通用型串行總線(xiàn)腦電信號采集電路設計

　　大腦是人類(lèi)思維活動(dòng)的中樞，是接受外界信號，產(chǎn)生感覺(jué)，形成意識，進(jìn)行邏輯思維，發(fā)出指令，產(chǎn)生行為的指揮部。通過(guò)研究腦電信號(EEG)可以了解腦活動(dòng)的機制及人的認知過(guò)程，也是診斷腦疾患的重要手段。

　　現有的腦電信號采集系統絕大多數使用專(zhuān)用機器，使用、搬移、維修都很不方便。另外，抗干擾能力差，必須在特定環(huán)境(屏蔽室)下進(jìn)行監測，而且檢測數據記錄量小，不能實(shí)現長(cháng)時(shí)間、大容量的記錄、分析，此外造價(jià)昂貴，采集到的腦電信號也不夠準確，往往需要結合醫生的經(jīng)驗做出診斷，故具有一定的主觀(guān)性。本文設計了一種新的基于USB 2.0的腦電信號采集電路。

　　1腦電信號采集原理

　　分析腦電信號，掌握腦電信號的特征，對于設計出準確、有效的腦電信號采集電路至關(guān)重要。首先，可以從中選擇出攜帶最多信息量的信號;其次，可以針對特定的信號研究出相應的信號處理算法。

　　1.1腦電波的特征及基本組成

　　腦電信號的特點(diǎn)主要有三個(gè)：頻率主要集中在低頻段100 Hz范圍內;信號微弱，一般在50μV或更小;信號的源阻抗高，易于受外界信號干擾。成年人的腦電信號幅度范圍一般在10～50μV之間，頻率范圍在0.5～30 Hz之間。

　　1.2 腦電信號采集原理及方法

　　目前，對于腦電信號的測量，在時(shí)間的維度上，可以獲得很高的解析率。然而，在空間的維度上，得到的分辨率卻很低，這依賴(lài)于在頭皮上安置電極的數量。本系統使用16路電極提取腦電信號，采樣頻率為1 000 Hz。由于腦電信號的固有特性及環(huán)境因素使得腦電信號背景噪聲比較復雜，有50 Hz工頻干擾、心電偽跡、肌電干擾、基線(xiàn)漂移、電極與皮膚的接觸噪聲以及周?chē)渌麅x器的電磁干擾等。因此，要求采集系統具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲放大，并能從強噪聲中提取弱信號的高質(zhì)量濾波措施等。

　　腦電信號通常是通過(guò)在頭皮表面放置一些電極來(lái)采集的。常用的電極種類(lèi)有銀管電極、針電極和粘連電極等，本系統使用銀管電極，以實(shí)現頭皮與腦電測量設備之間的連接。為了加強連通性和導電性，在電極與皮膚之間涂一些生理鹽水。電極的放置采用國際10-20系統電極放置法。

　　2腦電信號采集電路設計

　　腦電信號采集電路包括：腦電信號放大、濾波、A/D轉換及USB接口電路四部分，總體構成如圖1所示。

　　2.1腦電信號的前置放大電路設計

　　信號放大檢測電路是本系統一個(gè)非常重要的環(huán)節。它為后續數據采集和處理分析做了硬件上的準備。本系統采用高精度儀用放大器AD8221作為前置放大電路，具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和抗干擾能力強等特點(diǎn)。當電極和皮膚接觸時(shí)，可以產(chǎn)生幾十毫伏的極化電位，所以前置放大器的放大倍數不能太大，以免造成電路的飽和。

　　2.2 高低通濾波器及二次放大電路設計

　　高低通濾波主要有兩個(gè)作用：

　　(1)去除腦電信號頻率范圍以外的無(wú)用信號，達到抗干擾的作用;

　　(2)起到防混疊濾波的作用。為了不丟失有用信號，設計了截止頻率為120 Hz的低通濾波電路和截止頻率為0.5 Hz的高通濾波電路。

　　低通濾波電路(見(jiàn)圖2)使用AD8674芯片的U1A和UlB兩部分組成巴特沃型二階低通濾波器，負責把120 Hz以上的無(wú)用信號濾掉。高通濾波電路(見(jiàn)圖3)由U1C組成巴特沃型高通濾波器，負責濾除0.5 Hz以下的干擾信號。

　　二級放大電路使用AD8674(A，B，D部)的U1C充當放大器，因為當頻率在120 Hz以下時(shí)，AD8674的共模抑制比CMRR高達110 dB以上。通過(guò)調整R11和R14的比值，保證二級放大倍數為101倍。50 Hz工頻干擾一直是電路設計中頭痛的問(wèn)題，在腦電這種微弱生物電提取系統中尤為突出。本文設計了由雙T網(wǎng)絡(luò )和運算放大器構成的有源雙T陷波電路來(lái)抑制50 Hz工頻干擾。

　　2.3 三級放大及光電隔離設計

　　第三級放大電路(見(jiàn)圖4)通過(guò)調整電阻器R19的阻值來(lái)保證經(jīng)過(guò)第三級放大后，10～50μF的微弱腦電信號將變?yōu)?～2.5 V。光電隔離電路負責把信號的采集放大部分(該部分使用電池供電)和后面的A/D轉換部分(該部分使用交流供電)隔離開(kāi)，以防止兩部分信號之間相互干擾。

　　2.4模數轉換及USB接口電路設計

　　系統選用CY7C68013-128AC芯片作為USB接口芯片，構成USB接口電路(如圖5)。其中，A0～A18為地址線(xiàn)，普通的8位端口(D0～D7)和E口(D8～D15)組成16位數據線(xiàn)。

　　A/D轉換電路(見(jiàn)圖6)的采樣精度為16位，采樣頻率為1 000 Hz。USB控制器通過(guò)CNVST#管腳(AD7675的35號引腳)控制AD7675對每路腦電信號進(jìn)行轉換，同時(shí)還通過(guò)查詢(xún)BUSY管腳(AD7675的29號引腳)來(lái)獲知AD7675當前的狀態(tài)。USB控制器還要響應主機的請求，把腦電數據及時(shí)、準確地傳送給主機。為了提高轉換的準確性，設計了采樣保持電路，負責把16路腦電信號同時(shí)鎖存，然后逐一進(jìn)行轉換。

　　由于每秒產(chǎn)生32 KB(16×16×1 000)的腦電數據，因此為了保證有足夠的空間暫時(shí)保存這些腦電數據，在CY7C68013芯片外擴充了一塊SDRAM，容量為256K×16 b。

　　3 結語(yǔ)

　　腦電信號(EEG)是人體重要的生物電信號，目前關(guān)于腦電信號的采集與處理在某些疾病患者治療過(guò)程中的作用已得到醫療機構越來(lái)越廣泛的重視。本文詳細論述了USB 2.0接口腦電信號采集電路的設計過(guò)程。該系統實(shí)現了腦電數據的采集、高速傳輸和實(shí)時(shí)處理，有效解決了傳統腦電數據采集系統速度慢，處理功能簡(jiǎn)單，數據存儲量小，連接復雜等缺陷，滿(mǎn)足了實(shí)際需要。