基于DSP的神奇人腦心智鍛煉機

四. 硬件描述：

a) 頭皮電極用鍍銀電極，使用前用鹽水浸泡。

電極放置方法：按國際10-20 系統標準，兩個(gè)參考電極分別放置在左、右耳垂處，兩信號電極分別放置在O1、O2 位置，DRL 電極可以接在人體任何位置。

b) 腦電放大器：采用現代高阻儀表放大器做輸入的，總增益約20KV/V，另加屏蔽驅動(dòng)電路和右腳驅動(dòng)電路抑制50Hz 干擾，通頻帶1-30Hz。

c) A/D 之前的抗混疊濾波器采用8 階橢圓低通開(kāi)關(guān)電容濾波器，截止頻率由時(shí)鐘頻率控制，DSP 中的內置兩通道、八路12 位分辨率ADC,可配置成兩通道兩路同時(shí)采樣，最高采樣率達1.66Msps，ADC內部最大時(shí)鐘頻率5MHz,8.5 個(gè)時(shí)鐘頻率即可完成單次轉換，具備與DSP 內部TIMER 模塊、PWM 模塊及外部信號同步觸發(fā)功能，本系統就是利用TIMER 模塊的TC2、TC3 定時(shí)中斷并觸發(fā)ADC，對1—30Hz 的腦電信號進(jìn)行采樣，采樣頻率為250Hz TIMER 提供精確50%占空比3.5K 時(shí)鐘，R＝1.5。兩路EEG 信號從AN0、AN4 輸入。

d) MotorolaDSP56805 內部有16 個(gè)定時(shí)/計數器，可對內/外部事件計數，及對外部輸入信號進(jìn)行計時(shí)等基本功能，其中包括定頻/變頻脈沖輸出，由于腦電信號經(jīng)EEG 放大器放大后，須進(jìn)行帶限處理，利用TIMER 模塊的TC0、TC1 提供8 階橢圓低通開(kāi)關(guān)電容濾波器3.5KHz 的工作時(shí)鐘，截止頻率由時(shí)鐘頻率控制。Timer D 模塊分別輸出變頻方波，調節聲、光節率。

e) 128*64 像素的LCD 顯示器負責顯示功能菜單和EEG 頻譜對稱(chēng)性圖，LCD 通過(guò)DSP 外部存儲器跟DSP連接，另加4 條GPIO 控制腳。

f) 鍵盤(pán)只有兩個(gè)按鍵，按左鍵滾動(dòng)菜單項，右鍵選擇項，分別接IRQA 和IRQB 外部中斷。

g) 805 片內串行通訊接口(SPI)可方便地將各種DSP 產(chǎn)生的音效算法輸出到外部DAC。

h) 利用片內串行通訊接口(SCI)通過(guò)紅外數據接口設備(IRDA)與家用PC 通信，安全方便。

系統原理圖

五. 軟件描述

a) 由于要求從原始腦電信號中提取出7 個(gè)頻段的信號功率，無(wú)相位要求，故采用以下指標的7 個(gè)IIR數字帶通濾波器。

0.8 – 2.9 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減 46dB。

3.2 – 5.0 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

5.3 – 7.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

8.2 – 10.8 Hz, 通帶波紋1.0dB, 阻帶衰減48dB

11.3 – 14.8 Hz, 通帶波紋0.5dB, 阻帶衰減48dB

15.3 – 18.0 Hz, 通帶波紋0.5dB, 阻帶衰減50dB

24.5 – 34.0 Hz, 通帶波紋0.1dB, 阻帶衰減44dB (53dB @ 50Hz)

b) 每通道128 點(diǎn)FFT 計算，并在LCD 上顯示左右腦半球的EEG 頻譜對比圖(即腦頻譜鏡),重疊比4:1,即每0.25 秒計算更新一次。

c) 在腦波反饋模式中(EEG)，電子儀器通過(guò)頭皮電極實(shí)時(shí)地拾取出腦波信號，并通過(guò)特殊的音效反饋給入靜者，使其通過(guò)自身的心理調整，更加接近目標狀態(tài)。每通道獨立進(jìn)行α、β、θ三頻段數字帶通濾波，濾波輸出后進(jìn)行相應的頻段幅度比計算，再根據相應的比值控制可變頻方波發(fā)生器輸出，驅動(dòng)音頻。

軟件描述

d) 在聲光模式時(shí)，通過(guò)用戶(hù)設定，儀器根據特定的生理節律，以音效、閃光的形式產(chǎn)生誘導刺激。通過(guò)一個(gè)8 段序列發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)純正弦波和背景粉紅噪音，調制聲、光輸出。聲音基調、振動(dòng)頻率、左右耳聲音強度、粉紅背景音強度、聲音段長(cháng)度和時(shí)間段長(cháng)度等都可由用戶(hù)自定義調節。每個(gè)預設值均有一個(gè)獨立的用戶(hù)可編程音調，而且增加了9 個(gè)預置節拍頻率值。本功能正是采用正弦調制信號以聲光形式對主體的腦電進(jìn)行誘導，使之產(chǎn)生‘腦皮層共振’現象。

軟件描述

e) 在閉環(huán)牽引模式時(shí)，腦波反饋模式與聲光誘導模式，同時(shí)作用于受試者，使聲光誘導可根據腦波的狀態(tài)自動(dòng)調節，大大緩和腦波狀態(tài)，自我調節更有效。是一種頻率牽引效應，使受測者在知道自己狀態(tài)的同時(shí)，被引導仍向目標頻率的腦波狀態(tài)靠近，且知道靠近了多少。反饋短促且間隔較長(cháng)的音頻信號。從生物反饋技術(shù)來(lái)看，是把人腦不能感知的生理信號通過(guò)電子儀器提取、轉化為聲、光信號反饋給使用者，通過(guò)自身的心理調整，改變自身的生理狀態(tài)，其中，心理調整是依靠使用者心理有意識地、甚至強烈的愿望，然而，一些人，如兒童、小兒多動(dòng)癥患者，精神渙散癥、精神、注意力難以集中、情緒易波動(dòng)者等都需要借助有效機制的引導。以當前的腦波信號根據所設目標頻率，使調制光及聲響依照接近目標的距離進(jìn)行誘導，令受測者通過(guò)反饋信息不自覺(jué)地接近目標。

軟件描述

程序初始化