基于过采样和数字滤波的低功耗脑电放大器设计与测试报告文档格式.docx

1、频率为813Hz（平均数为10Hz），幅度为20100V。它是正常人脑电波的基本节律，若无外加的刺激，其频率恒定。人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显，睁开眼睛（受到光刺激）或接受其它刺激时，波即刻消失。 波：频率为1430Hz，幅度为100150V。当精神紧张和情绪激动或亢奋时出现此波，当人从噩梦中惊醒时，原来的慢波节律可立即被该节律所替代。在人心情愉悦或静思冥想时，一直兴奋的波、波或波此刻弱了下来，波相对来说得到了强化。因为这种波形最接近右脑的脑电生物节律，于是人的灵感状态就出现了。脑电波形： 3.导联选择 脑电记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反

2、映。脑电信号较强的主要区域：顶叶、额叶、枕叶等。 本设计中采用双极导联法。双极导联法不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电极。这样记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值，因此可以大大减小干扰，并可排除无关电极引起的误差，这是双极导联的优点。但是，如果双极导联的两个活动电极间距离在3cm以内，来自较大范围（距离大于3cm）的脑电位被两个活动电极同时记录下来，结果电位差值互相抵消，记录的波幅较低，也不恒定，所以两电极的距离应在3-6cm以上。 二、基本设计1.系统流程设计 2.上位机介绍由模拟电路采集到的模拟心电信号需要传输到计算机，然后进行相关的分析处理，就必需先将采集到的模拟信号转换为数字信

3、号，在本次脑电放大器设计中这部分工作都是由PSOC完成的。 本此课程设计选用的是赛普拉公司推出的CY8CKIT-042 开发板，核心是PSOC4片上集成系统，它具有丰富的开发资源，便捷的开发系统，将开发时间大大缩短，提高了开发效率，并且大大降低开发所需的硬件配置，开发成本将得到减小。PSOC是由赛普拉公司开发的基于片上微处理器的可编程信号阵列芯片系列，它主要由微处理器内核与预设外围部件组成。PSoC上集成了多种数字器件、多种模拟器件、微型处理器、外围接口电路、微处理器外围单元。在开发过程中，可以动态的配置集成在PSOC上的模拟器件数字器件和外围阵列，充分的利用芯片内部集成的可编程互联阵列，有效

4、地配置芯片上集成的数字资源与模拟资源，从而形成片上可编程的功能。对于开发的用户来说，开发自己的系统，只需要按照自己的需求和功能选择相应的数字模块或模拟模块等功能资源，它开发约束少，设计人员可以根据同一芯片设计出不同的创新系统。 PSOC的主要组成部分是可配置的模拟模块和可配置的数字模块，可配置模拟模块包括放大器、ADC、 DAC、滤波器和比较器等，可配置数字模块定时器、计算器、D/A（数模转换）、PWM （脉冲宽度调制）、SPI （串行外设接口）和UART （通用异步收发传输器），A/D（模数转换） 等。PS0C设备包括最大32 KB的闪存、2 KB的SRAM、带有32位累加器的8x8乘法器、

5、电源和睡眠监控电路，以及硬件I2C通信等。 3.下位机介绍LabVIEW是由美国国家仪器NI公司设计研发的一款程序开发软件。LabVIEW与传统的计算机语言在程序设计方面有重要区别，LabVIEW软件采用的是-一种图形化的程序设计语言，俗称“G语言”，使用这种图形化设计语言编写程序，程序员几乎不用写文本语言，却而代之的是图形化流程框图。LabVIEW 软件开发平台集成了工程开发所需的各种应用工具，使得开发人员能够快速构建工程所需程序。这些优点使得LabVIEW被广泛的运用到测量和控制的相关领域。在本次脑电放大器的设计中选用了LabVIEW来设计上位机应用程序，主要是因为充分考虑的LabVIEW

6、的如下优点: LabVIEW相比其他传统编写程序来说，LabVIEW开发简单，即使新手也能很容易上手，它提供的编程工具使得程序开发方便快捷；LabVIEW采用图形化的编程语言，避免了传统原理复杂的语法规则. 4.背景技术 （1）过采样技术过采样是在奈奎斯特频率的基础上将采样频率提高一个过采样系数进行采样。生物电信号幅值微弱，且伴随各种强烈的噪声。直接用当今通用单片机内集成的ADC进行检测，由于PSOC中ADC为12位分辨率，在不放大或小增益放大的情况下明显不符合精度要求，不需要高倍的生物电放大器，当ADC采样率较高、过采样率满足检测要求时，完全可以不加任何放大直接采样即可，而当ADC速度较低，

7、过采样提高的分辨率不能满足精度，则可在采样之前加一低倍放大。总的来说，一方面通过数据的叠加来降低ADC的最小分辨电压大小，提高了ADC采样的位数，可以提高精度、减少前级放大的放大倍数，尤其是对于脑电这样V级的生物信号来说优越性更加明显它充分利用了单片机的性能，减少了外围电路，使得检测系统体积大大减小，甚至可以用于体内测量；另一方面，利用多组数据进行叠加来减小折合到输入端的噪声（尤其是高频的在上下波动的白噪声），提高信噪比，从而提高分辨率。 （2）滑动平均滤波法滑动平均滤波是指把连续取得的N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据（先进先出

8、原则），把队列中的N个数据进行算术平均运算，获得新的滤波结果。滑动平均滤波法对周期性的干扰具有较好的抑制作用。滑动平均滤波相当于一个低通滤波器，对信号中的高频干扰和干扰脉冲有良好的过滤功能,提高了接收系统的抗干扰能力。三、各部分介绍1.前置模拟部分系统整体参数选择：频率:0.535Hz 幅值:5V200V放大500倍2.5mV100mV（后有过采样技术）共模抑制比:80dB以上实际电路图 模拟部分原本也是打算采用双电源供电的差动放大+仪器放大的模式，前级也进行了搭建和测试。但是后来在李刚老师的建议下，最后采用了两级并联差动串联的电路形式，两级差动可以提高电路共模抑制比，避免由于双端输出变单端输

9、出引起的共模抑制比降低。另外，为了使设计更加便携，对于模拟部分的芯片低电压单电源供电，更好地符合实际生产生活需求，本次设计是使用了单片机开发板上的03.3V供电。采用单电源的模式需要对电路有更多的考虑，特别是虚地的产生以及接法、低电压单电源供电芯片的选择。（1）电路结构前级放大（差动放大器）：理论共模抑制比无穷大、输入阻抗无穷大、无需考虑电阻值匹配就有很好的效果。但由于极化电压等低频干扰还未去除，此处放大倍数不宜过高。一阶高通滤波器：可以抑制直流和低频的极化电压，但是由于阻容很难做到完全匹配，容易导致共模变差模，此处加入驱动避免这样的现象。主放大（差动放大器）：保证放大倍数虚地发生部分：由于芯

10、片采用单电源供电，需要在电路中加入1/2Vcc的虚地，使得输出信号偏置到1/2Vcc上下，此时芯片的工作范围相当于变成了01/2Vcc Vcc，其工作情况本质与双电源芯片没有差别。（2）电路参数选择前级放大（放大5倍）：R1=50k R2=100k R3=100kA=（R1+R2+R3）/R15倍 R4=R5=10M C1=C2=0.1f f=1/2RC0.16Hz主放大（放大100倍）： R6=10k R7=500k R8=500kA=（R1+R2+R3）/R1101倍 R9=10k R10=10k C=0.1f 稳定电压（3）芯片选择由于脑电信号极其微弱，容易被淹没在各种干扰之中，且考虑到

11、单电源供电的实现，对运算放大器芯片的选择有了更高的要求。运算放大器应该选择适合于单电源低电压工作、低功耗、低噪声且输入输出范围大的芯片。因此，在TI公司官网上进行条件筛选，选择了几款单电源的CMOS芯片（包括OPA2333、TLC27、OPA2338），申请样片并到手之后通过测试和查阅数据手册对比，最后选择了TLC27m4作为前级差动放大的芯片。TLC27M4具有低电压单电源供电和低功耗特性，非常适合电池供电应用。共模输入电压范围包括负轨。它的优点包括低失调电压漂移，高输入阻抗，低噪声和与通用双极器件相当的速度。其内部结构和主要参数如下：2.上位机部分（1）ADC配置：采用PSOC4中12位精

12、度ADC，设置为差分输入、单极性模式，参考电压为1/2VDD，使得该ADC输入范围为03.3V（也可通过配置修改为-1.65v至1.65v，以实际需要进行配置）。（2）过采样：PSOC4中ADC配置中有自身的过采样设置，而配置中的采样率为自身过采样之后的实际采样率，分为累加和不改变精度（累加求平均）两种模式。此处配置的是8倍过采样、累加模式，在配置的过程就已经增加了8倍的过采样。本程序中在经过8倍过采样之后的采样率设置为48000SPS，在ADC程序的编写中对这48000SPS的数据又进行了96次的累加（注：在累加之前对每个数据都加了17000，是为了在采用双极性模式的时候将有符号的数据转换为

13、无符号的数据进行处理），相当于实际采样率为500Hz，满足奈奎斯特采样定律。综上所述，实际过采样倍数为8*96=768倍，最小能分辨电压=3.3V/（4096*768）1.05V（注：如需要更高精度还可以在累加中增加累加次数，只要实际采样率满足奈奎斯特采样定律即可）。ADC输出数据与输入电压的对应关系如下：输出数据 （3）滑动平均滤波： 测量中随机噪声的影响，使测量结果不准确，滑动平均值滤波可以去除随机噪声。在该程序的主函数里对过采样得到的数据进行了一个滑动平均值滤波，对周期性干扰有良好的抑制作用。（4）片内运算放大器 对于第二级差动放大器，使用了PSOC4内部的可编程运算放大器，性能好。片外

14、运算放大器选择单电源、低功耗、低噪声的运算放大器，用单片机开发板上GND和3.3V进行供电，可以使设计更加便携简单，避免考虑片内、片外芯片电源地、单片机地等一系列问题。 配置说明3.下位机部分（1）数据读取： 利用VISA资源串口选择、读取串口数据，配置波特率、读取数据长度，将接收的数据存入队列中，以便于后续的数据处理。（2）滤波部分： 使用LABVIEW的巴特沃斯滤波器，以此进行高通、低通、陷波的处理，可以自行配置滤波器的阶数、截止频率。在实际的测试中，应综合考虑这两个参数。使用心电进行测试时，滤波器阶数过低滤波效果不佳，滤波器阶数过高会产生吉普斯现象影响心电波形；高通截止频率过低会留下低频

15、干扰（如呼吸引起的基线漂移），高通截止频率过高会损失一部分心电信息。 高通截止频率f=0.5Hz时 高通截止频率f=0.7Hz时（3）下位机与上位机通讯部分：此处采用的是串口UART协议进行通讯。PSOC4首先向串口发送标志位ff，然后将得到的采样数据分四次发送，每次发送8位。LABVIEW对标志位进行判断，判断成功后将标志位后的4组8位数据进行数据类型转换、进行运算复原为采样值。四、测试部分1.模拟部分测试在开题之后，最开始模拟电路是双电源供电的差动放大+仪器放大的模式，对前级也进行了搭建和测试。后最后采用了两级并联差动串联的电路形式，两级差动可以提高电路共模抑制比，避免由于双端输出变单端输

16、出引起的共模抑制比降低。主放大测试结果如下：主放大性能测试（输入f=50Hz,理论增益=101）条件输入电压Vpp衰减后（mV）输出Vpp（mV）放大倍数差模228mV2.5333255100.66 544mV6.0444634104.89 734mV8.2667840101.61 1V11.111104093.60 1.26V14136097.14 1.60V17.7782040114.75 共模1.6V10.4mV0.008892.16V19.2mV0.00652.6V29mV0.0111538CMRR100/0.0089=11235模拟部分测试结果如下：衰减后输出Vpp136mV1.51

17、11mV960mV535.29232mV2.5778mV1.56V560.338344mV3.8222mV2.24V543.027448mV4.9778mV3.01V563.3892.上位机、下位机测试在整个课设过程，由于之前没有接触过PSOC和LABVIEW，在这个过程中最难的部分就是这一部分的调试。在经过多次尝试和询问，弄懂了调试这一部分的基本过程。首先检查上位机采样部分是否正常，向ADC输入直流信号，观察串口调试助手输出的至是否与程序编写后应该输出的理论值一致。其次，检查LABVIEW上位机部分，用单片机向串口循环发送一个固定的数值，观察LABVIEW上读取和显示的值是否一致。最后将两个

18、部分合在一起，输入一个正弦波，观察上位机上是否能正常显示正弦波，这一部分即为调试成功。最后得到正弦波如下：未数字滤波3.心电测试用此脑电放大器来测试心电，由于心电放大器的截止频率为0.05Hz100Hz,脑电放大器的截止频率为0.5Hz35Hz，所以得到的心电波形噪声应该更小、并且基线漂移很弱，比较稳定。测试结果如下：得到的心电形状清晰、P波与T波也能明显地分辨出来，且较为稳定，与理论情况相符，说明该放大器性能良好。4.脑电测试 购置专门的脑电电极，涂抹上导电膏，进行脑电的采集，可以明显看出电极接触头皮之后，波形和幅值发生了明显的变化，且上位机显示幅值与按照100V大小计算的理论幅值接近。图象如下图所示：通过咬唇、眨眼、闭眼等等动作，观察波形的变化。当做出咬唇、轻微摇头等动作时波形变化明显，但是并没有看出睁眼时的波阻断。通过询问医工院的学长学姐，猜测可能是由于以下原因：1.实验采集环境不够安静，且电磁干扰较大。2.没有进行头皮接触阻抗的测量，无法知道导电膏是否足够。3.电极放置位置处的脑区本身对于眨眼行为的放电情况弱。4.没有采取无线传输，传输过程中存在干扰。