基于TMS320LF2407的腦電信號處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本論文介紹了腦電信號處理系統(tǒng)設(shè)計的兩種基本方法及其優(yōu)缺點，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特點，闡述了基于TMS320LF2407DSP的16通道腦電信號處理系統(tǒng)的硬件和軟件的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠、靈活性強,可以為腦電波的數(shù)字信號處理軟件提供功能強大的硬件基礎(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   數(shù)字信號處理   濾波器

1．  概述

腦電信號(EEG)是人體中最重要的生物電信號之一，對于腦電信號的監(jiān)測、分析已在臨床醫(yī)學的疾病診斷方面得到廣泛應(yīng)用。16通道腦電信號的檢測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，必須進行切實有效的放大及信號處理才能用于臨床的檢驗。腦電信號處理分為模擬和數(shù)字兩種方式。早期的數(shù)字腦電圖機主要采用模擬信號處理方式，處理好的信號利用AD采集卡或單片機把數(shù)據(jù)傳送到上位機系統(tǒng)顯示及打印，其優(yōu)點是實時性好，易于實現(xiàn)，缺點是電路體積大、精度低、易受環(huán)境溫度影響及抗干擾性能差。腦電信號的數(shù)字處理以往多采用通用PC機或單片機實現(xiàn)，但存在實時性差的缺點。這樣，實時性好的DSP在腦電信號數(shù)字處理中應(yīng)運而生。

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)用于電機的數(shù)字化控制而不是數(shù)字信號處理，因為其時鐘頻率遠低于5000系列DSP且沒有專門的濾波器指令。但以腦電信號的數(shù)字處理而言，腦電信號頻率不超過100Hz，屬于低頻信號，需要處理的數(shù)據(jù)量有限，對于16通道的腦電信號的數(shù)據(jù)運算，按每通道采樣頻率1000Hz計，系統(tǒng)需要每個采樣點在62.5us內(nèi)完成采樣、運算及數(shù)據(jù)傳輸。實驗中我們試用了TMS320LF2407DSP，從效果來看，它可以滿足速度上的要求，而從系統(tǒng)的性價比及功能的可擴展性來看，TMS320LF2407DSP體現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢^{[1] [2]}。

2．  系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分采用TMS320LF2407DSP為核心，兼具控制和數(shù)字信號處理的功能，其外部由16位AD轉(zhuǎn)換器、外擴存儲器、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。

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

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

經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的腦電數(shù)據(jù)通過IIR數(shù)字濾波運算，輸出的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機，以便實時顯示腦電波形及存儲打印。由于每個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、下位機數(shù)據(jù)實時傳輸?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現(xiàn)人體與電氣的隔離，同時為了防止數(shù)字電路與模擬電路的干擾電流通過地線相互傳遞，采用了光電隔離技術(shù)，在模擬開關(guān)的輸出端接上模擬光電隔離器，通過接口與數(shù)字電路相連，而模擬開關(guān)的四根選通地址線則通過數(shù)字光電隔離器與DSP的復用IO口相連，通過DSP選通16個通道，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IO空間尋址，利用OUT指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在這里就不贅述了。

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

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計

腦電信號的數(shù)字信號處理的軟件程序由6個相關(guān)文件組成，分別是math.h，register.h，LF2407.CMD，RTS2XX.LIB，process.c，cvectors.asm。在上述6個部分文件中，math.h是程序中需要用到的數(shù)學公式庫文件，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，指示編譯器如何進行程序空間和數(shù)據(jù)空間的分配，RTS2xxx.LIB庫文件由系統(tǒng)提供，cvectors.asm是向量表文件，定義所需的復位和中斷向量，process.c主要是完成腦電數(shù)字信號處理的功能，是整個系統(tǒng)的核心部分。

    DSP在程序運行過程中，首先上電復位后根據(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，對系統(tǒng)進行必要的初始化，對AD轉(zhuǎn)換器和USB100模塊進行初始化，并將AD初始化成T4定時中斷觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，啟動看門狗，開中斷，然后主程序判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成，如果AD轉(zhuǎn)換沒有完成則程序繼續(xù)等待，如果AD轉(zhuǎn)換完成，讀取AD轉(zhuǎn)換的對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)字濾波子程序進行數(shù)字濾波，將輸出結(jié)果上傳至上位機，然后等待下一個AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入。啟動AD轉(zhuǎn)換是通過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AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后置位AD轉(zhuǎn)換好標志，告訴主程序讀取數(shù)據(jù)進行數(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)計的IIR數(shù)字濾波器實現(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)字濾波過程中，首先讀入相應(yīng)濾波通道的輸入序列x(n)，對輸入輸出序列乘積項分別求和，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)，在濾波過程中為了防止濾波出現(xiàn)不穩(wěn)定，所以對輸出序列進行了限幅處理，對于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。因為濾波器設(shè)計的是實時數(shù)字濾波，所以在本次數(shù)字濾波結(jié)束后，需要對輸入序列進行調(diào)整，即將x[i+1]放到x[i]，為下次數(shù)字濾波做準備。同理，在輸出y(n)的同時，也需要對輸出序列進行調(diào)整，即將y[i+1]放到y(tǒng)[i]，為下次數(shù)字濾波做準備^[4]。

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

圖3  數(shù)字處理前后腦電波對比

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需在上位機再進行信號處理。

4．  結(jié)論

由于腦電信號測量的強干擾背景，目前醫(yī)院使用的腦電放大器仍需開辟專用的屏蔽室，實現(xiàn)腦電信號的實時采集及傳輸在國內(nèi)一直是個難題，本文以DSP作為核心器件研究腦電信號處理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，具有一定的開拓性和實用性，在系統(tǒng)的研制過程中，通過對人體腦電波的采集及信號處理進行了大量的實驗工作。從實驗效果來看，通過本系統(tǒng)采集到的腦電波形清晰干凈，可為醫(yī)生臨床監(jiān)測患者腦疾狀況提供信度較高的依據(jù)。本系統(tǒng)的設(shè)計具有為醫(yī)院的腦電監(jiān)護儀器的研制提供參考的價值及較好的應(yīng)用前景。

本文作者創(chuàng)新點：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檢測的強干擾的特點以及TMS320LF2407內(nèi)部資源及控制能力比TMS320C5000系列強的優(yōu)點，大大縮短了腦電放大器硬件開發(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并片外擴展了USB100模塊，使數(shù)據(jù)采集及傳輸能力大大增強；三是在軟件結(jié)構(gòu)上利用TMS320LF2407的C語言開發(fā)的腦電信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功能可靠，程序可直接燒寫到DSP內(nèi)部FLASH，長時間脫機運行完全正常；四是從數(shù)字信號處理算法的選擇來看，IIR數(shù)字濾波器對干擾的抑制效果非常明顯，在實驗中通過標準正弦波進行測試證明本系統(tǒng)失真度小、信噪比高；五是由于采用了價格低廉的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：

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

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

[3].趙負圖，《信號采集與處理集成電路手冊.化學工業(yè)出版社》，2002年9月

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