基于單片機(jī)的腦波治療儀的軟件設(shè)計(jì)研究

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)的腦波治療儀的軟件設(shè)計(jì)方案。文中對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，著重對(duì)腦波誘導(dǎo)音樂(lè)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。最后對(duì)系統(tǒng)輸出腦波誘導(dǎo)波進(jìn)行了測(cè)試并對(duì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了討論，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案可行。
關(guān)鍵詞：腦波；單片機(jī)；腦波治療儀；腦波頻率引導(dǎo)

O 引言
    依據(jù)現(xiàn)代腦電生理神經(jīng)心理學(xué)的研究，腦波活動(dòng)依據(jù)特定波長(zhǎng)主要分為四組模式：β、α、θ、δ，腦波活動(dòng)的某一模式與特定的精神狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。腦波治療儀是新型的醫(yī)療儀器，它依據(jù)腦波同步及腦波頻率引導(dǎo)原理，采用生物信息模擬技術(shù)，用電腦模擬各種頻率的腦電波，并調(diào)制成腦波音樂(lè)信號(hào)反饋給使用者，影響調(diào)節(jié)人體的腦電活動(dòng)水平及興奮水平，使大腦經(jīng)常處于特定的腦波狀態(tài)。目前常用的腦波軟件產(chǎn)生方法有調(diào)用函數(shù)算法生成和模擬DSS采樣輸出的方法，本文采用基于普通單片機(jī)的模擬DSS采樣輸出的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件介紹
    如圖l所示，系統(tǒng)由單片機(jī)，程序存儲(chǔ)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，放大濾波電路，立體聲耳機(jī)，節(jié)目指示燈，節(jié)目時(shí)間顯示器、按鍵等構(gòu)成。系統(tǒng)可分為按鍵電路，腦波音樂(lè)產(chǎn)生電路，節(jié)目時(shí)間、節(jié)目指示燈顯示電路這三個(gè)模塊。

    開(kāi)機(jī)后，在用戶選擇好節(jié)目并按下開(kāi)始鍵后系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。開(kāi)始運(yùn)行后首先由單片機(jī)產(chǎn)生預(yù)設(shè)頻率的腦波音樂(lè)數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，然后由模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生左右雙聲道信號(hào)，最后經(jīng)濾波放大電路進(jìn)入耳機(jī)。節(jié)目在播放過(guò)程中會(huì)有節(jié)目指示燈及運(yùn)行時(shí)間的顯示，節(jié)目時(shí)間、是以分鐘為單位來(lái)顯示。

2 系統(tǒng)軟件介紹
    軟件主要由以下幾部分組成：鍵盤檢測(cè)、控制部分，腦波音樂(lè)節(jié)目產(chǎn)生部分，節(jié)目時(shí)間、節(jié)目指示燈顯示部分。
2．1 系統(tǒng)軟件流程
    圖2是系統(tǒng)總流程圖。設(shè)備上電后，單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對(duì)I／O端口及各種功能寄存器、外部設(shè)備進(jìn)行初始化，然后等待功能中斷子程序。這里鍵盤子程序調(diào)用了外部中斷，調(diào)用了定時(shí)器／計(jì)數(shù)器中斷。當(dāng)檢測(cè)到有鍵盤中斷后先去抖動(dòng)，然后讀取鍵值并轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能子程序。腦波音樂(lè)產(chǎn)生子程序在開(kāi)始鍵按下后被觸發(fā)，它將調(diào)用各定時(shí)器完成腦波聲光的產(chǎn)生。在節(jié)目開(kāi)始的同時(shí)，節(jié)目時(shí)間顯示子程序?qū)?duì)時(shí)間進(jìn)行顯示。以下就設(shè)計(jì)中的一些重點(diǎn)進(jìn)行分析。

2．2 腦波聲光節(jié)目產(chǎn)生部分
    圖l的模塊2為腦波音樂(lè)節(jié)目產(chǎn)生部分的硬件電路。腦波聲光節(jié)目產(chǎn)生軟件部分主要由兩個(gè)部分組成：?jiǎn)温暤滥X波音樂(lè)的生成，雙聲道音樂(lè)的生成。
2．2．1 單聲道腦波音樂(lè)的生成
    因?yàn)橹委煵ǖ念l率多處在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍之外，所以用帶有治療波頻率的調(diào)幅信號(hào)來(lái)給大腦傳遞治療信號(hào)，即用治療頻率的正弦波來(lái)對(duì)一定頻率的載波進(jìn)行幅度調(diào)制來(lái)產(chǎn)生音樂(lè)，所以腦波音樂(lè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是調(diào)幅波的產(chǎn)生。設(shè)計(jì)中沒(méi)有調(diào)用正弦函數(shù)直接產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)，而是先對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到正弦波數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)固化在ROM中。因?yàn)橄?br />統(tǒng)采用8位單片機(jī)，一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)最大數(shù)為255，所以對(duì)采樣值的范圍選為0～255。
    下面對(duì)調(diào)幅波的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)進(jìn)行分別介紹：
    (1)調(diào)幅波的產(chǎn)生
    因?yàn)閱纹瑱C(jī)無(wú)法輸出負(fù)數(shù)，所以本設(shè)計(jì)的中調(diào)制信號(hào)為式(1)：

   
    單片機(jī)分別取調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的采樣點(diǎn)然后相乘取結(jié)果的高8位作為輸出則得到信號(hào)為式(3)：

    [!--empirenews.page--]
    通過(guò)外部的高通濾波器將直流及調(diào)制信號(hào)分量濾除就得到所需調(diào)幅信號(hào)如式(4)：

   
    其中Ω為調(diào)制信號(hào)的頻率，即腦波頻率，頻率范圍為1Hz～30Hz；w0為載波的頻率，范圍為90Hz～800Hz，初始頻率設(shè)定為330Hz。輸出調(diào)幅波波形如圖3所示。

    (2)調(diào)幅波的載波頻率調(diào)節(jié)
    載波頻率即腦波音樂(lè)的音調(diào)，將音調(diào)調(diào)整到人耳敏感的范圍，會(huì)使治療效果更加明顯。人們可以聽(tīng)到的聲振動(dòng)頻率范圍為20Hz～20kHz，設(shè)計(jì)要求頻率調(diào)節(jié)范圍為90Hz～800Hz。載波頻率計(jì)算如式(5)：

    fw0=1/nT    （5）
    載波的頻率由載波的采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)n和取點(diǎn)時(shí)間間隔T決定。通過(guò)改變采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)需要大量的采樣點(diǎn)，同時(shí)由于取點(diǎn)數(shù)量的改變必然帶來(lái)較大的相位截?cái)嗾`差。本設(shè)計(jì)通過(guò)改變T來(lái)調(diào)節(jié)頻率，這樣保證了采樣點(diǎn)不漏取，同時(shí)采樣點(diǎn)點(diǎn)數(shù)不用取太多。調(diào)頻過(guò)程中，首先計(jì)算所需頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，然后將其賦給取點(diǎn)時(shí)間間隔參數(shù)，這樣載波就被跳到所需頻率。
    (3)調(diào)幅波的調(diào)制信號(hào)頻率調(diào)節(jié)
    在設(shè)計(jì)中，調(diào)幅波的調(diào)制信號(hào)即腦波音樂(lè)的包絡(luò)，它確定了腦波音樂(lè)的特征(尤其是治療的內(nèi)容)。調(diào)制波的頻率調(diào)節(jié)是在一定的腦波頻率范圍內(nèi)(1Hz～30Hz)變化，其頻率隨時(shí)間變化的時(shí)間、頻率參數(shù)已經(jīng)固化在ROM中，不能任意調(diào)節(jié)。調(diào)制信號(hào)頻率調(diào)節(jié)與載波頻率調(diào)節(jié)的原理相同，可以參考公式5。本設(shè)計(jì)中調(diào)制信號(hào)隨時(shí)間的頻率變化參數(shù)已經(jīng)換算成時(shí)間參數(shù)，程序運(yùn)行時(shí)采用查表方式調(diào)用該時(shí)間參數(shù)來(lái)改變調(diào)制信號(hào)的頻率。
    (4)腦波音樂(lè)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)
    將腦波音樂(lè)信號(hào)vAM作為DA2的參考電壓Vref，單片機(jī)的強(qiáng)度參數(shù)PW做為DA2的輸入信號(hào)。DAl和DA2采用DAC0832，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中DAC都采用單極性反向電壓輸出方式，所以DA2的輸出如式(6)：

   
    這樣腦波音樂(lè)強(qiáng)度在0~-vAM內(nèi)變化。
2．2．2 雙聲道音樂(lè)的生成
    如圖4，模擬開(kāi)關(guān)的輸入口A2、B1接低電平，Al、B2同時(shí)接入腦波音樂(lè)信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)控制口l、2來(lái)控制兩路開(kāi)關(guān)的通斷。當(dāng)使左右兩路的開(kāi)關(guān)都始終打開(kāi)就會(huì)產(chǎn)生左右兩路同步輸出；當(dāng)單片機(jī)以與調(diào)制信號(hào)相同的頻率控制模擬開(kāi)關(guān)交替開(kāi)、關(guān)就會(huì)產(chǎn)生左右兩路信號(hào)交替輸出。這兩路輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路輸出至耳機(jī)，這種交替／同步的立體聲作用到人腦將引導(dǎo)大腦起到雙腦同步的有效治療效果。圖5就是采集到的左右交替輸出的信號(hào)。

2．3 節(jié)目時(shí)間、節(jié)目指示燈顯示部分
    節(jié)目時(shí)間顯示部分是由單片機(jī)調(diào)用內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行分鐘計(jì)時(shí)，輸出時(shí)間信號(hào)到LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。節(jié)目時(shí)間在開(kāi)機(jī)時(shí)顯示0，在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)節(jié)目時(shí)間到了預(yù)定時(shí)間將調(diào)用報(bào)警子程序發(fā)出報(bào)警聲，并將節(jié)目結(jié)束標(biāo)志置位。節(jié)目指示燈顯示是在節(jié)目選擇子程序中由單片機(jī)控制節(jié)目指示發(fā)光二極管燈的亮滅，指示當(dāng)前輸出哪個(gè)節(jié)目。

3 結(jié)果分析
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察及示波器測(cè)量，設(shè)備能輸出有效頻率的腦波音樂(lè)，滿足預(yù)計(jì)的參數(shù)設(shè)置，波形無(wú)明顯失真。圖5是采集到的的波形。

    但是實(shí)際輸出波形還是有一些誤差，其主要來(lái)自：①由于內(nèi)部波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的正弦幅度值是用二進(jìn)制表示的，對(duì)于越過(guò)存儲(chǔ)器字長(zhǎng)的正弦幅度值必須進(jìn)行量化處理，這樣就引入了量化誤差。幅度量化主要有兩種方式，即舍入量化和截尾量化，這里采用截尾量化方式。②DAC非理想轉(zhuǎn)換特性所引起的雜散水平，DAC的非理想特性包括：DAC的有限分辨位數(shù)；差分、積分的非線性；D／A轉(zhuǎn)換過(guò)程中的瞬間毛刺；時(shí)鐘泄露；數(shù)字噪聲饋通；轉(zhuǎn)換速率受限等。③調(diào)制信號(hào)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中正弦波的各采樣點(diǎn)會(huì)有漏取點(diǎn)的情況發(fā)生，這樣就不可避免地產(chǎn)生相位截?cái)嗾`差。
    針對(duì)以上問(wèn)題，提出一些改進(jìn)的方法：①應(yīng)用更高位數(shù)的單片機(jī)和高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。②增大ROM容量及采樣點(diǎn)數(shù)，提高幅度分辨率。