基于TMS320LF2407的腦電信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本論文介紹了腦電信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種基本方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特點(diǎn)，闡述了基于TMS320LF2407DSP的16通道腦電信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、靈活性強(qiáng),可以為腦電波的數(shù)字信號(hào)處理軟件提供功能強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)；該系統(tǒng)的軟件充分利用了TMS320LF2407內(nèi)部16通道的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，順利實(shí)現(xiàn)了50Hz工頻干擾的濾除，并最終獲取清晰干凈的16通道的腦電波形。
關(guān)鍵詞：腦電信號(hào)   數(shù)字信號(hào)處理   濾波器

1．  概述

腦電信號(hào)(EEG)是人體中最重要的生物電信號(hào)之一，對(duì)于腦電信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析已在臨床醫(yī)學(xué)的疾病診斷方面得到廣泛應(yīng)用。16通道腦電信號(hào)的檢測(cè)主要用于腦疾病病灶的定位，由于從腦電極提取的腦電波中含有大量干擾尤其是50Hz工頻干擾，必須進(jìn)行切實(shí)有效的放大及信號(hào)處理才能用于臨床的檢驗(yàn)。腦電信號(hào)處理分為模擬和數(shù)字兩種方式。早期的數(shù)字腦電圖機(jī)主要采用模擬信號(hào)處理方式，處理好的信號(hào)利用AD采集卡或單片機(jī)把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)顯示及打印，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是電路體積大、精度低、易受環(huán)境溫度影響及抗干擾性能差。腦電信號(hào)的數(shù)字處理以往多采用通用PC機(jī)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，但存在實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。這樣，實(shí)時(shí)性好的DSP在腦電信號(hào)數(shù)字處理中應(yīng)運(yùn)而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍應(yīng)用，現(xiàn)在比較一致的看法是2000系列的DSP適合應(yīng)用于電機(jī)的數(shù)字化控制而不是數(shù)字信號(hào)處理，因?yàn)槠鋾r(shí)鐘頻率遠(yuǎn)低于5000系列DSP且沒(méi)有專門的濾波器指令。但以腦電信號(hào)的數(shù)字處理而言，腦電信號(hào)頻率不超過(guò)100Hz，屬于低頻信號(hào)，需要處理的數(shù)據(jù)量有限，對(duì)于16通道的腦電信號(hào)的數(shù)據(jù)運(yùn)算，按每通道采樣頻率1000Hz計(jì)，系統(tǒng)需要每個(gè)采樣點(diǎn)在62.5us內(nèi)完成采樣、運(yùn)算及數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)中我們?cè)囉昧薚MS320LF2407DSP，從效果來(lái)看，它可以滿足速度上的要求，而從系統(tǒng)的性價(jià)比及功能的可擴(kuò)展性來(lái)看，TMS320LF2407DSP體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)^{[1] [2]}。

2．  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分采用TMS320LF2407DSP為核心，兼具控制和數(shù)字信號(hào)處理的功能，其外部由16位AD轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、USB100模塊、12位DA轉(zhuǎn)換器、8位指示燈、數(shù)字光電隔離器等構(gòu)成，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

來(lái)自前置放大電路的16通道腦電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)16位AD采樣進(jìn)入DSP中央處理單元進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算，處理完畢的數(shù)據(jù)通過(guò)USB100模塊上傳到上位機(jī)系統(tǒng)，在調(diào)試中可以通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器在示波器上觀察經(jīng)過(guò)數(shù)字處理的腦電波形。8位指示燈用于調(diào)試時(shí)觀察時(shí)鐘的精確度。

圖1  硬件系統(tǒng)框圖

雖然TMS320LF2407內(nèi)部集成有16通道AD轉(zhuǎn)換器,但精度只有10位，能夠分辨腦電信號(hào)電壓變化的最小值約為3mV，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中前置級(jí)放大電路為防止差模形式出現(xiàn)的干擾在輸出端飽和，放大倍數(shù)一般設(shè)定為50倍，有用腦電信號(hào)的最小幅值放大到0.5mV,顯然10位AD轉(zhuǎn)換器的精度是不夠的。在本系統(tǒng)中采用美國(guó)美信公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換速度為165KSPS的16位高精度AD轉(zhuǎn)換器MAX1165，可分辯信號(hào)電壓變化的最小值為62.5uV，完全滿足了系統(tǒng)精度的要求^[3]。

TMS320LF2407具有64K字的程序存儲(chǔ)器空間和64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，DSP內(nèi)部有32K字FLASH程序存儲(chǔ)器，一般是在程序調(diào)試完成后，通過(guò)下載線和CCS軟件把程序可執(zhí)行代碼燒寫進(jìn)FLASH，使程序上電后從0000H處運(yùn)行，完成所需的控制功能。但在程序調(diào)試時(shí)，需要有程序存儲(chǔ)器來(lái)存放用以仿真的程序代碼，而當(dāng)程序脫離仿真器運(yùn)行時(shí)，可將該外擴(kuò)存儲(chǔ)器設(shè)置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換的腦電數(shù)據(jù)通過(guò)IIR數(shù)字濾波運(yùn)算，輸出的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機(jī)，以便實(shí)時(shí)顯示腦電波形及存儲(chǔ)打印。由于每個(gè)通道腦電波的采樣頻率為1000Hz,數(shù)據(jù)精度為16位，所以腦電數(shù)據(jù)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率必須高于256Kbit/s，而串口最高的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為19.2Kbit/s，為滿足上、下位機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰植辉黾酉到y(tǒng)的難度，我們選用了USB100模塊作為DSP與上位機(jī)的通信接口。其數(shù)據(jù)傳輸速率為8Mbit/s^[4]。

為了人體安全，本系統(tǒng)前置端采用浮地差分放大方式以實(shí)現(xiàn)人體與電氣的隔離，同時(shí)為了防止數(shù)字電路與模擬電路的干擾電流通過(guò)地線相互傳遞，采用了光電隔離技術(shù)，在模擬開(kāi)關(guān)的輸出端接上模擬光電隔離器，通過(guò)接口與數(shù)字電路相連，而模擬開(kāi)關(guān)的四根選通地址線則通過(guò)數(shù)字光電隔離器與DSP的復(fù)用IO口相連，通過(guò)DSP選通16個(gè)通道，從而避免了數(shù)字電路與模擬電路的干擾路徑。

DSP與12位DA轉(zhuǎn)換器及8位指示燈的接口電路類似于DSP與AD轉(zhuǎn)換器的接口電路，均通過(guò)IO空間尋址，利用OUT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在這里就不贅述了。

硬件系統(tǒng)的各個(gè)部分密切相關(guān)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到腦電信號(hào)數(shù)字處理的優(yōu)劣。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理的軟件程序由6個(gè)相關(guān)文件組成，分別是math.h，register.h，LF2407.CMD，RTS2XX.LIB，process.c，cvectors.asm。在上述6個(gè)部分文件中，math.h是程序中需要用到的數(shù)學(xué)公式庫(kù)文件，register.h是CPU內(nèi)部的寄存器及其相關(guān)定義文件，LF2407.CMD是連接命令文件，指示編譯器如何進(jìn)行程序空間和數(shù)據(jù)空間的分配，RTS2xxx.LIB庫(kù)文件由系統(tǒng)提供，cvectors.asm是向量表文件，定義所需的復(fù)位和中斷向量，process.c主要是完成腦電數(shù)字信號(hào)處理的功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

    DSP在程序運(yùn)行過(guò)程中，首先上電復(fù)位后根據(jù)中斷向量表程序跳轉(zhuǎn)到主程序入口地址，主程序關(guān)中斷，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的初始化，對(duì)AD轉(zhuǎn)換器和USB100模塊進(jìn)行初始化，并將AD初始化成T4定時(shí)中斷觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)看門狗，開(kāi)中斷，然后主程序判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成，如果AD轉(zhuǎn)換沒(méi)有完成則程序繼續(xù)等待，如果AD轉(zhuǎn)換完成，讀取AD轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進(jìn)行數(shù)字濾波，將輸出結(jié)果上傳至上位機(jī)，然后等待下一個(gè)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入。啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換是通過(guò)AD中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)的，在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后置位AD轉(zhuǎn)換好標(biāo)志，告訴主程序讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。

該程序的主程序流程圖和中斷服務(wù)程序流程圖如圖2所示。

圖2  主程序和中斷服務(wù)程序流程框圖

本程序中，IIR數(shù)字濾波子程序是核心部分，其算法由MATLAB設(shè)計(jì)的IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，可表示為下面的輸入輸出序列：

從數(shù)字濾波的公式可以看出，通用數(shù)字濾波子程序需要的參數(shù)有輸入序列x[]，輸入序列的濾波系數(shù)b[]，輸入序列乘積項(xiàng)的系數(shù)nl，輸出序列y[]，輸出序列的濾波系數(shù)a[]，輸出序列的乘積項(xiàng)系數(shù)dl-1，以及相應(yīng)濾波通道n和該通道的最新輸入x(n)。

在上述程序的數(shù)字濾波過(guò)程中，首先讀入相應(yīng)濾波通道的輸入序列x(n)，對(duì)輸入輸出序列乘積項(xiàng)分別求和，然后求出輸入輸出序列最后的累加和，即為本次輸出序列y(n)，在濾波過(guò)程中為了防止濾波出現(xiàn)不穩(wěn)定，所以對(duì)輸出序列進(jìn)行了限幅處理，對(duì)于16位AD轉(zhuǎn)換的最大輸出為65536，所以數(shù)字濾波的輸出y(n)應(yīng)該小于65536。因?yàn)闉V波器設(shè)計(jì)的是實(shí)時(shí)數(shù)字濾波，所以在本次數(shù)字濾波結(jié)束后，需要對(duì)輸入序列進(jìn)行調(diào)整，即將x[i+1]放到x[i]，為下次數(shù)字濾波做準(zhǔn)備。同理，在輸出y(n)的同時(shí)，也需要對(duì)輸出序列進(jìn)行調(diào)整，即將y[i+1]放到y(tǒng)[i]，為下次數(shù)字濾波做準(zhǔn)備^[4]。

圖3是在100MHz雙蹤示波器上觀察到的本系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理前后通過(guò)DAC輸出的腦電波形。

圖3  數(shù)字處理前后腦電波對(duì)比

從上圖可以看出，50Hz工頻干擾及高頻干擾基本得到抑制，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師從上圖中可辯別出腦電波的種類，也能判斷受試者的病理狀況而無(wú)需在上位機(jī)再進(jìn)行信號(hào)處理。

4．  結(jié)論

由于腦電信號(hào)測(cè)量的強(qiáng)干擾背景，目前醫(yī)院使用的腦電放大器仍需開(kāi)辟專用的屏蔽室，實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及傳輸在國(guó)內(nèi)一直是個(gè)難題，本文以DSP作為核心器件研究腦電信號(hào)處理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，具有一定的開(kāi)拓性和實(shí)用性，在系統(tǒng)的研制過(guò)程中，通過(guò)對(duì)人體腦電波的采集及信號(hào)處理進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，通過(guò)本系統(tǒng)采集到的腦電波形清晰干凈，可為醫(yī)生臨床監(jiān)測(cè)患者腦疾狀況提供信度較高的依據(jù)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有為醫(yī)院的腦電監(jiān)護(hù)儀器的研制提供參考的價(jià)值及較好的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：一是首次將TMS320LF2407應(yīng)用于16通道的腦電放大器的研制中，充分考慮了腦電信號(hào)檢測(cè)的強(qiáng)干擾的特點(diǎn)以及TMS320LF2407內(nèi)部資源及控制能力比TMS320C5000系列強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，大大縮短了腦電放大器硬件開(kāi)發(fā)的周期；二是在硬件結(jié)構(gòu)上利用了TMS320LF2407內(nèi)部16通道的ADC并片外擴(kuò)展了USB100模塊，使數(shù)據(jù)采集及傳輸能力大大增強(qiáng)；三是在軟件結(jié)構(gòu)上利用TMS320LF2407的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的腦電信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能可靠，程序可直接燒寫到DSP內(nèi)部FLASH，長(zhǎng)時(shí)間脫機(jī)運(yùn)行完全正常；四是從數(shù)字信號(hào)處理算法的選擇來(lái)看，IIR數(shù)字濾波器對(duì)干擾的抑制效果非常明顯，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行測(cè)試證明本系統(tǒng)失真度小、信噪比高；五是由于采用了價(jià)格低廉的TMS320C2000系列的DSP，本系統(tǒng)的研制成本低于采用TI公司其它系列的DSP。

參考文獻(xiàn)：

[1].郭晶瑩，吳晴，商慶瑞 . 基于TMS320VC5509A的指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 微計(jì)算機(jī)信息 . 2006，9-2:151-153

[2].劉和平，嚴(yán)利平等，《TMS320LF2407DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用》，北京航空航天大學(xué)出版社，2002年4月

[3].趙負(fù)圖，《信號(hào)采集與處理集成電路手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社》，2002年9月

[4].李朝青，《單片機(jī)及DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(cè)》，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年1月