解析ARM在脑电信号采集系统的应用

2012-01-16

1 引言

脑电信号是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。这种电现象伴随着生命的始终，一旦死亡，电现象就会随之消失。我们通常所说的脑电图是指头皮脑电图（scalp electroencephalogram），实际上就是头皮电位差与时间之间的关系图。脑电波是脑神经细胞总体活动，包括离子交换、新陈代谢等的综合外在表现，深入地研究脑电波的特性将推进人们对自身大脑的探索研究进程，增强其对疾病的辅助诊断能力。脑电信号是人体重要的生理信号。根据研究表明，脑电信号的主要特点为：脑电信号幅度为5μV~100μV,一般只有50μV左右；频率范围为0.5 Hz~35 Hz;具有极强工频50 Hz干扰和极化电压干扰；内阻从几十千欧到几百千欧不等且易于变化；信噪比低，最高可达1:105.

目前，由于脑电信号采集方法不同，所获得的结论差异较大，并且大多采用单片机作为控制器，精度相对较低。本文根据脑电信号的微弱特性和微弱信号处理要求，介绍了脑电信号采集系统组成和信号处理的有效方法。

2 硬件电路设计

系统主要利用窄带滤波器检测脑电信号，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。例如156-159MC这段频率中，156.25这个频率点的3dB带宽就是窄带，相对这个矩形带宽所制作的带通或带阻滤波器就是窄带滤波器。并滤除通带外的噪声，提高信噪比。但由于中心频率偏移，因此软件设计移植了数字信号处理方法，加入数字滤波器，进一步滤掉噪声，更好还原脑电信号。系统总体框图如图1所示。

2.1前置放大电路

脑电信号检测为强噪声下的超低频（0.5 Hz~35 Hz）、微弱（5μV~100μV）信号检测。因此，前置放大器必须选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、高增益、动态范围大和性能稳定的低频放大器。信号源与前置放大电路采用直接耦合方式。本系统选用LMH6626为前置放大器。LMH6266是美国国家半导体推出的双超低噪声宽带运算放大器。后级放大选用LT1167,LT1167是一种新型仪表放大器，结合了FET运放与双极型运放的优点，其高输入阻抗和低偏置电流接近FET器件，而噪声水平跟双极型运放相同。其性能指标为：激光修剪电阻保证其共模抑制比CMRR>110 dB（G=10）；高输入阻抗为1 000 GΩ，噪声电压为0.28μVp-p,噪声电流为10 pAp-p（0.1 Hz~10 Hz）；输入偏置电流为50 pAg,静态工作电流小于1.3 mA.LT1167AC的CMRR与闭环增益关系如表1所列。

整个系统的前置放大电路如图2所示。U1,U2构成并联差动放大器，在运算放大器为理想情况下，输入阻抗、共模抑制比无穷大，该部分电路具有提高输入阻抗与电压缓冲作用。C1、C2为退耦电容，主要起到隔离极化直流电压作用。

2.2工频滤波电路

工频干扰【释义】市电电压的频率为50Hz,它会以电磁波的辐射形式，对人们的日常生活造成干扰，我们把这种干扰称之为工频干扰。工频干扰会对电气设备和电子设备造成干扰，导致设备运行异常。工频干扰是脑电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用，但部分干扰是以差模进入电路，且频率处于脑电信号的频带内，加之电极与输入回路不稳定等因素，前置放大电路输出的信号仍存在较强的工频干扰。其工作频率电路如图3所示。带阻滤波器电路用于抑制或衰减某一频段信号，使得该频段以外的所有信号通过。K=R4/R3+R4=0.9引入负反馈改善选频作用。通过实验发现。R4取1.7 kΩ，R3取75 Ω时抑制干扰效果最好。

3 软件设计

本文采用的操作系统为μCOS-II,共分为4个任务，分别为TIMER1 ISR、A/D采样任务、数字滤波任务、显示任务。核心任务为A/D采样任务，其软件流程图如图4所示。

信号采集过程中，虽然采取抗噪措施，但信号中仍然不可避免地混入噪声和干扰。本系统充分利用ARM运算速度快、资源丰富等特点。在ARM中移植Hanning滤波器，ARM（Advanced RISC Machines）处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine）。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。以抑制工频50 Hz干扰。Hanning滤波器部分代码如下：