通用串行總線腦電信號采集電路設(shè)計(jì)

0 引 言
    大腦是人類思維活動的中樞，是接受外界信號，產(chǎn)生感覺，形成意識，進(jìn)行邏輯思維，發(fā)出指令，產(chǎn)生行為的指揮部。通過研究腦電信號(EEG)可以了解腦活動的機(jī)制及人的認(rèn)知過程，也是診斷腦疾患的重要手段。
    現(xiàn)有的腦電信號采集系統(tǒng)絕大多數(shù)使用專用機(jī)器，使用、搬移、維修都很不方便。另外，抗干擾能力差，必須在特定環(huán)境(屏蔽室)下進(jìn)行監(jiān)測，而且檢測數(shù)據(jù)記錄量小，不能實(shí)現(xiàn)長時間、大容量的記錄、分析，此外造價(jià)昂貴，采集到的腦電信號也不夠準(zhǔn)確，往往需要結(jié)合醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)做出診斷，故具有一定的主觀性。本文設(shè)計(jì)了一種新的基于USB 2．0的腦電信號采集電路。

1 腦電信號采集原理
    分析腦電信號，掌握腦電信號的特征，對于設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確、有效的腦電信號采集電路至關(guān)重要。首先，可以從中選擇出攜帶最多信息量的信號；其次，可以針對特定的信號研究出相應(yīng)的信號處理算法。
1．1 腦電波的特征及基本組成
    腦電信號的特點(diǎn)主要有三個：頻率主要集中在低頻段100 Hz范圍內(nèi)；信號微弱，一般在50μV或更??；信號的源阻抗高，易于受外界信號干擾。成年人的腦電信號幅度范圍一般在10～50μV之間，頻率范圍在0．5～30 Hz之間。
1．2 腦電信號采集原理及方法
    目前，對于腦電信號的測量，在時間的維度上，可以獲得很高的解析率。然而，在空間的維度上，得到的分辨率卻很低，這依賴于在頭皮上安置電極的數(shù)量。本系統(tǒng)使用16路電極提取腦電信號，采樣頻率為1 000 Hz。由于腦電信號的固有特性及環(huán)境因素使得腦電信號背景噪聲比較復(fù)雜，有50 Hz工頻干擾、心電偽跡、肌電干擾、基線漂移、電極與皮膚的接觸噪聲以及周圍其他儀器的電磁干擾等。因此，要求采集系統(tǒng)具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲放大，并能從強(qiáng)噪聲中提取弱信號的高質(zhì)量濾波措施等。
    腦電信號通常是通過在頭皮表面放置一些電極來采集的。常用的電極種類有銀管電極、針電極和粘連電極等，本系統(tǒng)使用銀管電極，以實(shí)現(xiàn)頭皮與腦電測量設(shè)備之間的連接。為了加強(qiáng)連通性和導(dǎo)電性，在電極與皮膚之間涂一些生理鹽水。電極的放置采用國際10-20系統(tǒng)電極放置法。

2 腦電信號采集電路設(shè)計(jì)
    腦電信號采集電路包括：腦電信號放大、濾波、A／D轉(zhuǎn)換及USB接口電路四部分，總體構(gòu)成如圖1所示。

2．1 腦電信號的前置放大電路設(shè)計(jì)
    信號放大檢測電路是本系統(tǒng)一個非常重要的環(huán)節(jié)。它為后續(xù)數(shù)據(jù)采集和處理分析做了硬件上的準(zhǔn)備。本系統(tǒng)采用高精度儀用放大器AD8221作為前置放大電路，具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)電極和皮膚接觸時，可以產(chǎn)生幾十毫伏的極化電位，所以前置放大器的放大倍數(shù)不能太大，以免造成電路的飽和。
2．2 高低通濾波器及二次放大電路設(shè)計(jì)
    高低通濾波主要有兩個作用：
    (1)去除腦電信號頻率范圍以外的無用信號，達(dá)到抗干擾的作用；
    (2)起到防混疊濾波的作用。為了不丟失有用信號，設(shè)計(jì)了截止頻率為120 Hz的低通濾波電路和截止頻率為0．5 Hz的高通濾波電路。
    低通濾波電路(見圖2)使用AD8674芯片的U1A和U1B兩部分組成巴特沃型二階低通濾波器，負(fù)責(zé)把120 Hz以上的無用信號濾掉。高通濾波電路(見圖3)由U1C組成巴特沃型高通濾波器，負(fù)責(zé)濾除0．5 Hz以下的干擾信號。

    二級放大電路使用AD8674(A，B，D部)的U1C充當(dāng)放大器，因?yàn)楫?dāng)頻率在120 Hz以下時，AD8674的共模抑制比CMRR高達(dá)11O dB以上。通過調(diào)整R11和R14的比值，保證二級放大倍數(shù)為101倍。50 Hz工頻干擾一直是電路設(shè)計(jì)中頭痛的問題，在腦電這種微弱生物電提取系統(tǒng)中尤為突出。本文設(shè)計(jì)了由雙T網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源雙T陷波電路來抑制50 Hz工頻干擾。
2．3 三級放大及光電隔離設(shè)計(jì)
    第三級放大電路(見圖4)通過調(diào)整電阻器R19的阻值來保證經(jīng)過第三級放大后，lO～50μF的微弱腦電信號將變?yōu)?～2．5 V。光電隔離電路負(fù)責(zé)把信號的采集放大部分(該部分使用電池供電)和后面的A／D轉(zhuǎn)換部分(該部分使用交流供電)隔離開，以防止兩部分信號之間相互干擾。

    A／D轉(zhuǎn)換電路(見圖6)的采樣精度為16位，采樣頻率為1 000 Hz。USB控制器通過CNVST#管腳(AD7675的35號引腳)控制AD7675對每路腦電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時還通過查詢BUSY管腳(AD7675的29號引腳)來獲知AD7675當(dāng)前的狀態(tài)。USB控制器還要響應(yīng)主機(jī)的請求，把腦電數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地傳送給主機(jī)。為了提高轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了采樣保持電路，負(fù)責(zé)把16路腦電信號同時鎖存，然后逐一進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于每秒產(chǎn)生32 KB(16×16×1 000)的腦電數(shù)據(jù)，因此為了保證有足夠的空間暫時保存這些腦電數(shù)據(jù)，在CY7C68013芯片外擴(kuò)充了一塊SDRAM，容量為256K×16 b。

4 結(jié) 語
    腦電信號(EEG)是人體重要的生物電信號，目前關(guān)于腦電信號的采集與處理在某些疾病患者治療過程中的作用已得到醫(yī)療機(jī)構(gòu)越來越廣泛的重視。本文詳細(xì)論述了USB 2．0接口腦電信號采集電路的設(shè)計(jì)過程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了腦電數(shù)據(jù)的采集、高速傳輸和實(shí)時處理，有效解決了傳統(tǒng)腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度慢，處理功能簡單，數(shù)據(jù)存儲量小，連接復(fù)雜等缺陷，滿足了實(shí)際需要。