基于ARM的腦電信號采集系統(tǒng)
1 引言
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,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。
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(dǎo)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。
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。
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。
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。