解析ARM在腦電信號采集系統(tǒng)的應用

1 引言

腦電信號是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動。這種電現(xiàn)象伴隨著生命的始終，一旦死亡，電現(xiàn)象就會隨之消失。我們通常所說的腦電圖是指頭皮腦電圖（scalp electroencephalogram），實際上就是頭皮電位差與時間之間的關(guān)系圖。腦電波是腦神經(jīng)細胞總體活動，包括離子交換、新陳代謝等的綜合外在表現(xiàn)，深入地研究腦電波的特性將推進人們對自身大腦的探索研究進程，增強其對疾病的輔助診斷能力。腦電信號是人體重要的生理信號。根據(jù)研究表明，腦電信號的主要特點為：腦電信號幅度為5μV~100μV,一般只有50μV左右；頻率范圍為0.5 Hz~35 Hz;具有極強工頻50 Hz干擾和極化電壓干擾；內(nèi)阻從幾十千歐到幾百千歐不等且易于變化；信噪比低，最高可達1:105.

目前，由于腦電信號采集方法不同，所獲得的結(jié)論差異較大，并且大多采用單片機作為控制器，精度相對較低。本文根據(jù)腦電信號的微弱特性和微弱信號處理要求，介紹了腦電信號采集系統(tǒng)組成和信號處理的有效方法。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主要利用窄帶濾波器檢測腦電信號，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。例如156-159MC這段頻率中，156.25這個頻率點的3dB帶寬就是窄帶，相對這個矩形帶寬所制作的帶通或帶阻濾波器就是窄帶濾波器。并濾除通帶外的噪聲，提高信噪比。但由于中心頻率偏移，因此軟件設(shè)計移植了數(shù)字信號處理方法，加入數(shù)字濾波器，進一步濾掉噪聲，更好還原腦電信號。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
 

2.1前置放大電路

腦電信號檢測為強噪聲下的超低頻（0.5 Hz~35 Hz）、微弱（5μV~100μV）信號檢測。因此，前置放大器必須選用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、高增益、動態(tài)范圍大和性能穩(wěn)定的低頻放大器。信號源與前置放大電路采用直接耦合方式。本系統(tǒng)選用LMH6626為前置放大器。LMH6266是美國國家半導體推出的雙超低噪聲寬帶運算放大器。后級放大選用LT1167,LT1167是一種新型儀表放大器，結(jié)合了FET運放與雙極型運放的優(yōu)點，其高輸入阻抗和低偏置電流接近FET器件，而噪聲水平跟雙極型運放相同。其性能指標為：激光修剪電阻保證其共模抑制比CMRR>110 dB（G=10）；高輸入阻抗為1 000 GΩ，噪聲電壓為0.28μVp-p,噪聲電流為10 pAp-p（0.1 Hz~10 Hz）；輸入偏置電流為50 pAg,靜態(tài)工作電流小于1.3 mA.LT1167AC的CMRR與閉環(huán)增益關(guān)系如表1所列。
 

整個系統(tǒng)的前置放大電路如圖2所示。U1,U2構(gòu)成并聯(lián)差動放大器，在運算放大器為理想情況下，輸入阻抗、共模抑制比無窮大，該部分電路具有提高輸入阻抗與電壓緩沖作用。C1、C2為退耦電容，主要起到隔離極化直流電壓作用。

2.2工頻濾波電路

工頻干擾【釋義】市電電壓的頻率為50Hz,它會以電磁波的輻射形式，對人們的日常生活造成干擾，我們把這種干擾稱之為工頻干擾。工頻干擾會對電氣設(shè)備和電子設(shè)備造成干擾，導致設(shè)備運行異常。工頻干擾是腦電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾有較強的抑制作用，但部分干擾是以差模進入電路，且頻率處于腦電信號的頻帶內(nèi)，加之電極與輸入回路不穩(wěn)定等因素，前置放大電路輸出的信號仍存在較強的工頻干擾。其工作頻率電路如圖3所示。帶阻濾波器電路用于抑制或衰減某一頻段信號，使得該頻段以外的所有信號通過。K=R4/R3+R4=0.9引入負反饋改善選頻作用。通過實驗發(fā)現(xiàn)。R4取1.7 kΩ，R3取75 Ω時抑制干擾效果最好。

3 軟件設(shè)計

本文采用的操作系統(tǒng)為μCOS-II,共分為4個任務(wù)，分別為TIMER1 ISR、A/D采樣任務(wù)、數(shù)字濾波任務(wù)、顯示任務(wù)。核心任務(wù)為A/D采樣任務(wù)，其軟件流程圖如圖4所示。

信號采集過程中，雖然采取抗噪措施，但信號中仍然不可避免地混入噪聲和干擾。本系統(tǒng)充分利用ARM運算速度快、資源豐富等特點。在ARM中移植Hanning濾波器，ARM（Advanced RISC Machines）處理器是Acorn計算機有限公司面向低預算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器。更早稱作Acorn RISC Machine）。ARM處理器本身是32位設(shè)計，但也配備16位指令集。一般來講比等價32位代碼節(jié)省達35%,卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢。 以抑制工頻50 Hz干擾。Hanning濾波器部分代碼如下：

4 結(jié)束語

本文給出了一種基于ARM的腦電信號采集方法，實驗結(jié)果顯示本采集系統(tǒng)能夠很好的采集并還原腦電信號，并且腦電信號具有失真度小，精度較高等特點。