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文檔簡介

南京郵電大學碩士研究生學位論文摘要 摘要 在神經(jīng)生物學領域,腦機交互接口技術有著重要的理論意義和應用價值。隨著相關學 科和技術的飛速發(fā)展,腦機交互接口技術越來越得到人們的廣泛關注。國際上多所著名大 學和研究所都開展了相關的研究工作。但是,國內(nèi)在這一領域的研究才剛剛起步,對于系 統(tǒng)硬件構架和軟件設計等技術的開發(fā),并沒有太多的現(xiàn)成經(jīng)驗可供借鑒。 本論文旨在通過研究,實現(xiàn)具有生物神經(jīng)電信號采集和存儲功能的軟硬件系統(tǒng),探索 在生物神經(jīng)信號采集方面的可行性,為實現(xiàn)腦機交互接口系統(tǒng)做出基礎性的研究。 論文對神經(jīng)信號采集功能進行了分析,把采集功能劃分成三個模塊,一個模塊完成整 體工作的一部分功能。本系統(tǒng)通過對植入式微電極和接口的設計和制作實現(xiàn)微弱神經(jīng)電信 號的獲取,通過對神經(jīng)電信號的放大和濾波實現(xiàn)了神經(jīng)信號采集的信號前期調(diào)理,設計了 對多路模擬信號的信號調(diào)理a f e ( a n a l o g f r o n te n d ) 模塊來完成這部分功能;通過數(shù)字處 理d b e ( d i g i t a lb a c ke n d ) 模塊負責對放大后模擬信號的模數(shù)轉換和與p c 機的通訊,達到 雙方數(shù)據(jù)通信以及控制信號通信的目標;在p c 機中,通過對d b e 模塊傳送來的波形數(shù)據(jù) 進行顯示和存儲,達到取得數(shù)據(jù)以供分析的目標,實現(xiàn)了對生物神經(jīng)電信號的采集和存儲, 為之后對信號的進一步分析提供了切實可行的方案。 主題詞:神經(jīng)信號;采集;放大;顯示;存儲 南京郵電大學碩士研究生學位論文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do fn e u r o b i o l o g y , b r a i n m a c h i n ei n t e r f a c e ( b m i ) i sc o n s i d e da sat e c h n o l o g y w i t hg r a t es i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i v ev a l u e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o r r e l a t i v es u b j e c t a n dt e c h n o l o g y , b m ii sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n m a n yf a m o u si n t e m a t i o n a l u n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u d e sh a v ed e v e l o p e dr e l a t i v er e s e a r c h b u ta tt h es a m et i m e ,t h e r e s e a r c h i n gi no u rc o u n t r ya m o n gt h ef i e l di sj u s tc o m m e r c e d s ow eh a v en oi d e aa b o u tt h e p i v o t a lt e c h n o l o g yo fb m i ,s u c ha sh a r e w a r eu n d e r s t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fb m is y s t e m w h a ti st a l k e di nt h i sp a p e ri st od e v e l o pan e r u os i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ho i l l r e s e a r c hi nt h eb m if i e l d b ys e e k i n ga f t e rt h ef e a s i b i l i t yi nt h ea c q u i s i t i o no fn e u r os i g n a l s ,i t c o u l db er e g a r d e da sab a s i cr e s e a r c hi nt h ed e v e l o p m e n to fb r a i n - m a c h i n ei n t e r f a c e w ed e v e l o pt h r e em o d u l e st od e v e l o pt h es y s t e m t h ef i r s tm o d u l ei sn a m e da sa n a l o g f r o n t - e n dm o d u l e ,a st h i sm o d u l ec a ng e tt h ef e e b l ea n a l o gs i g n a l sf r o mt h eb r a i nb yu s i n ga n e m b e d d e de l e c t r o d es u i t ew eh a v ed e s i g n e da n dm a d e ,a n di tc o n t a i na m p l i f i e r sa n df i l t e r sf o r t h es i g n a l sf r o mt h ee l e c t r o d e s t h es e c o n do n ei sn a m e da sd i g i t a lb a c k e n dm o d u l e t h i s m o d u l ei sd e s i g n e dt 0c h a n g et h ea n a l o g ys i g n a l si n t od i g i t a ls i g n a l s ,a n db yc o m m u n i c a t i n g w i t hp cm o d u l e ,t h et h j r dm o d u l e ,i tt r a n s m i t st h ed i g i t a ls i g n a l si n t op c t h ep cm o d u l e d i s p l a y sa n ds a v e st h es i g n a l s a n dt h es i g n a l ss a v e di nt h ep cm o d u l ec a nb ea n a l y s e di nt h e f u r t h e rr e s e a r c ht og e tac o n c l u t i o n w i t ht h e s et h r e em o d u l e s ,w er e a l i s et h ea c q u i s i t i o no ft h e n e u r os i g n a l s w i t ht h e s ew o r k sa l r e a l yd o n e ,i tw i l lb ef e a s i b l et oa m e l i o r a t et h i sn e u r os i g n a l s a c q u i s i t i o ns y s t e mt ob em o r ea n dm o r eu s e f u l k e y w o r d s :n e u r os i g n a l s ;a c q u i s i t i o n ;a m p l i f y ;d i s p l a y ;s a v e u 南京郵電大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標注和致謝的 地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包 含為獲得南京郵電大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了 明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名:生建趑日期:塑z 絲坐 南京郵電大學學位論文使用授權聲明 南京郵電大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留 本人所送交學位論文的復印件和電子文檔,可以采用影印、縮印或其 他復制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一 致。除在保密期內(nèi)的保密論文外,允許論文被查閱和借閱,可以公布 ( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權 南京郵電大學研究生部辦理。 研究生簽名:盔礱匕燧導師簽名: 南京郵電大學碩士研究生學位論文第1 章緒論 1 1研究意義和現(xiàn)狀 第1 章緒論 人類的大腦,被認為是世界上結構最為復雜的物質(zhì)之一。這個重量只有1 5 公斤,體 積約6 0 0 立方厘米的物體,是由1 0 1 2 個神經(jīng)元單位組成,而這些神經(jīng)元節(jié)點之間所形成的 突觸連接數(shù)量更是達到了1 0 1 4 這一天文數(shù)量。根據(jù)h e b b 于1 9 4 9 年提出的細胞集群學說即 著名的h e b b 假說,人類的所有學習( 1 e a r n i n g ) ,認知( c o g n i t i o n ) 以及記憶( m e m o r y ) , 都是以大腦神經(jīng)元節(jié)點之間動態(tài)的突觸強度這一形式來進行編碼的。一直以來,人們都試 圖了解大腦是如何對信息進行處理和編碼的。但是,由于研究手段的限制,大腦的工作機 制一直是一個謎。 隨著神經(jīng)科學的不斷發(fā)展,以及電子和計算機技術的飛速進步,一個結合了多個學科 知識和技術的全新領域,腦機交互接口( b r a i nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 技術產(chǎn)生了。腦機交互接 口技術有著巨大的理論意義和應用價值。首先,這項技術通過對腦部神經(jīng)信號的直接分析, 有助于我們進一步了解大腦的工作圖景,為我們破譯大腦的奧秘提供了一項強有力的工 具。其次,在實際應用中,也有很大的價值。如果能夠用我們的思想直接對外界設備進行 控制,將對人類和外部世界的互動方式產(chǎn)生巨大的影響。傳統(tǒng)的機械操作方式將會為新的 神經(jīng)控制技術所代替,而對于那些喪失了肢體控制能力的人們來說,這項技術不締為一種 福音。那些癱瘓癥患者,可以用自己的思想來操作電腦甚至是機器人來完成一些自己已經(jīng) 無法完成的動作。而在軍事和工業(yè)上,這項技術可以帶來更安全,更精確快速的控制方式。 例如,在未來的戰(zhàn)場上,士兵可以通過腦部信號遠程遙控機械裝置執(zhí)行任務,避免了潛在 的危險和人員的傷亡。( w i c k e l g r e n ,s c i e n c e ,2 0 0 3 ) 腦機交互接口的概念最早是在8 0 年代提出的,但是由于當時電子和計算機技術的相 對落后,一直無法達到實用階段。近年來,隨著相關學科和技術的飛速發(fā)展,腦機交互接 口技術越來越得到人們的廣泛關注,成為國際上研究的熱點問題之一,國際上多所著名大 學和研究所都開展了相關的研究工作。特別是在結合了數(shù)字信號處理( d s p ) ,微機電系統(tǒng) ( m e m s ) 等尖端技術后,在這一領域出現(xiàn)了許多振奮人心的結果。舉例來說,1 9 9 6 年,科 學家通過在大鼠的腦中植入了4 6 通道的微電極,使得大鼠可以依靠單純的腦電信號來按 動按鈕,獲得獎勵。2 0 0 0 年,杜克大學和賓西法尼亞醫(yī)學院的一項合作成果中,在眼睛猴 的運動相關腦區(qū)植入了1 2 8 通道的微電極陣列,通過對數(shù)百個神經(jīng)元信號的監(jiān)測和分析, 使動物可以在不依靠肢體的情況下,直接用意識來指揮一個機械手臂完成各種復雜的動 l 南京郵電大學碩士研究生學位論文第1 章緒論 作。這只機械臂甚至可以在相隔千里的另外一個城市,動物仍然可以通過網(wǎng)絡信號傳輸來 對其進行精準的控制。在2 0 0 0 年 2 0 0 3 年,斯坦福大學,密西根大學以及猶他大學分別 研制出可以長期穩(wěn)定地對神經(jīng)活動進行監(jiān)測的慢性植入式微電極陣列。2 0 0 5 年,布朗大學 醫(yī)學院將一枚神經(jīng)芯片植入一位嚴重的癱瘓癥患者腦中,這名患者可以用意識來控制電腦 的指針,從而對室內(nèi)的各種機械裝置進行操縱。除了大學和研究所進行的科研工作外,一 些公司已經(jīng)研發(fā)并推出了商業(yè)性的產(chǎn)品,應用在科研和醫(yī)學領域。隨著研究的不斷深入, 目前這一技術體現(xiàn)出以下一些發(fā)展趨勢:首先,系統(tǒng)往小型化,集成化以及無線化方向發(fā) 展。隨著微電子以及機械制造技術的不斷完善,有望出現(xiàn)更便于攜帶,更持久,更精確的 小型信號采集分析系統(tǒng)。其次,系統(tǒng)的計算能力也將得到大大加強,目前是在對數(shù)百個神 經(jīng)元活動進行監(jiān)測的基礎上,利用計算機實現(xiàn)對信號的實時在線處理和分析,并應用于實 際操作,為了使得控制更加快速和精確,需要更強大的信號采集手段和分析計算能力,對 上千,甚至是上萬個神經(jīng)元的活動進行監(jiān)測和分析。還有,以往的大部分工作都是在動物 實驗上進行的,但是隨著不斷的積累,這一技術也越來越多的應用到臨床資料等領域,實 用性也大大增強。 但是,國內(nèi)在這一領域的研究還剛剛起步。少數(shù)研究機構通過引進國外的先進設備, 正嘗試開展有關的探索和研究。但是對于系統(tǒng)硬件構架和軟件設計等關鍵性技術環(huán)節(jié)的開 發(fā),并沒有太多的現(xiàn)成經(jīng)驗可供借鑒。 1 2研究目標與內(nèi)容 本課題就是要通過在這方面的研究,實現(xiàn)具有生物信號采集和存儲功能的軟硬件系 統(tǒng),探索在生物神經(jīng)信號的采集方面的可行性,通過研究和探索,在這方面做出基礎性的 研究。這是下一步實現(xiàn)腦機交互接口系統(tǒng)開發(fā)的基礎。 為了實現(xiàn)這個目標,必須解決兩方面的問題: 神經(jīng)信號的提取和處理 神經(jīng)信號的采集和存儲 1 2 1神經(jīng)信號的提取和處理 神經(jīng)細胞產(chǎn)生的電信號分成兩大類。第一類是局部的分級電位,由外來刺激所引起。 第二大類是動作電位,它由局部的分級電位產(chǎn)生。與局部電位不同,動作電位迅速地作長 距離傳播。發(fā)生在神經(jīng)元中的動作電位,其振幅和時程是固定不變的,就象莫爾斯電碼中 2 南京郵電大學碩士研究生學位論文第1 章緒論 的點一樣。這種動作電位的產(chǎn)生和傳遞方式為人類對其采集和研究提供了可能性。下圖描 述了神經(jīng)信號采集的原理。神經(jīng)信號的提取和處理包含以下三個主要的工作。 圖1 1神經(jīng)信號采集 植入式微電極的設計和制作 植入式微電極要有良好的生物相容性和抗腐蝕能力,可以對生物腦組織的神經(jīng)電活動 進行穩(wěn)定和長期的記錄。同時,不能引起生物組織強烈的排異和免疫反應,導致對組織的 傷害或者信號質(zhì)量的下降。在保證微電極的小型化同時,其記錄通道越多越好,以便對盡 可能多的神經(jīng)元活動進行監(jiān)測。這就對微電極的材料、設計以及制作提出了很高的要求。 一根植入式微電極,就是一個通道。在系統(tǒng)開發(fā)實驗階段,我們設定采集通道為8 通道。 微電極的埋植以及護理 由于腦部微電極的植入是一項非常精細的工作,所以必須借助顯微外科技術和立體定 位設備,將微電極植入特定腦區(qū)并進行固定,以將對腦組織的傷害減少到最小。同時,為 了保證今后信號長期的提取,手術后的持續(xù)護理也是必不可少的。 微弱神經(jīng)電信號的放大和處理 生物的神經(jīng)信號是非常微弱的,其幅度只有數(shù)百微伏。這么小的信號不但無法滿足后 期處理的需要,其抗干擾的能力也很差。所以有必要對其進行信號調(diào)理,包括放大( 通常 要放大幾千甚至幾萬倍) 和濾波( 消除掉無用的背景噪聲和干擾) 。 南京郵電大學碩士研究生學位論文第1 章緒論 1 2 2神經(jīng)信號的采集和存儲 神經(jīng)信號的采集和存儲有兩個主要工作: 神經(jīng)信號的采集,轉換及顯示 經(jīng)過放大和濾波后的神經(jīng)電信號必須以一定的采樣速率進行模數(shù)轉換,將模擬信號轉 換為易于處理的數(shù)字信號,并且通過某種通訊方式傳送給計算機,并在計算機中提供信號 波形顯示方案,方便實驗操作者對實驗采集的波形進行觀察。 神經(jīng)信號的存儲及分析 傳送到計算機中的有用波形數(shù)據(jù)必須以一定的數(shù)據(jù)結構存儲為波形文件,以供后期使 用計算機進行進一步處理和分析。處理和分析的軟件可以對實驗采集到的波形文件進行離 線處理,對采集到的信號所包含的信息進行分析,得出有用結論。 1 3系統(tǒng)概述與結構分析 1 3 1功能概述 根據(jù)上面所述的系統(tǒng)研究的目標可知,本系統(tǒng)是一個對微弱神經(jīng)電信號的采集和處理 系統(tǒng)。它要實現(xiàn)的功能有: 對微弱神經(jīng)電信號進行獲取,放大和濾波 將濾波后的信號進行模數(shù)轉換 通過某種通訊協(xié)議與p c 機通訊,把波形數(shù)據(jù)送入p c 機 p c 機對得到的數(shù)字信號進行顯示及保存等處理 利用p c 機來產(chǎn)生控制信號,控制采集工作的進行 1 3 2結構分析 根據(jù)上述的系統(tǒng)功能概述,可以將系統(tǒng)結構劃分成幾個模塊,對各個模塊做如下分析: 信號調(diào)理模塊a f e ( a n a l o gf r o n te n d ) - 該模塊實現(xiàn)的功能是:對微弱神經(jīng)電信號進行放大和濾波。同時與數(shù)字處理模塊d b e 模塊通過接口相連,接收d b e 模塊產(chǎn)生的控制信號,根據(jù)控制信號確定本模塊的工作方 式。 4 南京郵電大學碩士研究生學位論文第1 章緒論 本模塊具體實現(xiàn)如下幾個工作: 令提供各通道組合方案以及與d b e 模塊接口 令各通道信號放大和濾波 差分放大參考信號選擇 令放大倍數(shù)選擇 數(shù)字處理模塊d b e ( d i g i t a lb a c ke n d ) : 該模塊具體的功能是:連接上下兩個模塊,即a f e 模塊和p c 控制處理模塊。一方面 接收來自a f e 模塊各個通道的模擬信號,進行時分模數(shù)轉換;并且通過某種通訊協(xié)議提供 在p c 機及本模塊之間的通訊。由于現(xiàn)在的十兆,百兆網(wǎng)卡技術成熟且是p c 機的必備設備, 本系統(tǒng)的設計采用t c p i p 協(xié)議來實現(xiàn)d b e 模塊與p c 機之間的通訊。由于d b e 模塊與 p c 機采用直接互連,不經(jīng)過網(wǎng)絡路由器,不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)包順序混亂的問題,而且傳輸可靠 性有較好的保證,所以我們選用了不需要建立連接的u d p 通訊協(xié)議,通過u d p 通訊協(xié)議 將轉換后的信號數(shù)據(jù)送入p c 機以供后續(xù)處理。另一方面,本模塊通過接口與a f e 信號調(diào) 理模塊相連,接收來自前端模塊的模擬信號;同時產(chǎn)生控制信號,控制a f e 模塊確定工作 方式。d b e 模塊使得上下之間通過數(shù)據(jù)通訊和控制信號通訊結合起來,成為一個完整的工 作模塊。本模塊實現(xiàn)的功能列舉如下: 提供與a f e 模塊的接口 對模擬信號模數(shù)轉換 奪與p c 機通訊 奪產(chǎn)生控制信號控制a f e 模塊工作 p c 控制處理模塊: p c 控制處理模塊實現(xiàn)的功能是:組織本采集系統(tǒng)的工作。通過與d b e 模塊的通訊接 收數(shù)字處理d b e 模塊送來的波形信號數(shù)據(jù),將其在p c 機上顯示出來。同時在界面上設置 模式選擇按鈕,為使用者提供簡便直觀的控制方式。 與d b e 模塊的通訊 通過d b e 模塊,控制a f e 模塊的工作方式 顯示各個通道的波形 令對信號數(shù)據(jù)加以存儲,以供后續(xù)分析 5 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第1 章緒論 整個系統(tǒng)的結構圖如圖1 2 所示。 圖1 - 2系統(tǒng)結構圖 下面就根據(jù)系統(tǒng)分析逐模塊地加以具體分析和實現(xiàn)。 6 南京郵電大學碩士研究生學位論文第2 章信號調(diào)理模塊設計 第2 章信號調(diào)理模塊設計 信號調(diào)理模塊( 簡稱:a f e 模塊,a n a l o gf r o n te n d ) 是整個采集系統(tǒng)的基礎。本章將 對a f e 模塊進行詳細介紹。a f e 模塊由8 個基本神經(jīng)信號調(diào)理通道組成。一個通道負責 一路神經(jīng)信號的放大和濾波。同時,a f e 模塊根據(jù)組合方案,將8 個通道有序地組合起來, 提供與后續(xù)模塊d b e 模塊的接口,并且具有對各個通道時分選擇的功能,可以用單個的 a d 轉換芯片進行多通道的模數(shù)轉換。 神經(jīng)信號在進行采集之前,必須先經(jīng)過放大和濾波,所以,本章首先對信號的調(diào)理和 單通道電路的實現(xiàn)做詳細介紹。然后把單通道電路組合起來,形成一個完整的a f e 模塊, 實現(xiàn)1 3 2 節(jié)中介紹的a f e 模塊的所有功能。 2 1信號調(diào)理總述 單通道的主要功能就是實現(xiàn)單路信號的采集,濾波和放大,使得微弱的神經(jīng)信號可以 轉化成適于轉換的大信號。根據(jù)參考文獻對神經(jīng)信號特點的介紹得知,其幅度只有1 0 0 i | v 級別,如此微弱的神經(jīng)信號需要經(jīng)過如圖2 1 所示的幾個步驟的調(diào)理之后,才可以送入后 續(xù)的d b e 模塊進行進一步的模數(shù)轉換處理。 單通道電路組成部分 廣_ f _ r 微電極卜f 轉接口。卜叫前放電醚卜_ 叫主放電路 塑圄幽幽燧 圖2 - 1單通道電路組成部分 下面對各個組成部分分別做詳細論述。 2 2微電極 微電極用于插入實驗動物的腦部以提取神經(jīng)元動作電位信號。動作電位是用細胞外電 極從外周神經(jīng)記錄到的。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,從一個神經(jīng)元或一群神經(jīng)元作記錄,用的是 細胞外電極,此電極由單根或多根絕緣金屬絲構成。根據(jù)神經(jīng)生物學實驗的要求,微電極 7 宴曼竺曼奎堂嬰主! ! 塞生蘭t ! 堡苧 里! 蘭篁! 塑里堡竺堡生 采用3 5 微米的電極絲為原料,電極絲外層有t e f l o n 絕緣。將電極絲排列成2 x 4 的矩陣, 再焊接到轉接口電路板上的過孔里,再用硅膠加以密封。測量電極絲的阻抗時施加1 k h z 的信號,測得電極絲的阻抗范圍在5 0 0 k i m 歐姆屬于比較理想的范圍。電極絲經(jīng)過清洗 平兀消毒后,可以進行腦部植入手術。手術過后一周左右,動物頭上的傷口愈合,就可以進 行信號采集實驗。 2 3轉接口 電極一個通道一根,為了方便實驗時的使用,把8 根電極組成一組排列,這就需要設 計一個轉接口電路來排放電極,使電極易于與后續(xù)的前放電路相連。轉接口的電路p c b 圖 如下所示。圖中圓形過孔一端用于排放與連接電極絲,另一端是與前放電路的接口,本系 統(tǒng)為了節(jié)省空間,采用的是1 2 7 m m 間距的連接器。轉接口電路板用的足排母,前放電路 用的是排針。 2 4 前放電路 圖2 之轉接口p c b 圖 由于電極的阻抗較高,后續(xù)電路很難采集到信號。所以要進行阻抗匹配。這里t 需要 一個前放e e e - 來完成這個工作。這個前放電路需要與電極及轉接口連接,一起放置在最町 能接近頭部的地方,蚍便于最大程度地采集微弱神經(jīng)元信號,便于后續(xù)電路的丁作。一般 地說,微電極與阻抗匹配電路板的距離越近越好,所以,最好把這個前放屯路放在實驗動 物的頭部,我們稱這個前放電路板為:“h e a ds t a g e ”。 我們采用的阻抗匹配電路是利用集成運放組成一個電壓跟隨器,起緩沖、隔離、提高 帶載能力的作用完成輸入阻抗大而輸出阻抗小的轉換。電壓跟隨器的輸入阻抗高,基本 沒有分流,輸出電壓近似輸入電壓幅度,并對前級電路呈高阻狀態(tài),對后級電路呈低阻狀 態(tài)因而對前后級電路起到“隔離”作用,使前、后級電路之間互不影響。這個電路雖然 8 衛(wèi)要唑! ! 查芏里蘭坐釜蘭芏垡堡三 苧! 翌墮! 塑翌堡堡垡:! 簡單,電壓放火倍數(shù)近似為1 ,但是輸入的微弱電流卻可以在輸出端得到放大,而且信號 幅度保持不變,使得后續(xù)的主放電路可以最大限度地提取來自電極的神經(jīng)信號。一般常選 擇電壓跟隨器信號通道的傳輸帶寬為晟高信號頻率的1 0 倍或適當提高,本系統(tǒng)采集的信 號信號頻率在7 5k h z 虬內(nèi),選用芯片的帶寬為1 8 5 m h z ,符合對所采集信號的要求。本 系統(tǒng)的前放電路采用對主放電路板外層和接口用膠水封同進行固定以及隔離電氣干擾等 抗干擾措施,使得主放電路對來自植入式微電極的微弱信號的提取達到目標, h e a ds t a g e 的電路原理圖及p c b 圖如下所示: 2 5主放電路設計 鯉剝 隧霸 圈2 - 3h e a ds t a g e 電路原理圖與p c b 圖 2 5 1單通道電路設計 單通道主放電路用于將各路前放送來的微弱電信號加以放大及干擾濾除。根據(jù)神經(jīng)元 電信號的特點,我們將放大電路分成三級( 第一級放大,第二級差分放大和第三級數(shù)字可 調(diào)放大) ,同時加以二階高通及四階低通模擬濾波器。根據(jù)國外的相關文獻對生物神經(jīng)電 信號特點的介紹,可知所采集信號的有用頻率集中在3 0 0 h z - 75 k h zz l n q ,我們的放大電路 濾波特性設置取了如下濾波電路詳述中的濾波值,三級放大電路的放大倍數(shù)范圍設置為 1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。具體元器件取值及封裝型號出于知識產(chǎn)權的考慮,不便在此列出。電路圖 請看圖2 - 5 單通道主放電路。 2 5 i 1 第一級放大 由第一級放大的電路可得: ii ( ,) :j ,耶) :羔五草基 ”贏”礪 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第2 章信號調(diào)理模塊設計 第一級放大的倍數(shù)為:“憊_ 1 0 0 第一級放大電路同時具有濾波功能,其頻率設置及其公式為: 高通濾波器所設的頻率為:廠2 荔殺百- 2 1 2 h z 低通濾波器的頻率為:廠= 2 , r l r = c , 2 1 。5k h z 2 5 1 2 第二級差分放大 由上圖所示的第二級差分放大電路可知,差分放大電路的傳遞函數(shù)為: v o u t = ( 肌嘲備 其放大倍數(shù)為1 0 ,它是由我們所選的運放芯片內(nèi)部預設好的。本級放大電路提供了差 分放大功能,可以把輸入信號與差分參考信號進行差分放大,抑制零點漂移,增強放大電 路的抗干擾能力。 ;。- - 。二。; ; r d 2 ; v i n:r d l o - ,、八, - o - - , v r e f ; r d l | 辜r d 2 i :- - - 。1 - - - - - 2 2 5 1 3 第三級可調(diào)放大 由圖2 - 5 的第三級可調(diào)放大電路可得: 放大電路的傳遞函數(shù)為: v o u t = 腳靜 第三級可調(diào)放大倍數(shù)可變,其調(diào)整的范圍為:1 3 0 倍。 u t 如上的分級放大電路設置可使三級放大電路總的放大倍數(shù)可達:1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。 l o 南京郵電大學碩士研究生學位論文 ;量 圖2 5單通道主放電路 l l 第2 章信號調(diào)理模塊設計 渣l 賭建汁 渣簿啡串游汁 琴爵崮器簿 為 ,? ? 目琴奔茵器簿 肄帶捌盛肄汁 南京郵電大學碩士研究生學位論文第2 章信號調(diào)理模塊設計 2 5 1 4 二階高通濾波器 如圖2 - 6二階高通濾波器所示,本高通電路采用的是常用的s a l e n k e y 高通濾波器。 其傳遞函數(shù)為: 耶,2 霸耵g s 2 磊黼g - 1 + 冬, 高通頻率為:廠= 荔磊i 互2 1 2 3 h z 卜i f i 、i c 4 i f , 朦 卜l l c 4 r 6 耋奎7 u ,曼 圖2 - 6二階高通濾波器 2 515 二階高通濾波器 如圖2 - 7四階低通濾波器所示,本高通電路采用的是常用的四階s a l e n k e y 低通濾 波器。其傳遞函數(shù)為: 黔褊濮帆g - 1 + f e , 9 石2 志- 9 5 此 州2 褊一1 + r _ 1 _ _ _ z 2 壬2 麗1 = 1 0 7 此 圖2 - 7四階低通濾波器 1 2 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第2 章信號調(diào)理模塊設計 2 5 2數(shù)控變阻器 對于芯片的選擇,根據(jù)所要采集信號對芯片特性的要求,通過對各種芯片特性的比較 之后,確定了幾個噪音低( 低至1 2 力礦瓦) ,共模抑制比高( 7 0d b 以上) ,工作電源范圍 寬( 2 2 到8 伏均可工作) ,漂移電流小( 典型值為l p a ) 的放大器芯片。具體芯片均 具有運算放大器芯片的一般功能特性,在所有的模電教材均可知道它們的工作方式,不需 要做特別介紹,出于知識產(chǎn)權的考慮,其型號和封裝不便在此列出。 關于我們選用的數(shù)控變阻器,其工作方式不見于一般的教材資料,有必要在此做簡單 介紹。r 1 4 選用m a x i m 公司的m a x 5 1 6 0 。這是一種數(shù)控變阻器,通過三個控制信號( c s , u d ,i n c ) 的組合可以用數(shù)字信號控制它所表現(xiàn)的電阻值它是一款低功耗,低電源電壓的 數(shù)字可控可變電阻。它的總阻值為2 0 0 kq ,有3 2 級可控等級,它的功能框圖和引腳描述 如下所示: 圖2 - 8m a x 5 1 6 0 功能框圖 糾n n a m e f u n c t i o n u a x 6 1 6 0u a x 5 6 1 t5雨蠆 w j p e ri n c r e m e n tc o n t r o li n p u t w i t h 醑l o w h i g h - t o - l o wt r a n s i t i o ni n c r e m e n t s ( u 5h i g h ) o rd e c r e m e n t s ( u 而i o w ) t h ew i p e rp c 讎i o n 24叫d u p d o w nc o n t r o li n p u t w m 蕊l o w ah l c j l h - t o - l o w 麗t r a n s i t i o ni n c r e m e n t s u 瓜h ;g h o rd e c r e m e n t s ( u 萬i o 時t h ew i p e rp c 醯l o n 3 2h h i g ht e r m i n a lo fr e s i s t o r 43g n dg r o u n d 5 w w i p e rt e r r n i n a to fr e s i s t o r 61ll o wt e r m i n a lo fr e s i s t o r 7器 c h i p - s e l e c ti n p u t d r i v el o wt oc h a n g et h ew i p e rp o t a t i o nt h r o u g ht 陋a n du 卮 8 6v d d p o w e r s u p r ,f y 圖2 9m a x 5 1 6 0 引腳描述 南京郵電大學碩士研究生學位論文第2 章信號調(diào)理模塊設計 借助m a x 5 1 6 0 的數(shù)字可控功能,就可以接收來自p c 機的控制,由d i g i t a lb a c ke n d 模塊產(chǎn)生的控制信號直接改變其阻值,由此實現(xiàn)放大倍數(shù)的數(shù)字化可調(diào)功能。 2 6組合電路設計 組合電路所需達到的功能有: 組合各個單通道的放大電路, 提供輸入輸出口連接方案 實現(xiàn)差分放大電路的v r e f 信號數(shù)字可控選擇 分時選擇各個通道,使得各通道可以復用a d 轉換器 2 6 1組合電路原理圖 根據(jù)上述要求,畫出組合電路原理圖。 下圖是簡化的組合電路原理圖。其中,8 個橫向的放大簡圖各自表示圖2 5 的一路主 放電路。它集合了8 路單通道放大電路,并通過兩個4 選一的多路復用器芯片和三個數(shù)字 開關,設計了一個差分放大電路的可選參考信號v r e f 輸入。三個開關實現(xiàn)不同的功能。介 紹如下: 總開關; 打開:8 路分為上下兩個4 路各選一個參考信號進行差分放大 閉合:8 路共同選用一個參考信號進行差分放大 開關上: 奪打開:控制上面4 路選用4 :1 復用器選定的一路為參考信號 閉合:控制上面4 路選用地為參考信號 開關下: 打開:控制下面4 路選用4 :1 復用器選定的一路為參考信號 閉合:控制下面4 路選用地為參考信號 1 4 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第2 章信號調(diào)理模塊設計 v i n i v i n 2 v i n 3 v i n 4 v i n 5 v i n 6 v i n 7 v i n 8 2 6 2控制信號設置 圖2 - 1 0 多通道組合電路原理圖 如圖2 1 0 多通道組合電路原理圖所示,根據(jù)所選芯片的功能和組合電路所需的控 制信號,設置控制信號列表如下: 表2 1控制信號列表 芯片控制引腳個數(shù) 描述 數(shù)字開關; lx 3 ( u l ,u 2 ,u 3 )一個開關有一個控制信號 4 選一復用器: 2 2 ( u 4 ,u 5 )一個復用器兩條地址線 8 選一復用器: 3 1 ( u 6 )復用器有三條地址線 各放大器芯片: 1 1共用一個s h d n 控制信號 數(shù)控變阻器: 3 l共有三條控制線:c s ,u d ,i n c 圖2 1 l 為系統(tǒng)與d b e 模塊的接口,其中的芯片控制信號請看表2 1 。 圖2 1 1 輸出接口引腳定義圖 1 5 曰 南京電大學碩士研咒生學位論立第2 章信號調(diào)理模塊口t 2 7a f e 模塊實現(xiàn) 綜上所述,定義了備通道的細節(jié)及組合結構之后,便可以利用p r o t e l 工具畫出電路 p c b 圖。由于所畫的電路板接線多,控制信號多,所以選用四層板( 兩層中間層加上下表 面層) 米完成電路。上表面布置芯片和電阻電容元器件,走信號線,中間層和下表面走電 源,地線和控制信號線。畫好的p c b 圖如下圖所示。 圖2 - 1 2a f e 梗塊p c b 圖 至此,a f e 模塊的設計已經(jīng)完成,a f e 模塊實現(xiàn)了在系統(tǒng)概述中所描述的功能。本模 塊的重點在于對微弱神經(jīng)信號的調(diào)理。經(jīng)過測試,當輸入信號接地時,此時可認為各個通 道輸出信號為噪聲,當放大倍數(shù)定為晟小( 約為1 0 0 0 倍) 時,其幅度級別只有1 0 m v 。以 從國外購買的腩神經(jīng)信號仿真器產(chǎn)生的實際仿真波形( 此波形的大小及形狀均與實際動物 腦電波形樣) 為輸入信號時,其放大后的輸出波形完全符合文獻介紹的波形特征。經(jīng)過 試驗,對神經(jīng)信號的采集指標達到幅度分辨率和頻率范圍的要求。 完成了a f e 模塊的功能實現(xiàn)之后,下面將對如何規(guī)劃和實現(xiàn)d b e 模塊做詳細論述。 南京郵電大學碩士研究生學位論文第3 章數(shù)字處理模塊分析 第3 章數(shù)字處理模塊分析 3 1d b e 模塊功能分析 數(shù)字處理模塊( d b e :d i g i t a lb a c ke n d ) 是信號調(diào)理a f e 模塊與p c 端控制處理模塊 之間的連接模塊:在兩者之間起著重要的承上啟下的連接作用。它一方面對采集自a f e 模 塊的模擬信號進行模數(shù)轉換,將所得的數(shù)字結果加以格式化,并將最后所得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng) 絡接口傳輸給p c 端軟件;另一方面,它接收來自p c 端的一級控制信號,通過解讀這些信 號,在相應的引腳產(chǎn)生最終的二級控制信號,控制a f e 模塊的工作模式。下面,將對這個 模塊實現(xiàn)的各個功能進行詳細論述,包括:控制功能,采集功能和通訊傳輸功能。 可以從圖3 1 中可以直觀的看出來d b e 模塊在整個采集系統(tǒng)中的作用。 知鵬 圖3 1d b e 模塊在系統(tǒng)中的作用 3 1 1控制功能模塊設計 d b e 模塊接收來自p c 機的一級控制信號,產(chǎn)生二級控制信號來控制a f e 相應的引腳, 通過這樣的方式來實現(xiàn)對a f e 工作方式的選擇。根據(jù)第第2 章章的工作方式介紹,可以對 控制信號分為如下2 類: 參考信號選擇控制: 根據(jù)第一章的介紹,本系統(tǒng)的差分放大信號是可以自由選擇的。參考信號選擇是通過 兩個多選一芯片a d 7 0 8 和三個控制選擇的單刀單擲s p s t 開關m a x i m 4 6 2 6 實現(xiàn)的。a d 7 0 8 1 7 若 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第3 章數(shù)字處理模塊分析 芯片的控制引腳連接至d b e 模塊和a f e 之間接口,a r m 芯片的g p i o 引腳產(chǎn)生控制信號 給這個接口中的復用芯片相關引腳,這樣就可以控制參考信號的選擇。各個開關的開閉實 現(xiàn)的信號選擇模式可參考第1 4 頁的2 6 1 組合電路原理圖這一節(jié)。參考信號選擇程序接收 p c 端控制程序產(chǎn)生的開關狀態(tài)控制信號,解讀之后,控制與a f e 接口連接的相應引腳 ( i n , ) 產(chǎn)生正確的輸出值,從而控制參考信號選擇開關的開閉。_ u 1i n u 2r n 放大倍數(shù)選_ 擇u 3 控制: 本系統(tǒng)的放大倍數(shù)數(shù)字可調(diào)是通過美信公司的數(shù)控電位器m a x 5 1 6 0 來實現(xiàn)的。 m a x 5 1 6 0 可通過三個控制信號( c s ,u d ,i n c ) 的組合,用數(shù)字信號控制它所表現(xiàn)的電 阻值。m a x 5 1 6 0 控制方案見圖3 - 2 。 c su 田i n c r w hx x - xx0 l lto l h to ll上 l hj r+ x d o n t c a r o 0 一p r e v i o u ss t a t e + 一扔c r e m e n t 一d e c r e m e n t 上一h i g h - a ,4 _ o wt r a n s i t i o n 個tlo w - t o - h i g ht r a n s i t i o n 圖3 - 2m a x 5 1 6 0 控制引腳真值表 m a x 5 1 6 0 的上電重啟阻值為總阻值的一半( 就是t a pp o s i t i o n 位于圖3 3阻值 增量圖中“1 7 的位置,阻值為1 0 0 k q ) 。根據(jù)上圖所示,t a pp o s i t i o n 增加或減少一 級,m a x 5 1 6 0 的w 和l 引腳間的阻值就增加或減少6 2 5 k f 2 。 e 肛t 口e _ nr e s l s l r a l l c l v t a pp o s i t i o n 2 0 岫 1,1 了1 1刁口口 t a pp o g t l 0 - 圖3 3阻值增量圖 在采集信號的時候,如果放大倍數(shù)過大或過小引起采集到的信號不適合于顯示與處 理,就可以通過p c 控制程序,調(diào)整m a x 5 1 6 0 的阻值,使采集到的信號回歸最佳值。 d b e 模塊控制功能的實現(xiàn)涉及到a r m 芯片的引腳配置和g p i o 控制。相關的硬件控 制方式見3 2 2 節(jié)。 1 8 渤蕩m 艿 童巖童罄z 南京郵電大學碩士研究生學位論文第3 章數(shù)字處理模塊分析 3 1 2采集功能模塊設計 采集功能是d b e 模塊的最基本的功能。這個功能需要實現(xiàn)對來自a f e 模塊的8 路模 擬通道的固定采樣率的采集。它通過對a f e 模塊上的多路復用芯片u 6 ( 8 1m u x ,a d 7 0 8 ) 的控制,實現(xiàn)對來自a f e 模塊各個通道的信號進行時分采集,每次采集需要遍歷所有8 個通道。每轉換一個通道,就使用l p c 2 2 0 0 內(nèi)置的高速a d 轉換器,對這個通道的模擬 信號加以模數(shù)轉換,并對所得結果進行按一定格式的存儲,存儲在預先設置的緩沖區(qū)中。 緩沖區(qū)存放滿后,使用u d p 通訊協(xié)議將緩沖區(qū)中的信號數(shù)據(jù)發(fā)送到p c 機中。 為了實現(xiàn)信號采集的固定采樣率,需要定時運行數(shù)據(jù)采集子程序。本系統(tǒng)是利用 r t c o s i i 實時操作系統(tǒng)來管理各個任務的( 有關i t c o s i i 操作系統(tǒng)的介紹請看4 2 節(jié)) 。 數(shù)據(jù)采集子程序定義為一個優(yōu)先級最高的任務,每次采集后掛起任務,等待信號量,通過 中斷程序中的服務程序來發(fā)送信號量,調(diào)度運行最高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)采集任務,運行完畢后 又掛起任務。采集任務的流程圖如圖3 - 4 所示。 3 1 3通訊功能模塊設計 圖3 - 4采集程序流程圖 d b e 模塊的另一個重要功能是與p c 端的通訊。這個功能起著控制信號與數(shù)據(jù)信號的 上傳下行的數(shù)據(jù)通路作用。d b e 模塊的傳輸功能負責d b e 模塊與p c 控制程序的連接,負 責控制信號以及所采集的信號數(shù)據(jù)的傳遞,是系統(tǒng)的重要接1 2 1 。 1 9 南京郵電大學碩士研究生學位論文第3 章數(shù)字處理模塊分析 系統(tǒng)開始運行時,p c 端與d b e 模塊需要通過u d p 協(xié)議通訊,d b e 模塊接收p c 端發(fā) 送來的雙方定義好的代表“參考信號選擇方案的數(shù)據(jù)。d b e 模塊將這些數(shù)據(jù)存儲在特定 的變量中,并在系統(tǒng)開始采集之前,通過運行d b e 模塊的控制功能相關程序,設定好d b e 模塊的工作方式。 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時,每當緩存區(qū)滿的時候,就將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到p c 端以供接收與 處理。不發(fā)送數(shù)據(jù)的時候,如果接收到來自p c 端的代表改變放大倍數(shù)的數(shù)據(jù),表示需要 改變放大倍數(shù),就通過控制m a x 51 6 0 的阻值來改變放大倍數(shù)。通過這樣的方式,達到實 時控制放大倍數(shù)的目的。 由于我們的實驗環(huán)境是d b e 模塊與p c 機直接相接,不存在經(jīng)過路由器分流的情況, 在現(xiàn)有的條件下,出錯的概率較小。這種情況符合u d p 通訊協(xié)議的使用條件,相對于需 要建立連接的t c p 傳輸協(xié)議,u d p 傳輸可以節(jié)省傳輸時間。所以,傳輸功能使用t c p i p 協(xié)議簇的u d p 協(xié)議來進行,通過r j 4 5 的網(wǎng)絡接口來連接。利用a r m 芯片來控制外接網(wǎng) 卡芯片r t l 8 0 1 9 a s ,可以實現(xiàn)a r m 芯片與p c 機的u d p 協(xié)議的信息傳輸。 d b e 模塊的三個主要功能已經(jīng)介紹完畢,下面對本系統(tǒng)所使用的l p c 2 2 1 4 芯片,以 及芯片中與這幾個功能的實現(xiàn)相關的硬件結構和控制寄存器做簡單介紹。 3 2相關硬件電路 3 2 1芯片介紹 一 本系統(tǒng)的數(shù)字處理模塊的設計選用的微控制芯片是l p c 2 2 1 4 芯片,它屬于p h i l i p s 公 司的a r ml p c 2 2 0 0 系列。l p c 2 2 0 0 系列芯片是基于一個支持實時仿真和跟蹤的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s 核的c p u 微控制器,并帶有1 2 8 2 5 6k 字節(jié)( 1 ) 嵌入的高速f l a s h 存儲器。 1 2 8 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使3 2 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代 碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用1 6 位t h u

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