits，其中包括64K 程序空间，64K 数据空间，64K I/O空间，片内集成32K字 16-Bits Flash EEPROM程序空间，2.5K字 16Bits数据/程序 RAM，544字双寻址数据/程序RAM，2K字单寻址数据/程序RAM。两个事件管理模块EV（EVA、EVB），分别提供两个16-Bits全局计数器，8个脉冲宽度可调制通道(PWM)，三个外部事件的定时采样捕获单元，同步的ADC转换，对多个外设进行控制。支持串行异步通信接口（SCI）、串行同步外设接口（SPI）、CAN总线2.0标准接口。TMS320C240x系列芯片大部分管脚都可以复用成输入/输出管脚，使芯片有很好的自由度。TMS320LF2407拥有10-Bit 8或16 路输入数模转换(ADC)，可以进一步减少系统的功耗和体积满足便携式、长时间信号采集的要求。 采集过来的脑电信号经过TMS320LF2407A的16路A/D转换为数字信号，然后再经过DSP处理，通过串口与电脑通信，将采集的脑电信号回放在电脑的显示器上，以便于实时的监测。

结束语

本系统硬件结构简单，可实现16路脑电信号采集，并且功耗较低；在功能上完成了脑电信号采集，放大，滤波，数模转换以及回放的整个流程，从而实现了对脑电信号的实时监测，在临床上应用为医生提供了临床诊断的依据。

  

参考文献:

[1]. TMS320LF2407A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320LF2407A_309789.html.
[2]. MAXIM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[3]. AD627BR datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD627BR_122041.html.
[4]. AD8628 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD8628_250655.html.
[5]. TMS320LF2407 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320LF2407_309787.html.
[6]. 2.0 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/2.0_1758666.html.