（測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)論文）生物神經(jīng)電信號(hào)采集系統(tǒng).pdf

南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文摘要 摘要 在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，腦機(jī)交互接口技術(shù)有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。隨著相關(guān)學(xué) 科和技術(shù)的飛速發(fā)展，腦機(jī)交互接口技術(shù)越來(lái)越得到人們的廣泛關(guān)注。國(guó)際上多所著名大 學(xué)和研究所都開展了相關(guān)的研究工作。但是，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究才剛剛起步，對(duì)于系 統(tǒng)硬件構(gòu)架和軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)的開發(fā)，并沒有太多的現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。 本論文旨在通過研究，實(shí)現(xiàn)具有生物神經(jīng)電信號(hào)采集和存儲(chǔ)功能的軟硬件系統(tǒng)，探索 在生物神經(jīng)信號(hào)采集方面的可行性，為實(shí)現(xiàn)腦機(jī)交互接口系統(tǒng)做出基礎(chǔ)性的研究。 論文對(duì)神經(jīng)信號(hào)采集功能進(jìn)行了分析，把采集功能劃分成三個(gè)模塊，一個(gè)模塊完成整 體工作的一部分功能。本系統(tǒng)通過對(duì)植入式微電極和接口的設(shè)計(jì)和制作實(shí)現(xiàn)微弱神經(jīng)電信 號(hào)的獲取，通過對(duì)神經(jīng)電信號(hào)的放大和濾波實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)信號(hào)采集的信號(hào)前期調(diào)理，設(shè)計(jì)了 對(duì)多路模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理a f e ( a n a l o g f r o n te n d ) 模塊來(lái)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(fù)責(zé)對(duì)放大后模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和與p c 機(jī)的通訊，達(dá)到 雙方數(shù)據(jù)通信以及控制信號(hào)通信的目標(biāo)；在p c 機(jī)中，通過對(duì)d b e 模塊傳送來(lái)的波形數(shù)據(jù) 進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，達(dá)到取得數(shù)據(jù)以供分析的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物神經(jīng)電信號(hào)的采集和存儲(chǔ)， 為之后對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步分析提供了切實(shí)可行的方案。 主題詞：神經(jīng)信號(hào)；采集；放大；顯示；存儲(chǔ) 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)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(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)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(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京郵電大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留 本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其 他復(fù)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(quán) 南京郵電大學(xué)研究生部辦理。 研究生簽名：盔礱匕燧導(dǎo)師簽名： 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)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(rèn)為是世界上結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的物質(zhì)之一。這個(gè)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(gè)神經(jīng)元單位組成，而這些神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間所形成的 突觸連接數(shù)量更是達(dá)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(xì)胞集群學(xué)說即 著名的h e b b 假說，人類的所有學(xué)習(xí)( 1 e a r n i n g ) ，認(rèn)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(diǎn)之間動(dòng)態(tài)的突觸強(qiáng)度這一形式來(lái)進(jìn)行編碼的。一直以來(lái)，人們都試 圖了解大腦是如何對(duì)信息進(jìn)行處理和編碼的。但是，由于研究手段的限制，大腦的工作機(jī) 制一直是一個(gè)謎。 隨著神經(jīng)科學(xué)的不斷發(fā)展，以及電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，一個(gè)結(jié)合了多個(gè)學(xué)科 知識(shí)和技術(shù)的全新領(lǐng)域，腦機(jī)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(shù)產(chǎn)生了。腦機(jī)交互接 口技術(shù)有著巨大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。首先，這項(xiàng)技術(shù)通過對(duì)腦部神經(jīng)信號(hào)的直接分析， 有助于我們進(jìn)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(xiàng)強(qiáng)有力的工 具。其次，在實(shí)際應(yīng)用中，也有很大的價(jià)值。如果能夠用我們的思想直接對(duì)外界設(shè)備進(jìn)行 控制，將對(duì)人類和外部世界的互動(dòng)方式產(chǎn)生巨大的影響。傳統(tǒng)的機(jī)械操作方式將會(huì)為新的 神經(jīng)控制技術(shù)所代替，而對(duì)于那些喪失了肢體控制能力的人們來(lái)說，這項(xiàng)技術(shù)不締為一種 福音。那些癱瘓癥患者，可以用自己的思想來(lái)操作電腦甚至是機(jī)器人來(lái)完成一些自己已經(jīng) 無(wú)法完成的動(dòng)作。而在軍事和工業(yè)上，這項(xiàng)技術(shù)可以帶來(lái)更安全，更精確快速的控制方式。 例如，在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上，士兵可以通過腦部信號(hào)遠(yuǎn)程遙控機(jī)械裝置執(zhí)行任務(wù)，避免了潛在 的危險(xiǎn)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(jī)交互接口的概念最早是在8 0 年代提出的，但是由于當(dāng)時(shí)電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的相 對(duì)落后，一直無(wú)法達(dá)到實(shí)用階段。近年來(lái)，隨著相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的飛速發(fā)展，腦機(jī)交互接 口技術(shù)越來(lái)越得到人們的廣泛關(guān)注，成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)問題之一，國(guó)際上多所著名大 學(xué)和研究所都開展了相關(guān)的研究工作。特別是在結(jié)合了數(shù)字信號(hào)處理( d s p ) ，微機(jī)電系統(tǒng) ( m e m s ) 等尖端技術(shù)后，在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了許多振奮人心的結(jié)果。舉例來(lái)說，1 9 9 6 年，科 學(xué)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(hào)來(lái)按 動(dòng)按鈕，獲得獎(jiǎng)勵(lì)。2 0 0 0 年，杜克大學(xué)和賓西法尼亞醫(yī)學(xué)院的一項(xiàng)合作成果中，在眼睛猴 的運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)植入了1 2 8 通道的微電極陣列，通過對(duì)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析， 使動(dòng)物可以在不依靠肢體的情況下，直接用意識(shí)來(lái)指揮一個(gè)機(jī)械手臂完成各種復(fù)雜的動(dòng) l 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 章緒論 作。這只機(jī)械臂甚至可以在相隔千里的另外一個(gè)城市，動(dòng)物仍然可以通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸來(lái) 對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。在2 0 0 0 年 2 0 0 3 年，斯坦福大學(xué)，密西根大學(xué)以及猶他大學(xué)分別 研制出可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的慢性植入式微電極陣列。2 0 0 5 年，布朗大學(xué) 醫(yī)學(xué)院將一枚神經(jīng)芯片植入一位嚴(yán)重的癱瘓癥患者腦中，這名患者可以用意識(shí)來(lái)控制電腦 的指針，從而對(duì)室內(nèi)的各種機(jī)械裝置進(jìn)行操縱。除了大學(xué)和研究所進(jìn)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(yīng)用在科研和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著研究的不斷深入， 目前這一技術(shù)體現(xiàn)出以下一些發(fā)展趨勢(shì)：首先，系統(tǒng)往小型化，集成化以及無(wú)線化方向發(fā) 展。隨著微電子以及機(jī)械制造技術(shù)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(hào)采集分析系統(tǒng)。其次，系統(tǒng)的計(jì)算能力也將得到大大加強(qiáng)，目前是在對(duì)數(shù)百個(gè)神 經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)在線處理和分析，并應(yīng)用于實(shí) 際操作，為了使得控制更加快速和精確，需要更強(qiáng)大的信號(hào)采集手段和分析計(jì)算能力，對(duì) 上千，甚至是上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。還有，以往的大部分工作都是在動(dòng)物 實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行的，但是隨著不斷的積累，這一技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用到臨床資料等領(lǐng)域，實(shí) 用性也大大增強(qiáng)。 但是，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究還剛剛起步。少數(shù)研究機(jī)構(gòu)通過引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備， 正嘗試開展有關(guān)的探索和研究。但是對(duì)于系統(tǒng)硬件構(gòu)架和軟件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)的開 發(fā)，并沒有太多的現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。 1 2研究目標(biāo)與內(nèi)容 本課題就是要通過在這方面的研究，實(shí)現(xiàn)具有生物信號(hào)采集和存儲(chǔ)功能的軟硬件系 統(tǒng)，探索在生物神經(jīng)信號(hào)的采集方面的可行性，通過研究和探索，在這方面做出基礎(chǔ)性的 研究。這是下一步實(shí)現(xiàn)腦機(jī)交互接口系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須解決兩方面的問題： 神經(jīng)信號(hào)的提取和處理 神經(jīng)信號(hào)的采集和存儲(chǔ) 1 2 1神經(jīng)信號(hào)的提取和處理 神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)分成兩大類。第一類是局部的分級(jí)電位，由外來(lái)刺激所引起。 第二大類是動(dòng)作電位，它由局部的分級(jí)電位產(chǎn)生。與局部電位不同，動(dòng)作電位迅速地作長(zhǎng) 距離傳播。發(fā)生在神經(jīng)元中的動(dòng)作電位，其振幅和時(shí)程是固定不變的，就象莫爾斯電碼中 2 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 章緒論 的點(diǎn)一樣。這種動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳遞方式為人類對(duì)其采集和研究提供了可能性。下圖描 述了神經(jīng)信號(hào)采集的原理。神經(jīng)信號(hào)的提取和處理包含以下三個(gè)主要的工作。 圖1 1神經(jīng)信號(hào)采集 植入式微電極的設(shè)計(jì)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(duì)生物腦組織的神經(jīng)電活動(dòng) 進(jìn)行穩(wěn)定和長(zhǎng)期的記錄。同時(shí)，不能引起生物組織強(qiáng)烈的排異和免疫反應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)組織的 傷害或者信號(hào)質(zhì)量的下降。在保證微電極的小型化同時(shí)，其記錄通道越多越好，以便對(duì)盡 可能多的神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這就對(duì)微電極的材料、設(shè)計(jì)以及制作提出了很高的要求。 一根植入式微電極，就是一個(gè)通道。在系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)階段，我們?cè)O(shè)定采集通道為8 通道。 微電極的埋植以及護(hù)理 由于腦部微電極的植入是一項(xiàng)非常精細(xì)的工作，所以必須借助顯微外科技術(shù)和立體定 位設(shè)備，將微電極植入特定腦區(qū)并進(jìn)行固定，以將對(duì)腦組織的傷害減少到最小。同時(shí)，為 了保證今后信號(hào)長(zhǎng)期的提取，手術(shù)后的持續(xù)護(hù)理也是必不可少的。 微弱神經(jīng)電信號(hào)的放大和處理 生物的神經(jīng)信號(hào)是非常微弱的，其幅度只有數(shù)百微伏。這么小的信號(hào)不但無(wú)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(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，包括放大( 通常 要放大幾千甚至幾萬(wàn)倍) 和濾波( 消除掉無(wú)用的背景噪聲和干擾) 。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 章緒論 1 2 2神經(jīng)信號(hào)的采集和存儲(chǔ) 神經(jīng)信號(hào)的采集和存儲(chǔ)有兩個(gè)主要工作： 神經(jīng)信號(hào)的采集，轉(zhuǎn)換及顯示 經(jīng)過放大和濾波后的神經(jīng)電信號(hào)必須以一定的采樣速率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換為易于處理的數(shù)字信號(hào)，并且通過某種通訊方式傳送給計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)中提供信號(hào) 波形顯示方案，方便實(shí)驗(yàn)操作者對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的波形進(jìn)行觀察。 神經(jīng)信號(hào)的存儲(chǔ)及分析 傳送到計(jì)算機(jī)中的有用波形數(shù)據(jù)必須以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)為波形文件，以供后期使 用計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。處理和分析的軟件可以對(duì)實(shí)驗(yàn)采集到的波形文件進(jìn)行離 線處理，對(duì)采集到的信號(hào)所包含的信息進(jìn)行分析，得出有用結(jié)論。 1 3系統(tǒng)概述與結(jié)構(gòu)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(biāo)可知，本系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)微弱神經(jīng)電信號(hào)的采集和處理 系統(tǒng)。它要實(shí)現(xiàn)的功能有： 對(duì)微弱神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行獲取，放大和濾波 將濾波后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 通過某種通訊協(xié)議與p c 機(jī)通訊，把波形數(shù)據(jù)送入p c 機(jī) p c 機(jī)對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示及保存等處理 利用p c 機(jī)來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)，控制采集工作的進(jìn)行 1 3 2結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)上述的系統(tǒng)功能概述，可以將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分成幾個(gè)模塊，對(duì)各個(gè)模塊做如下分析： 信號(hào)調(diào)理模塊a f e ( a n a l o gf r o n te n d ) - 該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是：對(duì)微弱神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。同時(shí)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(hào)，根據(jù)控制信號(hào)確定本模塊的工作方 式。 4 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 章緒論 本模塊具體實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)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(hào)放大和濾波 差分放大參考信號(hào)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(gè)模塊，即a f e 模塊和p c 控制處理模塊。一方面 接收來(lái)自a f e 模塊各個(gè)通道的模擬信號(hào)，進(jìn)行時(shí)分模數(shù)轉(zhuǎn)換；并且通過某種通訊協(xié)議提供 在p c 機(jī)及本模塊之間的通訊。由于現(xiàn)在的十兆，百兆網(wǎng)卡技術(shù)成熟且是p c 機(jī)的必備設(shè)備， 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用t c p i p 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)d b e 模塊與p c 機(jī)之間的通訊。由于d b e 模塊與 p c 機(jī)采用直接互連，不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)路由器，不會(huì)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(zhuǎn)換后的信號(hào)數(shù)據(jù)送入p c 機(jī)以供后續(xù)處理。另一方面，本模塊通過接口與a f e 信號(hào)調(diào) 理模塊相連，接收來(lái)自前端模塊的模擬信號(hào)；同時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)，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(hào)通訊結(jié)合起來(lái)，成為一個(gè)完整的工 作模塊。本模塊實(shí)現(xiàn)的功能列舉如下： 提供與a f e 模塊的接口 對(duì)模擬信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換 奪與p c 機(jī)通訊 奪產(chǎn)生控制信號(hào)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(shí)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(lái)的波形信號(hào)數(shù)據(jù)，將其在p c 機(jī)上顯示出來(lái)。同時(shí)在界面上設(shè)置 模式選擇按鈕，為使用者提供簡(jiǎn)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(gè)通道的波形 令對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)，以供后續(xù)分析 5 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 章緒論 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 2 所示。 圖1 - 2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 下面就根據(jù)系統(tǒng)分析逐模塊地加以具體分析和實(shí)現(xiàn)。 6 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 信號(hào)調(diào)理模塊( 簡(jiǎn)稱：a f e 模塊，a n a l o gf r o n te n d ) 是整個(gè)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本章將 對(duì)a f e 模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。a f e 模塊由8 個(gè)基本神經(jīng)信號(hào)調(diào)理通道組成。一個(gè)通道負(fù)責(zé) 一路神經(jīng)信號(hào)的放大和濾波。同時(shí)，a f e 模塊根據(jù)組合方案，將8 個(gè)通道有序地組合起來(lái)， 提供與后續(xù)模塊d b e 模塊的接口，并且具有對(duì)各個(gè)通道時(shí)分選擇的功能，可以用單個(gè)的 a d 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換。 神經(jīng)信號(hào)在進(jìn)行采集之前，必須先經(jīng)過放大和濾波，所以，本章首先對(duì)信號(hào)的調(diào)理和 單通道電路的實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)介紹。然后把單通道電路組合起來(lái)，形成一個(gè)完整的a f e 模塊， 實(shí)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(hào)調(diào)理總述 單通道的主要功能就是實(shí)現(xiàn)單路信號(hào)的采集，濾波和放大，使得微弱的神經(jīng)信號(hào)可以 轉(zhuǎn)化成適于轉(zhuǎn)換的大信號(hào)。根據(jù)參考文獻(xiàn)對(duì)神經(jīng)信號(hào)特點(diǎn)的介紹得知，其幅度只有1 0 0 i | v 級(jí)別，如此微弱的神經(jīng)信號(hào)需要經(jīng)過如圖2 1 所示的幾個(gè)步驟的調(diào)理之后，才可以送入后 續(xù)的d b e 模塊進(jìn)行進(jìn)一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。 單通道電路組成部分 廣_ f _ r 微電極卜f 轉(zhuǎn)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(duì)各個(gè)組成部分分別做詳細(xì)論述。 2 2微電極 微電極用于插入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腦部以提取神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢恍盘?hào)。動(dòng)作電位是用細(xì)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(gè)神經(jīng)元或一群神經(jīng)元作記錄，用的是 細(xì)胞外電極，此電極由單根或多根絕緣金屬絲構(gòu)成。根據(jù)神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)接口電路板上的過孔里，再用硅膠加以密封。測(cè)量電極絲的阻抗時(shí)施加1 k h z 的信號(hào)，測(cè)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(jìn)行腦部植入手術(shù)。手術(shù)過后一周左右，動(dòng)物頭上的傷口愈合，就可以進(jìn) 行信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。 2 3轉(zhuǎn)接口 電極一個(gè)通道一根，為了方便實(shí)驗(yàn)時(shí)的使用，把8 根電極組成一組排列，這就需要設(shè) 計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)接口電路來(lái)排放電極，使電極易于與后續(xù)的前放電路相連。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(hào)。所以要進(jìn)行阻抗匹配。這里t 需要 一個(gè)前放e e e - 來(lái)完成這個(gè)工作。這個(gè)前放電路需要與電極及轉(zhuǎn)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(hào)，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(gè)前放屯路放在實(shí)驗(yàn)動(dòng) 物的頭部，我們稱這個(gè)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(yùn)放組成一個(gè)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(zhuǎn)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(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀 態(tài)因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用，使前、后級(jí)電路之間互不影響。這個(gè)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(jiǎn)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(hào) 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(lái)自電極的神經(jīng)信號(hào)。一般常選 擇電壓跟隨器信號(hào)通道的傳輸帶寬為晟高信號(hào)頻率的1 0 倍或適當(dāng)提高，本系統(tǒng)采集的信 號(hào)信號(hào)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(duì)所采集信號(hào)的要求。本 系統(tǒng)的前放電路采用對(duì)主放電路板外層和接口用膠水封同進(jìn)行固定以及隔離電氣干擾等 抗干擾措施，使得主放電路對(duì)來(lái)自植入式微電極的微弱信號(hào)的提取達(dá)到目標(biāo)， 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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 單通道主放電路用于將各路前放送來(lái)的微弱電信號(hào)加以放大及干擾濾除。根據(jù)神經(jīng)元 電信號(hào)的特點(diǎn)，我們將放大電路分成三級(jí)( 第一級(jí)放大，第二級(jí)差分放大和第三級(jí)數(shù)字可 調(diào)放大) ，同時(shí)加以二階高通及四階低通模擬濾波器。根據(jù)國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)生物神經(jīng)電 信號(hào)特點(diǎn)的介紹，可知所采集信號(hào)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(shè)置取了如下濾波電路詳述中的濾波值，三級(jí)放大電路的放大倍數(shù)范圍設(shè)置為 1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。具體元器件取值及封裝型號(hào)出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的考慮，不便在此列出。電路圖 請(qǐng)看圖2 - 5 單通道主放電路。 2 5 i 1 第一級(jí)放大 由第一級(jí)放大的電路可得： ii ( ，) ：j ，耶) ：羔五草基 ”贏”礪 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 第一級(jí)放大的倍數(shù)為：“憊_ 1 0 0 第一級(jí)放大電路同時(shí)具有濾波功能，其頻率設(shè)置及其公式為： 高通濾波器所設(shè)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(jí)差分放大 由上圖所示的第二級(jí)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(yùn)放芯片內(nèi)部預(yù)設(shè)好的。本級(jí)放大電路提供了差 分放大功能，可以把輸入信號(hào)與差分參考信號(hào)進(jìn)行差分放大，抑制零點(diǎn)漂移，增強(qiáng)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(jí)可調(diào)放大 由圖2 - 5 的第三級(jí)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(jí)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(jí)放大電路設(shè)置可使三級(jí)放大電路總的放大倍數(shù)可達(dá)：1 0 0 0 3 0 0 0 0 倍。 l o 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 ；量 圖2 5單通道主放電路 l l 第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 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(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 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(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 2 5 2數(shù)控變阻器 對(duì)于芯片的選擇，根據(jù)所要采集信號(hào)對(duì)芯片特性的要求，通過對(duì)各種芯片特性的比較 之后，確定了幾個(gè)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(yùn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的考慮，其型號(hào)和封裝不便在此列出。 關(guān)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(jiǎn)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(gè)控制信號(hào)( c s ， u d ，i n c ) 的組合可以用數(shù)字信號(hào)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(jí)可控等級(jí)，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(wàn)i o 時(shí)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(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 借助m a x 5 1 6 0 的數(shù)字可控功能，就可以接收來(lái)自p c 機(jī)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(hào)直接改變其阻值，由此實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的數(shù)字化可調(diào)功能。 2 6組合電路設(shè)計(jì) 組合電路所需達(dá)到的功能有： 組合各個(gè)單通道的放大電路， 提供輸入輸出口連接方案 實(shí)現(xiàn)差分放大電路的v r e f 信號(hào)數(shù)字可控選擇 分時(shí)選擇各個(gè)通道，使得各通道可以復(fù)用a d 轉(zhuǎn)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(jiǎn)化的組合電路原理圖。其中，8 個(gè)橫向的放大簡(jiǎn)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(gè)4 選一的多路復(fù)用器芯片和三個(gè)數(shù)字 開關(guān)，設(shè)計(jì)了一個(gè)差分放大電路的可選參考信號(hào)v r e f 輸入。三個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的功能。介 紹如下： 總開關(guān)； 打開：8 路分為上下兩個(gè)4 路各選一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行差分放大 閉合：8 路共同選用一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行差分放大 開關(guān)上： 奪打開：控制上面4 路選用4 ：1 復(fù)用器選定的一路為參考信號(hào) 閉合：控制上面4 路選用地為參考信號(hào) 開關(guān)下： 打開：控制下面4 路選用4 ：1 復(fù)用器選定的一路為參考信號(hào) 閉合：控制下面4 路選用地為參考信號(hào) 1 4 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第2 章信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 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(hào)設(shè)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(hào)，設(shè)置控制信號(hào)列表如下： 表2 1控制信號(hào)列表 芯片控制引腳個(gè)數(shù) 描述 數(shù)字開關(guān)； lx 3 ( u l ，u 2 ，u 3 )一個(gè)開關(guān)有一個(gè)控制信號(hào) 4 選一復(fù)用器： 2 2 ( u 4 ，u 5 )一個(gè)復(fù)用器兩條地址線 8 選一復(fù)用器： 3 1 ( u 6 )復(fù)用器有三條地址線 各放大器芯片： 1 1共用一個(gè)s h d n 控制信號(hào) 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(hào)請(qǐng)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(xué)碩士研咒生學(xué)位論立第2 章信號(hào)調(diào)理模塊口t 2 7a f e 模塊實(shí)現(xiàn) 綜上所述，定義了備通道的細(xì)節(jié)及組合結(jié)構(gòu)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(hào)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(hào)線，中間層和下表面走電 源，地線和控制信號(hào)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(shè)計(jì)已經(jīng)完成，a f e 模塊實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)概述中所描述的功能。本模 塊的重點(diǎn)在于對(duì)微弱神經(jīng)信號(hào)的調(diào)理。經(jīng)過測(cè)試，當(dāng)輸入信號(hào)接地時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為各個(gè)通 道輸出信號(hào)為噪聲，當(dāng)放大倍數(shù)定為晟小( 約為1 0 0 0 倍) 時(shí)，其幅度級(jí)別只有1 0 m v 。以 從國(guó)外購(gòu)買的腩神經(jīng)信號(hào)仿真器產(chǎn)生的實(shí)際仿真波形( 此波形的大小及形狀均與實(shí)際動(dòng)物 腦電波形樣) 為輸入信號(hào)時(shí)，其放大后的輸出波形完全符合文獻(xiàn)介紹的波形特征。經(jīng)過 試驗(yàn)，對(duì)神經(jīng)信號(hào)的采集指標(biāo)達(dá)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(shí)現(xiàn)之后，下面將對(duì)如何規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)d b e 模塊做詳細(xì)論述。 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)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(hào)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(duì)采集自a f e 模 塊的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將所得的數(shù)字結(jié)果加以格式化，并將最后所得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng) 絡(luò)接口傳輸給p c 端軟件；另一方面，它接收來(lái)自p c 端的一級(jí)控制信號(hào)，通過解讀這些信 號(hào)，在相應(yīng)的引腳產(chǎn)生最終的二級(jí)控制信號(hào)，控制a f e 模塊的工作模式。下面，將對(duì)這個(gè) 模塊實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能進(jìn)行詳細(xì)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(lái)d b e 模塊在整個(gè)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(shè)計(jì) d b e 模塊接收來(lái)自p c 機(jī)的一級(jí)控制信號(hào)，產(chǎn)生二級(jí)控制信號(hào)來(lái)控制a f e 相應(yīng)的引腳， 通過這樣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì) 控制信號(hào)分為如下2 類： 參考信號(hào)選擇控制： 根據(jù)第一章的介紹，本系統(tǒng)的差分放大信號(hào)是可以自由選擇的。參考信號(hào)選擇是通過 兩個(gè)多選一芯片a d 7 0 8 和三個(gè)控制選擇的單刀單擲s p s t 開關(guān)m a x i m 4 6 2 6 實(shí)現(xiàn)的。a d 7 0 8 1 7 若 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)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(hào) 給這個(gè)接口中的復(fù)用芯片相關(guān)引腳，這樣就可以控制參考信號(hào)的選擇。各個(gè)開關(guān)的開閉實(shí) 現(xiàn)的信號(hào)選擇模式可參考第1 4 頁(yè)的2 6 1 組合電路原理圖這一節(jié)。參考信號(hào)選擇程序接收 p c 端控制程序產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)控制信號(hào)，解讀之后，控制與a f e 接口連接的相應(yīng)引腳 ( i n ， ) 產(chǎn)生正確的輸出值，從而控制參考信號(hào)選擇開關(guān)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。 m a x 5 1 6 0 可通過三個(gè)控制信號(hào)( c s ，u d ，i n c ) 的組合，用數(shù)字信號(hào)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(gè)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(jí)，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(hào)的時(shí)候，如果放大倍數(shù)過大或過小引起采集到的信號(hào)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(hào)回歸最佳值。 d b e 模塊控制功能的實(shí)現(xiàn)涉及到a r m 芯片的引腳配置和g p i o 控制。相關(guān)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(xué)碩士研究生學(xué)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(shè)計(jì) 采集功能是d b e 模塊的最基本的功能。這個(gè)功能需要實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)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(duì)a f e 模塊上的多路復(fù)用芯片u 6 ( 8 1m u x ，a d 7 0 8 ) 的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自a f e 模塊各個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行時(shí)分采集，每次采集需要遍歷所有8 個(gè)通道。每轉(zhuǎn)換一個(gè)通道，就使用l p c 2 2 0 0 內(nèi)置的高速a d 轉(zhuǎn)換器，對(duì)這個(gè)通道的模擬 信號(hào)加以模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行按一定格式的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)在預(yù)先設(shè)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(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到p c 機(jī)中。 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的固定采樣率，需要定時(shí)運(yùn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理各個(gè)任務(wù)的( 有關(guān)i t c o s i i 操作系統(tǒng)的介紹請(qǐng)看4 2 節(jié)) 。 數(shù)據(jù)采集子程序定義為一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，每次采集后掛起任務(wù)，等待信號(hào)量，通過 中斷程序中的服務(wù)程序來(lái)發(fā)送信號(hào)量，調(diào)度運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，運(yùn)行完畢后 又掛起任務(wù)。采集任務(wù)的流程圖如圖3 - 4 所示。 3 1 3通訊功能模塊設(shè)計(jì) 圖3 - 4采集程序流程圖 d b e 模塊的另一個(gè)重要功能是與p c 端的通訊。這個(gè)功能起著控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)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(fù)責(zé)d b e 模塊與p c 控制程序的連接，負(fù) 責(zé)控制信號(hào)以及所采集的信號(hào)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(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 章數(shù)字處理模塊分析 系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，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(lái)的雙方定義好的代表“參考信號(hào)選擇方案的數(shù)據(jù)。d b e 模塊將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定 的變量中，并在系統(tǒng)開始采集之前，通過運(yùn)行d b e 模塊的控制功能相關(guān)程序，設(shè)定好d b e 模塊的工作方式。 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，每當(dāng)緩存區(qū)滿的時(shí)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(shí)候，如果接收到來(lái)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(lái)改變放大倍數(shù)。通過這樣的方式，達(dá)到實(shí) 時(shí)控制放大倍數(shù)的目的。 由于我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是d b e 模塊與p c 機(jī)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(cuò)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(duì)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(shí)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(lái)進(jìn)行，通過r j 4 5 的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)連接。利用a r m 芯片來(lái)控制外接網(wǎng) 卡芯片r t l 8 0 1 9 a s ，可以實(shí)現(xiàn)a r m 芯片與p c 機(jī)的u d p 協(xié)議的信息傳輸。 d b e 模塊的三個(gè)主要功能已經(jīng)介紹完畢，下面對(duì)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(gè)功能的實(shí)現(xiàn)相關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)和控制寄存器做簡(jiǎn)單介紹。 3 2相關(guān)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(shè)計(jì)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(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。 1 2 8 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使3 2 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代 碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用1 6 位t h u