畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-基于腦電采集的汽車(chē)疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于腦電采集的汽車(chē)疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)姓名：莊將燦院(系別：電子與信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電子信息工程班級(jí)：電子071指導(dǎo)教師：榮鋒職稱(chēng)：講師2011年6月2日院長(zhǎng)教研室主任指導(dǎo)教師畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告表天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度檢查記錄天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考核表摘要全世界每年因駕駛員疲勞駕駛而導(dǎo)致的死亡人數(shù)占交通災(zāi)難性事故的57%，故針對(duì)疲勞駕駛檢測(cè)方法的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。而最近十多年來(lái)，疲勞檢測(cè)逐步取得人們的關(guān)注，為此本文設(shè)計(jì)了基于腦電采集的汽車(chē)疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路。腦電圖（EEG）信號(hào)檢測(cè)一直被譽(yù)為監(jiān)測(cè)疲勞的“金標(biāo)準(zhǔn)”，所以本文將腦電信號(hào)作為檢測(cè)疲勞的主要參數(shù)。為了準(zhǔn)確采集腦電信號(hào)，本文設(shè)計(jì)的前端調(diào)理電路包括前置放大電路、四階低通濾波電路、二階高通濾波電路、中間級(jí)放大電路、50HZ陷波電路、極性轉(zhuǎn)換以及末級(jí)放大電路，并由嵌入式ARM開(kāi)發(fā)板EasyCortexM3-1752將采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的處理。最后利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和總結(jié)。關(guān)鍵詞：疲勞駕駛；腦電信號(hào)；采集；ARMCortex-M3ABSTRACTThedeathtollintrafficaccidentscausedbyfatiguedrivingmakesup57%ofthatinalltrafficaccidentseveryyearallovertheworld,thereforeitisofrealisticsignificancetocarryoutresearchaimingatfatiguedrivingdetectionmethod.Thepasttenyears,thefatiguetestandgraduallygetpeople'sattention,sothispaperdesignedafatiguedrivingtestsystembasedonthemeasurementofphysiologicalparameters.Electroencephalogram(EEGmonitoringofsignaldetectionhasbeenknownasthe"goldstandard"ofthefatigue.SoEEGsignalwillbeusedasthemainparametersoffatigueonthispaper.InordertoaccuratelydetectEEGsignals,thepaperdesignthepreamplifiercircuit,fourth-orderlow-passfiltercircuit,second-orderhigh-passfiltercircuit,middle-classamplifiercircuit,50Hztrapcircuit,polarityconversioncircuitandthelaststageamplifier.EEGsignalswillbeADCbyARMdevelopmentboardEasyCortexM3-1752,andtransmittedtothecomputerthroughtheserialportforfurtherprocessing.Finally,thedatawillbeanalysedanddrawnbyMATLAB.Thissystemwillbesummarizedandanalysedatlast,too.Keywords：fatiguedriving;EEG;acquisition;ARMCortex-M3目錄第一章緒論.......................................................11.1課題研究的背景及意義.....................................11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀...........................................21.2.1駕駛員疲勞檢測(cè)方法.................................21.2.2疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.....................21.3本課題研究方向...........................................4第二章疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.................................52.1腦電波采集基本知識(shí).......................................52.1.1有關(guān)腦電的基本知識(shí).................................52.1.2腦電圖導(dǎo)聯(lián)法.......................................62.2疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案...............................72.2.1放大及濾波電路方案.................................82.2.2信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案.............................9第三章硬件電路設(shè)計(jì)................................................133.1放大電路設(shè)計(jì)............................................133.1.1前置放大電路.......................................133.1.2中間級(jí)和末級(jí)放大電路..............................153.2濾波電路設(shè)計(jì)............................................163.2.1低通濾波器.........................................173.2.2高通濾波器........................................193.3陷波電路................................................203.4極性轉(zhuǎn)換電路............................................21第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理...........................244.1ARMCortex-M3介紹......................................244.1.1Cortex-M3結(jié)構(gòu)概述.................................244.1.2LPC1700系列微控制器...............................254.1.3片上Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)..............................264.1.4片上靜態(tài)RAM.......................................264.2基于Cortex-M3的模數(shù)轉(zhuǎn)換器..............................264.2.1A/D轉(zhuǎn)換引腳描述...................................264.2.2A/D基本操作.......................................274.3Cortex-M3與計(jì)算機(jī)的通信方式............................274.4開(kāi)發(fā)環(huán)境與軟件..........................................284.4.1程序開(kāi)發(fā)環(huán)境......................................284.4.2程序設(shè)計(jì)..........................................304.4.3FlashMagic程序燒錄...............................314.4.4EasyArm串口調(diào)試..................................334.4.5數(shù)據(jù)記錄軟件泰康串口大師..........................344.4.6MATLAB數(shù)據(jù)分析....................................34第五章系統(tǒng)測(cè)試與總體評(píng)價(jià)..........................................365.1系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果............................................365.2系統(tǒng)總體評(píng)價(jià)............................................37參考文獻(xiàn)...........................................................39附錄.............................................................40謝辭.............................................................60第一章緒論1.1課題研究的背景及意義隨著汽車(chē)的不斷普及，交通事故也隨之增多，全球每年有2000多萬(wàn)人在交通事故中受傷或致殘，死亡100多萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)5000億美元。全世界每年因道路交通事故導(dǎo)致道路安全已經(jīng)極大地威脅著社會(huì)公眾的生命和財(cái)產(chǎn)，成為全球關(guān)注的重點(diǎn)。2010年01月09日公安部交通管理局通報(bào)，2009年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失9.1億元。而2010年1月份至六月份按照道路交通事故同比口徑統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故99282起，造成27270人死亡、116982人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失4.1億元。駕駛員作為機(jī)動(dòng)車(chē)的操作者是第一要素，這也是造成交通事故的主要肇事者。英國(guó)的一項(xiàng)研究得出，道路交通事故肇事發(fā)生的原因是由駕駛員因素引起的占65％(美國(guó)57％，而與駕駛員因素有關(guān)的百分率占到近95％(美國(guó)占94％。我國(guó)的道路交通事故的統(tǒng)計(jì)也表明，主要由于駕駛員造成的事故占90％左右?？傊{駛員因素作為肇事發(fā)生交通事故的主要因素已被世界各國(guó)所公認(rèn)。國(guó)內(nèi)對(duì)交通事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)：駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一，因司機(jī)疲勞駕駛所引起的各種道路交通事故約占總數(shù)的15％至20％。國(guó)外對(duì)交通事故發(fā)生原因進(jìn)行分析也得出了類(lèi)似結(jié)論。美國(guó)國(guó)家高速公路交通安全管理局(NHTSA估計(jì)，在美國(guó)，因駕駛員疲勞駕駛引起的事故每年超過(guò)100，000件，其中受傷人數(shù)為71，000人，死亡人數(shù)大約為l，500人。通過(guò)進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人在疲勞時(shí)事故發(fā)生的可能性會(huì)上升4倍至6倍。法國(guó)國(guó)家警察總署對(duì)交通事故的研究報(bào)告表明：因疲勞駕駛引起的交通事故占人身傷害事故的14．9％，占死亡事故的20．6％。據(jù)新西蘭一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，只要在以下三種情況不駕車(chē)，車(chē)禍發(fā)生率可以減少19％：①出現(xiàn)睡意；②在過(guò)去的24小時(shí)內(nèi)睡眠時(shí)間少于5小時(shí)；③凌晨2：00至5：00。還有幾項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，商用車(chē)的駕駛員尤其容易感到疲勞。在低收入和中等收入國(guó)家進(jìn)行的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸公司業(yè)主經(jīng)常驅(qū)使其駕駛員長(zhǎng)時(shí)間工作，或在精疲力盡的情況下工作，或超速駕駛。美國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)，30％重型商用車(chē)輛的致死性車(chē)禍和52％的貨車(chē)車(chē)禍都與疲勞駕駛有關(guān)；18％的貨車(chē)駕駛員承認(rèn)當(dāng)發(fā)生車(chē)禍時(shí)自己睡著了。由上可以看出，疲勞駕駛對(duì)道路交通安全存在著重大威脅。所以，研究一種可以有效的防止和監(jiān)督駕駛員疲勞駕駛和駕駛注意力不集中等精神分散狀態(tài)，并及時(shí)給予警告的系統(tǒng)，對(duì)于降低交通事故及人員傷亡率，有著十分現(xiàn)實(shí)的重要意義，也是解決疲勞駕駛造成的交通事故的最有效途徑。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1駕駛員疲勞檢測(cè)方法目前駕駛員疲勞檢測(cè)研究方法可以分成兩大類(lèi)：①?gòu)鸟{駛員自身特征出發(fā)，通過(guò)某種設(shè)備獲取駕駛員的生理參數(shù)特征或者視覺(jué)特征，利用駕駛員在正常狀態(tài)和疲勞狀態(tài)的特征模式不同，采用相應(yīng)的模式識(shí)別技術(shù)分類(lèi)進(jìn)行判別，從而檢測(cè)到是否有疲勞產(chǎn)生。基于駕駛員生理參數(shù)的檢測(cè)方法是通過(guò)某些設(shè)備得出駕駛員的有關(guān)生理參數(shù)，如腦電圖(EEG、眼電圖(EOG、心電圖(ECG等，根據(jù)參數(shù)變化情況來(lái)判斷是否有疲勞產(chǎn)生。②根據(jù)車(chē)輛的行為表現(xiàn)間接判斷駕駛員是否產(chǎn)生疲勞。在這類(lèi)技術(shù)中，通過(guò)傳感器獲取車(chē)輛在行駛過(guò)程中的各種參數(shù)，根據(jù)車(chē)輛行駛過(guò)程中的異常情況，如車(chē)輛是否超過(guò)道路標(biāo)志線、速度是否超速、車(chē)輛之間的距離是否太近等，判斷駕駛員是否有疲勞產(chǎn)生。1.2.2疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，疲勞檢測(cè)研究有了很大的進(jìn)展，許多國(guó)家都展開(kāi)了疲勞駕駛檢測(cè)車(chē)載裝置的開(kāi)發(fā)工作，并且都取得了一定的成績(jī)，現(xiàn)有的研究成果中具有代表性成果有：①美國(guó)ElectrocSafetyProducts公司開(kāi)發(fā)的方向盤(pán)監(jiān)視裝置S.A.M(steringattentionmonitor該裝置主要來(lái)監(jiān)控方向盤(pán)的運(yùn)動(dòng)情況，若檢測(cè)到方向盤(pán)持續(xù)4s不運(yùn)動(dòng)，該裝置就發(fā)出報(bào)警，直到方向盤(pán)恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)。②美國(guó)研制的打瞌睡駕駛員偵探系統(tǒng)DDDS(TheDrowsyDriverDetectionsystem。采用多普勒雷達(dá)和復(fù)雜的信號(hào)處理方法，可獲取駕駛員煩躁不安的情緒活動(dòng)，眨眼頻率和持續(xù)時(shí)間等疲勞數(shù)據(jù)，用以判斷駕駛員是否打瞌睡或睡著。③頭部位置傳感器(HeadPositionSensor。由ASCI(AdvancedSafetyConcepts，Inc研制開(kāi)發(fā)的用于計(jì)算駕駛員頭部位置的傳感器，通過(guò)頭部位置的變化規(guī)律判定司機(jī)是否瞌睡。④DAS2000型路面警告系統(tǒng)(TheDAS2000RoadAlertSystem。由美國(guó)EllisonResearchLabs實(shí)驗(yàn)室研制，一種設(shè)置在高速公路上用計(jì)算機(jī)控制的紅外線檢測(cè)裝置，當(dāng)行駛車(chē)輛擺過(guò)道路中線或路肩時(shí)，向駕駛員發(fā)出警告。⑤卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制的Copilot系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要依據(jù)PERCLOS法來(lái)判斷駕駛員的睜眼和閉眼狀態(tài)進(jìn)而確定其是否疲勞。PERCLOS(PercentageofEyelidClosureOverthePupilOverTime是指眼睛閉合的時(shí)間占某特定時(shí)間的百分比，有P70、P80和EM三種判定標(biāo)準(zhǔn)，分別表示瞳孔被眼瞼縱向遮住的時(shí)間比率為70％、遮住時(shí)間比率為80％毗及眼瞼均方閉合率。國(guó)內(nèi)在防疲勞駕駛系統(tǒng)方面的研究起步較晚，雖然在近幾年發(fā)展較快，但是和國(guó)外相比差距比較明顯。有代表性的研究如下：①中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄭培，宋正河等研究了基于PERCLOS的疲勞識(shí)別算法，他們應(yīng)用人臉皮膚色彩的高斯模型、灰度直方圖、模式匹配等定位和追蹤眼睛開(kāi)、閉的過(guò)程，計(jì)算出眼睛閉合時(shí)間，利用統(tǒng)計(jì)方法給出了疲勞檢測(cè)的算法，成功地實(shí)現(xiàn)了駕駛員駕駛疲勞的實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)初步具備了實(shí)時(shí)、非接觸式檢測(cè)的特性。②石堅(jiān)、吳遠(yuǎn)鵬、卓斌等通過(guò)傳感器測(cè)量駕駛員駕駛時(shí)的方向盤(pán)、踏板等運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)判別駕駛員的安全因素，發(fā)現(xiàn)方向盤(pán)的操作情況與駕駛員的疲勞程度具有密切的關(guān)系，方向盤(pán)較長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)，說(shuō)明駕駛員在打瞌睡，但是該系統(tǒng)受駕駛員的駕駛習(xí)慣、路面狀況等外界因素影響較大，很難獲得確切的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)用性不高。③吉林大學(xué)的邸巍、王榮本構(gòu)建了采用紅外光源的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單紅外光源和圖像傳感器相結(jié)合，對(duì)采集到的圖像借助OtSu法獲得閾值進(jìn)行圖像分割實(shí)現(xiàn)二值化，然后對(duì)得到的二值化圖像進(jìn)行投影來(lái)得到人臉區(qū)域，最后利用Harris算子來(lái)定位駕駛員的瞳孔位置。綜上所述，到目前為止，機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員駕駛疲勞測(cè)評(píng)技術(shù)還未達(dá)到成熟的地步，實(shí)用的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)尚未推出?，F(xiàn)有的一些疲勞監(jiān)控產(chǎn)品多因?yàn)閷?shí)時(shí)性差、成本高、接觸性等原因，難以真正運(yùn)用到實(shí)際生活中。所以，從車(chē)載、實(shí)時(shí)、非接觸、成本低等方面考慮研究出實(shí)用疲勞檢測(cè)系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外共同追求的目標(biāo)。研究如何利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和PERCLOS疲勞檢測(cè)方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出實(shí)用性高、成本低、體積小、對(duì)駕駛員無(wú)干擾、可靠性強(qiáng)的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)是目前研究的熱點(diǎn)。1.3本課題研究方向綜合以上的疲勞檢測(cè)方法及系統(tǒng)，考慮到腦電圖（EEG）信號(hào)檢測(cè)一直被譽(yù)為監(jiān)測(cè)疲勞的“金標(biāo)準(zhǔn)”，而在使用EEG檢測(cè)疲勞時(shí)，由于波段能夠反映疲勞情況，波譜的提取以及分類(lèi)情況對(duì)識(shí)別效果有很大影響，目前的研究集中在對(duì)波段數(shù)據(jù)的特征提取以及分類(lèi)上。故而本論文主要研究的便是基于腦電波的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)，本文的研究的主要內(nèi)容如下:(1腦電波采集前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)，包括利用MULTISIM仿真軟件對(duì)調(diào)理電路的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真，驗(yàn)證信號(hào)經(jīng)過(guò)電路調(diào)理后能否得到相應(yīng)的結(jié)果，并依據(jù)設(shè)計(jì)好的電路利用PROTEL軟件畫(huà)出PCB板子。(2基于嵌入式開(kāi)發(fā)板EasyCortexM3-1752的腦電波信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)串口通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)保存。(3對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性。(4對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和評(píng)價(jià)。第二章疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1腦電波采集基本知識(shí)人身上都有磁場(chǎng)，但人思考的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，形成一種生物電流通過(guò)磁場(chǎng)，而形成的東西，我就把它定位為“腦電波”。腦電是一種微弱的生物電信號(hào)，是腦神經(jīng)細(xì)胞傳導(dǎo)信息時(shí)在大腦皮層或頭皮表面電活動(dòng)的總體反映。腦電信號(hào)一般是通過(guò)放置在頭皮的電極來(lái)獲取，然后通過(guò)電極導(dǎo)聯(lián)耦合到差動(dòng)放大器的輸入端進(jìn)行放大，最后由腦電記錄設(shè)備記錄其波形以便對(duì)腦電信號(hào)做進(jìn)一步的分析處理。2.1.1有關(guān)腦電的基本知識(shí)人體也同樣廣泛地存在著生物電現(xiàn)象，因?yàn)槿梭w的各個(gè)組織器官都是由細(xì)胞組成的。對(duì)腦來(lái)說(shuō)，腦細(xì)胞就是腦內(nèi)一個(gè)個(gè)“微小的發(fā)電站”。我們的腦無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生腦電波。早在1857年，英國(guó)的一位青年生理科學(xué)工作者卡通（R.Caton）在兔腦和猴腦上記錄到了腦電活動(dòng)，并發(fā)表了“腦灰質(zhì)電現(xiàn)象的研究”論文，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起重視。十五年后，貝克（A.Beck）再一次發(fā)表腦電波的論文，才掀起研究腦電現(xiàn)象的熱潮，直至1924年德國(guó)的精神病學(xué)家貝格爾（H.Berger）才真正地記錄到了人腦的腦電波，從此誕生了人的腦電圖。腦電活動(dòng)可以分為自發(fā)腦電(SpontaneousEEG和誘發(fā)腦電(EvokedPotential，EP，它們已成為腦電生理研究和臨床應(yīng)用的最主要的兩種手段。①自發(fā)腦電大腦皮層經(jīng)常具有持續(xù)的節(jié)律性變化，稱(chēng)為自發(fā)腦電活動(dòng)，其電位可以隨時(shí)間發(fā)生變化。在無(wú)刺激時(shí)，在不同部位，自發(fā)腦電活動(dòng)的頻率和振幅是不同的。如果把引導(dǎo)電極(雙極或單極放在頭皮表面，用電極將這種電位隨時(shí)間變化的波形提取出來(lái)并加以記錄，所記得的電位波形稱(chēng)為腦電圖(EEG；直接從皮層表面所記得的電位波形你為皮質(zhì)電圖（ECOG），它可以作為意識(shí)水平的真實(shí)反映的指標(biāo)。腦電圖和皮質(zhì)電圖都反映大腦皮質(zhì)的自發(fā)腦電活動(dòng)。從頭皮上所得到的腦電波的幅值，在正常的情況下信號(hào)范圍為l-100μV，一般在10-50V左右；而在暴露的大腦皮層表面所取得的電位則比此值大10-20倍，約1mV。它們的頻率范圍為O.5-100Hz。在大腦的不同葉上，波形性質(zhì)不同，并依賴(lài)于覺(jué)醒和睡眠的水平。在現(xiàn)代腦電圖學(xué)中，根據(jù)頻率和振幅的不同將腦電波分為α波、β波、δ波和θ波]1[：α波，頻率為每秒8-13次，平均數(shù)為10次左右，它是正常人腦電波的基本節(jié)律，如果沒(méi)有外加的刺激，其頻率是相當(dāng)恒定的。人在清醒、安靜并閉眼時(shí)該節(jié)律最為明顯，睜開(kāi)眼睛或接受其它刺激時(shí)，α波即刻消失。β波，頻率為每秒14-30次，當(dāng)精神緊張和情緒激動(dòng)或亢奮時(shí)出現(xiàn)此波，當(dāng)人從睡夢(mèng)中驚醒時(shí)，原來(lái)的慢波節(jié)律可立即被該節(jié)律所替代。δ波，頻率為每秒1-3次，當(dāng)人在嬰兒期或智力發(fā)育不成熟、成年人在極度疲勞和昏睡狀態(tài)下，可出現(xiàn)這種波段。θ波，頻率為每秒4-7次，成年人在意愿受到挫折和抑郁時(shí)以及精神病患者這種波極為顯著。但此波為少年（10-17歲）的腦電圖中的主要成分。②誘發(fā)腦電如果給機(jī)體以某種刺激，如光、聲、電和觸壓或直接刺激皮質(zhì)，也會(huì)導(dǎo)致腦電信號(hào)的改變，這是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在感受外在或內(nèi)在刺激過(guò)程中產(chǎn)生的生物電活動(dòng)，是代表中樞神經(jīng)系統(tǒng)在特定功能狀態(tài)下的生物電活動(dòng)的變化，稱(chēng)之為誘發(fā)腦電。誘發(fā)腦電分為特異性誘發(fā)電位和和非特異性誘發(fā)電位]2[，所謂非特異性誘發(fā)電位是指給予不同刺激時(shí)產(chǎn)生的相同的反應(yīng)，這是一種普通的和暫時(shí)的情況：而特異性誘發(fā)電位是指在給予刺激后經(jīng)過(guò)一定的潛伏期，在腦的特定區(qū)域出現(xiàn)的電位反應(yīng)，其特點(diǎn)是誘發(fā)電位與刺激信號(hào)之間有嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系。非特異性誘發(fā)電位幅度比較高，在腦電圖記錄中即可發(fā)現(xiàn)；特異性誘發(fā)電位較小(1-10μV，完全淹沒(méi)在自發(fā)腦電信號(hào)中。非特異性誘發(fā)電位沒(méi)有任何特定意義，故在臨床診斷中不具有診斷價(jià)值，因此在臨床上只進(jìn)行特異性誘發(fā)電位的檢查。2.1.2腦電圖導(dǎo)聯(lián)法人的大腦發(fā)出的微弱電信號(hào)必須通過(guò)電極來(lái)獲取，電極是實(shí)際上是一個(gè)換能裝置，它將在體內(nèi)靠離子傳導(dǎo)的電流轉(zhuǎn)換成在電極和導(dǎo)線內(nèi)靠電子傳導(dǎo)的電流，即離子電流轉(zhuǎn)換成電子電流。醫(yī)用電極的種類(lèi)很多，醫(yī)用習(xí)慣從置于體內(nèi)的角度來(lái)分類(lèi)，可有體表電極、皮下電極、體內(nèi)電極等，腦電的電活動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)到體表，因此多使用體表電極。腦電電極根據(jù)其應(yīng)用范圍有摯型銀管電極、粘連電極、針電極、銀絲蝶骨電極等，各類(lèi)電極均有其優(yōu)缺點(diǎn)，在本系統(tǒng)中采用銀管電極。世界上絕大多數(shù)腦電圖實(shí)驗(yàn)室采用的是國(guó)際10-20系統(tǒng)(the10-20internationalSystem電極放置法如圖2-1。圖2-110-20腦電圖導(dǎo)聯(lián)法腦電圖是頭皮上兩電極間電位差的波形圖，每一腦電導(dǎo)聯(lián)必有兩個(gè)電極。放在相對(duì)零電位點(diǎn)（一般取耳垂）的電極稱(chēng)為無(wú)關(guān)電極，或參考電極、不活動(dòng)電極、標(biāo)準(zhǔn)電極等，而放在非零電位點(diǎn)上的電極（即放在頭皮上的電極）稱(chēng)為活動(dòng)電極或作用電極。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)方法一般分為單極導(dǎo)聯(lián)法和雙極導(dǎo)聯(lián)法。單極導(dǎo)聯(lián)法是將活動(dòng)電極置于頭皮上，并通過(guò)導(dǎo)程選擇開(kāi)關(guān)接前置放大器的一個(gè)輸入端（G1），無(wú)關(guān)電極置于耳垂，并通過(guò)導(dǎo)程選擇開(kāi)關(guān)接前置放大器的另一個(gè)輸入端（G2），這樣產(chǎn)生于活動(dòng)電極的陰性電位變化將作為波形向上的陰性波形記錄下來(lái)。雙極導(dǎo)聯(lián)法不使用無(wú)關(guān)電極，只使用頭皮上的兩個(gè)活動(dòng)電極，記錄下的是兩電極部位腦電位變動(dòng)的差值，可大大減少干涉，排除無(wú)關(guān)電極引起的誤差。2.2疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求是：從頭皮采集到的微弱電信號(hào)經(jīng)放大濾波后滿足采集系統(tǒng)要求，送入采集電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理后，一路送顯示直接顯示采集的波形，一路送入計(jì)算機(jī)以便對(duì)采集的信號(hào)作進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)總體框圖如圖2-2所示：圖2-2系統(tǒng)總體框圖2.2.1放大及濾波電路方案（1）設(shè)計(jì)需要考慮的相關(guān)因素綜上所述知識(shí)，可知腦電信號(hào)是一種微弱的低頻生物電信號(hào)，在幅值上是微伏級(jí)。在進(jìn)行有效的處理、顯示或記錄之前，首先必須把信號(hào)放大到采集系統(tǒng)要求的幅值范圍內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮以下因素：①人身安全性前端調(diào)理電路在測(cè)量腦電信號(hào)時(shí)要求不能傷害人體、危及人身安全，其中頭皮上的的電極與放大濾波電路的前置放大級(jí)相連，為防止市電竄入電路，放大濾波這部分電路最好采用干電池供電。此外，信號(hào)處理及外圍電路與放大濾波電路不采用一套供電電路。②減少干擾信號(hào)由于腦電信號(hào)的幅值很小，測(cè)試環(huán)境不允許有很強(qiáng)的背景噪聲和干擾，這些噪聲和干擾很可能將腦電信號(hào)淹沒(méi)。如果不能對(duì)這些噪聲和干擾進(jìn)行很好的抑制和消除，在放大腦電信號(hào)的同時(shí)，噪聲也被放大，那么從放大器出來(lái)的信號(hào)幾乎是一片噪聲，尤其是工頻對(duì)信號(hào)影響很大。為了滿足采集電路的要求，設(shè)計(jì)電路時(shí)必須從以下三方面考慮：一是放大濾波電路采取干電池供電并將其接成浮地的形式。由于沒(méi)有市電接入電路，故可以極大地減少工頻對(duì)信號(hào)的影響；二是前置放大級(jí)要有很高的共模抑制比。信號(hào)放大系統(tǒng)對(duì)噪聲抑制的性能在很大的程度上都是由其前置級(jí)的信噪比決定的，如果前級(jí)噪聲沒(méi)有得到很好的抑制，在后級(jí)是很難實(shí)現(xiàn)有效抑制的，而且噪聲也會(huì)隨著系統(tǒng)放大而放大。在電路上一般采用共模抑制比很高的儀用放大器構(gòu)成的差動(dòng)放大電路來(lái)消除共模干擾。三是采用濾波陷波電路。腦電信號(hào)是一種低頻信號(hào)，范圍從0.1-100Hz，在此范圍以外的信號(hào)應(yīng)使其最大限度地衰減，所以在電路中應(yīng)采用帶通濾波器將其濾除；50Hz或60Hz的工頻信號(hào)則采用陷波器將其去除。③足夠的增益連接在腦皮上的電極采集到的腦電信號(hào)的幅值很低，一般為10μV到50μV]3[。而低壓采集芯片可以采集的雙極性信號(hào)的最大幅值范圍有±2.5V，±3.3V，±5V等幾種，或是上述范圍的正極性信號(hào)。所以對(duì)腦電信號(hào)放大大致需要10萬(wàn)倍，這在設(shè)計(jì)中是有很大難度的，目前的腦電圖機(jī)最大放大倍數(shù)也只為5萬(wàn)倍。但若考慮腦電信號(hào)最小值1μV能放大到毫伏級(jí)采集芯片即能正確采集的話，放大倍數(shù)可適當(dāng)降低。以8位采集芯片TLC5540為例，其最大幅值為5V，則其分辨率約20mV，也就是能將lμV的信號(hào)放大到20mV以上即可正確采集，總體電路放大需到2萬(wàn)倍以上，最高放大幅值2V以上。（2）設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)中由于需要放大的倍數(shù)比較大，所以在本設(shè)計(jì)中將放大電路分為三級(jí)分別為前置放大級(jí)、中間放大級(jí)和末級(jí)放大級(jí)，放大倍數(shù)分別為5l倍、100倍和4倍，其中末級(jí)放大倍數(shù)可調(diào)，這樣可以保證輸出的線性度。在前置放大電路和中間級(jí)放大電路之間設(shè)置了帶通濾波，帶通濾波由一個(gè)二階高通濾波器和兩個(gè)參數(shù)不同的四階低通濾波器組成。二階高通濾波電路主要是為了濾除高于100Hz以上的信號(hào)，而四階低通濾波電路主要是為了濾除低于1Hz的腦電信號(hào)。在中間級(jí)放大電路和末級(jí)放大電路之間加入了50Hz陷波電路，主要是為了濾除50Hz的市電信號(hào)。最后經(jīng)過(guò)末級(jí)放大電路的信號(hào)再由極性轉(zhuǎn)換后傳送到采集模塊進(jìn)行后續(xù)處理。放大濾波電路整體框圖如圖2-3。圖2-3放大濾波電路總體框圖在該系統(tǒng)中前置放大器可以使用運(yùn)放自己搭建儀用放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但一般所選運(yùn)放參數(shù)不太一致，構(gòu)成的電路對(duì)稱(chēng)性較差，致使共模影響較大，故建議采用專(zhuān)用儀用放大芯片，其輸入阻抗高、共模抑制比高，如BB公司的INAll8/121/128/129。電路的放大、濾波和陷波可以通過(guò)運(yùn)放構(gòu)成，應(yīng)盡量選用溫飄小、共模抑制比高的運(yùn)放芯片，本系統(tǒng)中采用的是LMC6484。目前市面上也有濾波器和陷波器的成品，一類(lèi)是可編程濾波放大器或信號(hào)調(diào)理放大器，濾波器類(lèi)型可更改，其濾波階數(shù)可達(dá)八階，增益和截止頻率均可調(diào)，如和成系統(tǒng)有限公司出品的16-1U可編程濾波放大器和Lattice公司的ispPAC系列；另有一類(lèi)是通用濾波器，如BB公司的UAF42]4[，通過(guò)更改外圍電路的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)不同增益、截止頻率及類(lèi)型的濾波或陷波器。上述兩類(lèi)成品設(shè)計(jì)電路方便，穩(wěn)定性好，但價(jià)格昂貴，本設(shè)計(jì)采用運(yùn)放而不采用專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)，即使用成本較低的OP07芯片。2.2.2信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方案信號(hào)處理電路將前級(jí)電路送來(lái)的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號(hào)處理芯片做一定算法分析如濾波、陷波、信號(hào)分離等，經(jīng)處理的信號(hào)經(jīng)VGA顯示或LCD顯示，也可以將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口、并口或USB口等送入計(jì)算機(jī)保存，以便做進(jìn)一步的算法分析。具體框圖如圖2-4。圖2-4信號(hào)處理電路框圖（1）A/D轉(zhuǎn)換需要考慮的因素A/D轉(zhuǎn)換器的選擇必須考慮來(lái)自前端調(diào)理電路的信號(hào)特點(diǎn)：一是信號(hào)幅值應(yīng)落在A/D轉(zhuǎn)換器的幅值范圍之內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換器有單極型和雙極型兩種，單極型的芯片會(huì)使得雙極性信號(hào)產(chǎn)生削波失真。腦電信號(hào)屬于正極性信號(hào)，但經(jīng)過(guò)陷波電路后，由于陷波電路的負(fù)反饋?zhàn)饔每赡苡胸?fù)極性信號(hào)出現(xiàn)，所以在電路中設(shè)置極性轉(zhuǎn)換電路將其變?yōu)檎龢O性信號(hào)，以適合某些僅支持單極性的采集芯片。此外所選A/D轉(zhuǎn)換器的幅值范圍應(yīng)盡量接近信號(hào)平均幅值，這樣同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器采集的信號(hào)精度更高。二是轉(zhuǎn)換器的采樣速率盡量高一些。這樣可以真實(shí)的反映波形的細(xì)節(jié)。轉(zhuǎn)換速率可分為超高速、次高速、高速和低速等幾種類(lèi)型，從幾赫茲到幾個(gè)G赫茲，但并不是越高越好，工程上一般取信號(hào)頻率的8-10倍為最佳，采樣速率太高重復(fù)數(shù)據(jù)太多，太低就會(huì)忽略波形上的一些細(xì)節(jié)。對(duì)于不超過(guò)100Hz的腦電信號(hào)而言，1K以上采樣速率就可滿足要求。三是轉(zhuǎn)換器精度盡可能要高。采集芯片的轉(zhuǎn)換精度從8位到32位，在設(shè)計(jì)允許的情況下盡量選擇分辨率高的芯片，這樣對(duì)信號(hào)的細(xì)微變化也能準(zhǔn)確反映。（2）信號(hào)處理芯片的選擇在設(shè)計(jì)信號(hào)處理應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，芯片選型是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了適合工程的芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。像上圖中的A/D轉(zhuǎn)換、顯示接口和與計(jì)算機(jī)通信的接口，都要隨不同的硬件而作確定。根據(jù)上述的介紹與分析，本課題選用運(yùn)算能力比較強(qiáng)、擴(kuò)展功能豐富的ARM處理器。ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來(lái)配置生產(chǎn)。其主要特點(diǎn)如下：①自帶廉價(jià)的程序存儲(chǔ)器（FLASH）和非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（EEPROM）。這些存儲(chǔ)器可多次電擦寫(xiě)，使程序開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)更加方便，工作更可靠。②高速度，低功耗。在和M51單片機(jī)外接相同晶振條件下，AVR單片機(jī)的工作速度是M51單片機(jī)的30-40倍；并且增加了休眠功能及CMOS技術(shù)，使其功耗遠(yuǎn)低于M51單片機(jī)。③工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。具有大電流輸出可直接驅(qū)動(dòng)SSR和繼電器，有看門(mén)狗定時(shí)器，防止程序走飛，從而提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。④超功能精簡(jiǎn)指令，具有32個(gè)通用工作寄存器，相當(dāng)于M51單片機(jī)中32個(gè)累加器，從而克服了單一累加器工作的瓶頸效應(yīng)。⑤程序下載方便。AVR單片機(jī)即可并行下載也可串行下載，無(wú)需昂貴的編程器。此外，還可以在線下載！也就是說(shuō)可以直接在電路板上進(jìn)行程序修改和燒錄。⑥具有模擬比較器、脈寬調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。使得工業(yè)控制中的模擬信號(hào)處理更為簡(jiǎn)單方便。⑦并行口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等單片機(jī)內(nèi)部重要資源的功能進(jìn)行了大幅度提升，使之更適合工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。⑧其時(shí)鐘頻率既可外接也可使用單片機(jī)內(nèi)部自帶的振蕩器，其頻率可在1MHz-8MHz內(nèi)設(shè)置，使得硬件開(kāi)發(fā)制作更為簡(jiǎn)潔。⑨強(qiáng)大的通訊功能，內(nèi)置了同步串行接口SPI、通用串行接口UAST、兩線串行總線接口TWI(I2C，使網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)傳送更為方便。⑩超級(jí)保密功能，應(yīng)用程序可采用多重保護(hù)鎖功能。可低價(jià)快速完成廠家產(chǎn)品商品化等等。除上述特點(diǎn)外“零外設(shè)”也是AVR嵌入式單片機(jī)的重要特征。由于該芯片已內(nèi)置了程序存儲(chǔ)器、晶振并增加了在線匯編功能。所以AVR單片機(jī)芯片接上直流電源，下載個(gè)程序就可以獨(dú)立工作。無(wú)需附加外部設(shè)備，無(wú)需使用昂貴的編程器和仿真裝置。這給我們學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了便利條件。由于ARMCortex-M3處理器是一個(gè)面向低成本，小管腳數(shù)目及低功耗應(yīng)用，并且具有極高運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力的處理器內(nèi)核。而且ARMCortex-M3處理器采用了純Thumb-2指令的執(zhí)行方式，使得這個(gè)具有32位高性能的ARM內(nèi)核能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位處理器級(jí)數(shù)的代碼存儲(chǔ)密度。在增強(qiáng)代碼密度的同時(shí)，該處理器內(nèi)核是ARM所設(shè)計(jì)的內(nèi)核中最小的一個(gè)，其核心的門(mén)數(shù)只有33K，在包含了必要的外設(shè)之后的門(mén)數(shù)也只有60K。這使它的封裝更為小型，成本更加低廉。在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，它還提供性能優(yōu)異的中斷能力，通過(guò)其獨(dú)特的寄存器管理并以硬件處理各種異常和中斷的方式，最大程度的提高了中斷響應(yīng)和中斷切換的速度。綜合以上所述，本課題選用的是EasyCortexM3-1752開(kāi)發(fā)板作為信號(hào)處理模塊。第三章硬件電路設(shè)計(jì)腦電信號(hào)的處理包括將腦電電極獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行前置放大、濾波、中間級(jí)和末級(jí)放大，還包括為把信號(hào)傳輸給ADC所做的極性變換。本章節(jié)將敘述硬件電路的整體設(shè)計(jì)，下面分別介紹前端調(diào)理電路的各個(gè)部分。3.1放大電路設(shè)計(jì)其包含前置放大級(jí)、中間放大級(jí)和末級(jí)放大級(jí)，電路整體放大按照放大兩萬(wàn)倍設(shè)計(jì)，三級(jí)的放大倍數(shù)分別為51、101、4，以10-100μV的腦電信號(hào)算，放大幅值從二百多毫伏到兩伏多，完全可以滿足AD芯片的采集要求。3.1.1前置放大電路3.1.1.1腦電信號(hào)的特點(diǎn)腦電信號(hào)的微弱性導(dǎo)致了它非常容易地會(huì)被淹沒(méi)在大量的干擾與噪聲里面(mV數(shù)量級(jí)，設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)良的放大器是獲取腦電信號(hào)最關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。所以腦電信號(hào)在這樣的多級(jí)放大電路中，前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系著整個(gè)腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，必須充分重視。腦電信號(hào)的幅值范圍為10μV到100μV，由于信號(hào)太微弱比標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)微弱的多，共模干擾對(duì)腦電信號(hào)的檢測(cè)將會(huì)造成更嚴(yán)重的影響，因此腦電放大電路需要具有更高的共模抑制比，一般應(yīng)在120dB以上。其次，腦電電極比心電電極小得多，所以它具有較強(qiáng)的信號(hào)源阻抗，要求在前置級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)具有更高的輸入阻抗，其值至少應(yīng)大于10MΩ。前置放大電路通常采用差動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，為最大限度地提高輸入阻抗及共模抑制比，目前生物電放大器前置級(jí)電路普遍采用的是由O'Brien提出的非常經(jīng)典的同相并聯(lián)結(jié)構(gòu)的前置級(jí)放大電路。這種結(jié)構(gòu)的電路由3個(gè)基本運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中2個(gè)組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，以提高放大器的輸入阻抗，另一個(gè)為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)，其共模抑制比取決于第一級(jí)放大電路中2個(gè)運(yùn)放共模抑制比的對(duì)稱(chēng)程度、差動(dòng)放大器的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度等。早期生物電信號(hào)尤其是腦電信號(hào)的采集往往因?yàn)槠骷囊蛩囟鵁o(wú)法取得很好的效果]5[。3.1.1.2芯片介紹設(shè)計(jì)采用BB公司的INAl21P作為前置放大器。INAl21P的內(nèi)部電路和封裝圖如圖3-l和圖3-2所示。圖3-1INA121P內(nèi)部電路圖圖3-2INA121P封裝圖INAl21封裝形式有8腳雙列直插式和8腳貼片式兩種。對(duì)于實(shí)驗(yàn)和教學(xué)來(lái)說(shuō)一般采用前種封裝形式。INAl21的8個(gè)引腳功能分別為：1腳和8腳之間接電阻GR，該電阻用來(lái)設(shè)置電路的增益，電路增益由公式(3—1計(jì)算得到：G1R50KΩ1G+=（3-1）電路增益設(shè)置范圍可以從l到10000，即外接不同的GR可以設(shè)置不同的電路增益，因此在實(shí)際電路中可以根據(jù)需要外接相應(yīng)的GR。GR的特性對(duì)增益有一定的影響，如GR值的不精確，將導(dǎo)致增益的不精確，GR的穩(wěn)定性和溫度特性將直接反映增益的穩(wěn)定性和溫度特。芯片的2腳和3腳為放大器的輸入端，可以對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，有高通和低通濾波接法。4腳和7腳為電源輸入端，7腳為電源正極，4腳為電源負(fù)極。INAl21采用雙電源供電，具有很寬的供電電壓范圍：±2.25V到±18V，設(shè)計(jì)使用典型的±5V供電。5腳為輸出參考端，一般5腳接地，該引腳不能浮空不接。6腳為輸出引腳。而且由于INA121其CMR最高可以達(dá)到106dB，故綜上所述本設(shè)計(jì)前置放大電路采用的芯片為INA121。3.1.1.3硬件電路由INA121構(gòu)成的腦電信號(hào)前置放大電路如圖3-3，圖中Vin+和Vin-直接接腦電電極，地端連接耳垂，具體接法參照第二章的10-20系統(tǒng)腦電圖導(dǎo)聯(lián)法。圖3-3前置放大電路3.1.2中間級(jí)和末級(jí)放大電路中間和未級(jí)放大均采用由運(yùn)放構(gòu)成的同相放大電路，只是末級(jí)放大增益可調(diào)。本設(shè)計(jì)使用2片LMC6484運(yùn)放芯片，每片內(nèi)部包含4個(gè)運(yùn)放，除兩級(jí)放大使用2個(gè)運(yùn)放外，其余運(yùn)放用于濾波和陷波電路。LMC6484是一種醫(yī)用小信號(hào)放大器，其共模抑制比可達(dá)69dB，溫飄小，實(shí)際設(shè)計(jì)也可以使用溫飄和穩(wěn)定性好的μA741來(lái)代替。對(duì)于中間級(jí)放大器電路如圖3-4，4R取lKΩ，5R取100KΩ，由同相比例放大增益公式可求得中間級(jí)增益，如公式3-2。圖3-4LMC6484構(gòu)成中間級(jí)放大電路1011KΩ100KΩ1RR1G232=+=+=（3-2）末級(jí)放大器2R取lKΩ，2R使用可變電阻，其最大阻值為3KΩ，增益計(jì)算如公式(3-3：圖3-5LMC6484構(gòu)成末級(jí)放大電路41KΩ3KΩ1RR1G453=+=+=（3-3）所以本系統(tǒng)中三級(jí)放大電路總的增益為：20604410151321=??=??=GGGG（3-4）放大電路采用三級(jí)放大形式的優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)逐級(jí)放大，不集中在某一級(jí)。但一般前級(jí)放大倍數(shù)不宜太大，因?yàn)樾盘?hào)和噪聲同時(shí)經(jīng)過(guò)這一級(jí)，如果放大倍數(shù)過(guò)大，則噪聲也被同樣放大，如果噪聲幅度過(guò)大，則不利于后級(jí)處理，即后級(jí)難以有效去除噪聲。中間級(jí)是主要放大級(jí)，進(jìn)入這一級(jí)的信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)處理，噪聲已得到有效濾除，一般該級(jí)的放大倍數(shù)較大，末級(jí)是對(duì)前面放大的補(bǔ)充。其放大倍數(shù)可根據(jù)后級(jí)電路作適當(dāng)調(diào)整。3.2濾波電路設(shè)計(jì)濾波器是一種使有用信號(hào)通過(guò)，同時(shí)抑制無(wú)用頻率成分的電路。濾波器的基本功能為：讓特定頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，而阻止其它頻率信號(hào)通過(guò)。也就是對(duì)其它頻率信號(hào)具有衰減作用。而上述提到，腦電信號(hào)的范圍為0.1-100Hz，由電極獲取的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器的放大，信號(hào)的幅度將變大，但這些信號(hào)中仍含有腦電信號(hào)范圍外的噪聲和干擾，我們必須從這些信號(hào)中提取我們需要的有用信號(hào)，去除噪聲和干擾。設(shè)計(jì)中使用低通濾波器濾除100Hz以上的信號(hào)，用高通濾波器濾除0.1Hz以下的信號(hào)。3.2.1低通濾波器本設(shè)計(jì)采用四階低通濾波器濾除高于100Hz的噪聲信號(hào)。而四階低通濾波器可以由兩個(gè)二階低通濾波器通過(guò)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。而本設(shè)計(jì)中的二階低通濾波器采用壓控電壓源電路方式，其原理圖如圖3-5。圖3-6二階低通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)取電路增益為1，主要是考慮到電路中己有放大電路，濾波電路可以不必再放大信號(hào)，使分析相對(duì)簡(jiǎn)單。該二階低通濾波器的傳輸函數(shù)為：2121121122121CCRR1SCR1CR1(SCCR1/RH(s+++=（3-5）增益：1Av=（3-6）自由震蕩角頻率：21212nCCRR1ω=（3-7）阻尼系數(shù)：n1211/ωCR1CR1(ε+=（3-8）等效品質(zhì)因數(shù)ω1Q=（3-9）若RRR21==，CCC==21，則有：傳輸函數(shù)：222CRSRC2S1H(s++=（3-10）自由震蕩角頻率：RC1ωn=阻尼系數(shù)：2ε=，等效品質(zhì)因數(shù)：21Q=令jωS=代入傳輸函數(shù)3-5，經(jīng)整理得到：(1ωjεω(1jωHn2n++=（3-11）其幅頻函數(shù)為：(??????+-=2n222nωω(ε]ωω(1|jωH|（3-12）求其截止頻率即(21|jωH|=時(shí)的ω，即21ωω(ε]ωω([112n222n=??????+-（3-13）當(dāng)2ε=時(shí)推得：nnncωωωεεω64.012242((2(222≈-=+-+-=（3-14）根據(jù)以上各公式并結(jié)合所要設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)就可以確定電路中各元件的參數(shù)。將兩個(gè)二階低通濾波級(jí)聯(lián)后得到的四階低通濾波電路即本設(shè)計(jì)采用的電路圖如圖3-7。圖3-7四階低通濾波器（1）第一級(jí)二階低通濾波器39KΩRR21==，0.01uFC0.047uF,C21==2nn22nωSεωSωH(s++=得22621212n/srad101.40CCRR1ω?==0.92CC2CCRR1/CR1CR1(ε1221211211≈=+=等效品質(zhì)因數(shù)：1.09ε1Q==代入截止頻率cω的計(jì)算式rad/s101.551.31ωω242(εε(2ω3nn222c?==+-+-=246.3Hz/2πωfcc==（2）第二級(jí)二階低通濾波器75kΩRR21==，0.01uFCC21==同理得/srad100.013RC1ω5n?==阻尼系數(shù)：2ε=等效品質(zhì)因數(shù)：0.5ε1Q==代入截止頻率cω的計(jì)算式832rad/s0.64ωω12ω242(εε(2ωnnn222c=≈-=+-+-=132.5Hz/2πωfcc==本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)二階低通濾波器的截至頻率不同，采用一高一低，這樣可以使其下降沿變的更陡峭一點(diǎn)，性能更好。3.2.2高通濾波器二階高通濾波器與二階低通濾波器一樣，也采用壓控電壓源的電路形式。由于高通濾波器與低通濾波器具有對(duì)偶性，因此只要將低通濾波器電路中的電阻和電容互換位置就可以了。本設(shè)計(jì)的二階高通濾波器電路如圖3-8。圖3-8二階高通濾波器同理二階高通濾波器截止頻率：nn222nc1.6ω12ω242((εε(2ωω≈-=+-+-=（3-15）160kΩR1=，330kΩR2=，4.7uFCC21==2nn22ωSεωSSH(s++=得2221212n/s0.86radCCRR1ω==1.38RR2CCRR1/CR1CR1(ε2121212212≈=+=等效品質(zhì)因數(shù)：0.72ε1Q==代入截止頻率cω的計(jì)算式0.92rad/s1.01ω242(εε(2ωωn222nc≈=+-+-=0.15Hz/2πωfcc==即二階高通濾波器的截止頻率為0.15Hz。3.3陷波電路直流電源一般都由頻率為50Hz或60Hz的市電通過(guò)一定措施變換得到，變換后的電源仍具有一定的紋波電壓，這種紋波會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定干擾，一般在電路上加入電源濾波網(wǎng)絡(luò)予以濾除。但工頻信號(hào)有時(shí)會(huì)串入電路會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定干擾，尤其是腦電信號(hào)很微弱，工頻對(duì)其干擾尤為嚴(yán)重，因此有些電路必須加入陷波電路將工頻濾除。我國(guó)市電頻率為50Hz，電路中50Hz及其諧波對(duì)其信號(hào)干擾非常嚴(yán)重。圖3-950Hz陷波電路本設(shè)計(jì)中的50Hz陷波電路是由電阻和電容構(gòu)成T形網(wǎng)絡(luò)，原理圖如上圖3-9其中R2RRR321===,CC21CC321===，其傳輸函數(shù)為：KSCG4(1CSGCSGH(s222222-+++=（3-16）其中R1G=，212RRRK+=令jωS=得：(o2o22o2Kωj4(1ωωωωjωHω----=（3-17）式中RCCGωo1==RCfoπ21=當(dāng)oωω=時(shí)，(0jωH=，當(dāng)oωω<<和oωω>>是增益接近1，令21|H|=求得hf和if為：]1(21(4[2KKffoh-+-+=（3-18）]1(21(4[2KKffoi---+=（3-19）阻帶帶寬：oihfKffBW1(4-=-=（3-20）品質(zhì)因數(shù)：1(41KfffQiho-=-=（3-21）50Hz陷波電路的典型元件參數(shù)為：Ω===KCfRuFCo8.3121,1.0π。仿真結(jié)果如圖3-10。圖3-1050Hz陷波電路仿真結(jié)果3.4極性轉(zhuǎn)換電路前面提到，由于陷波器的反饋?zhàn)饔茫敵鲂盘?hào)信號(hào)中可能有負(fù)極性信號(hào)出現(xiàn)。為了保證只能采集正極性信號(hào)的AD不產(chǎn)生削波失真，最好在信號(hào)輸入前加入一個(gè)極性轉(zhuǎn)換電路，將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)。實(shí)現(xiàn)極性轉(zhuǎn)換的基本方法是在雙極性信號(hào)上疊加某個(gè)直流電壓實(shí)現(xiàn)，一般采用如下圖電路即可實(shí)現(xiàn)這樣的極性轉(zhuǎn)換效果，電路圖如圖3-11即仿真結(jié)果如圖3-12。圖3-11極性轉(zhuǎn)換電路圖3-12極性轉(zhuǎn)換電路仿真結(jié)果圖電路中，電位器2R用來(lái)調(diào)節(jié)輸出疊加的直流電壓。1R，1C構(gòu)成充放電電路。電路工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：當(dāng)0=inV時(shí)，二極管1D導(dǎo)通，運(yùn)放構(gòu)成同相跟隨器，refooutVVV==1；當(dāng)輸入信號(hào)wtVVminsin=加到運(yùn)放反相端，在inV負(fù)半周期間，1D仍導(dǎo)通，inV與1oV相加后經(jīng)過(guò)1D給電容1C充電，這時(shí)電容1C上的電壓cV的極性為左負(fù)右正，1C兩端電壓的最大值為：mrefcVVV+=max（3-22）此時(shí)輸出為：wtVVVmcoutsinmax+=（3-23）當(dāng)在inV正半周期間，二極管1D因反偏而截止，此時(shí)輸出仍為：wtVVVmcoutsinmax+=這樣：wtVVVVmmrefoutsin++=（3-24）由式(3-24可見(jiàn)輸出電壓整體上移mrefVV+，轉(zhuǎn)換示意如圖3-13所示：圖3-13極性轉(zhuǎn)換示意圖為了后級(jí)數(shù)據(jù)處理方便，設(shè)計(jì)時(shí)使refV盡可能為零，這樣后級(jí)A/D電路所量化的值即為信號(hào)的峰-峰值。此外，由于工作頻率很低，因此電路中的電阻1R和電容1C都盡量的大，使電路的充放時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)的周期才能保證信號(hào)的正常轉(zhuǎn)換。第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理本章介紹基于EasyCortexM3-1752的腦電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理處理，Cortex系列是基于ARMv7的最新ARM微處理器，目前Cortex家族處理器包括A系列的Cortex-A8（應(yīng)用處理器）、R系列的Cortex-R4（實(shí)時(shí)處理器）和M系列的Cortex-M3（微處理器），而本設(shè)計(jì)將采用Cortex-M3對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理。4.1ARMCortex-M3介紹ARMCortex-M3處理器是一個(gè)面向低成本，小管教數(shù)目及低功耗應(yīng)用，并且具有極高運(yùn)算能力和中斷能力的處理器內(nèi)核。其問(wèn)世于2006年，第一個(gè)推向市場(chǎng)的是美國(guó)LuminaryMicro半導(dǎo)體公司的LM3S系列ARM。目前，NXP、ST、ATMEL和TOSIBA等多知名半導(dǎo)體廠商也相繼推出多款基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微處理器。ARMCortex-M3處理器采用了純Thumb-2指令的執(zhí)行方式，使得這個(gè)具有32位高性能的ARM內(nèi)核能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位處理器級(jí)數(shù)的代碼存儲(chǔ)密度。在增強(qiáng)代碼密度的同時(shí)，該處理器內(nèi)核是ARM所設(shè)計(jì)的內(nèi)核中最小的一個(gè)，其核心的門(mén)數(shù)只有33K，在包含了必要的外設(shè)之后的門(mén)數(shù)也只有60K。這使它的封裝更為小型，成本更加低廉。在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，它還提供性能優(yōu)異的中斷能力，通過(guò)其獨(dú)特的寄存器管理并以硬件處理各種異常和中斷的方式，最大程度的提高了中斷響應(yīng)和中斷切換的速度。與相近價(jià)位的ARM7核相比，Cortex-M3采用了先進(jìn)的ARMv7架構(gòu)，具有帶分支預(yù)測(cè)功能的3級(jí)流水線，先進(jìn)的中斷處理能力，其中斷延遲最大只需12個(gè)周期，帶睡眠模式，8段MPU，同時(shí)具有1.25MIPS/MHz的處理速度，而且其功耗僅為0.19mW/MHz。4.1.1Cortex-M3結(jié)構(gòu)概述ARMCortex-M3包含三條AHB-Lite總線，一條系統(tǒng)總線以及I-code和D-code總線，后二者的速率較快，且在TCM接口的用法類(lèi)似：一條總線專(zhuān)用于指令取指（I-code），另一條總線用于數(shù)據(jù)訪問(wèn)（D-code）。這二條內(nèi)核總線的用法允許同時(shí)執(zhí)行操作，即使同時(shí)要對(duì)不同的設(shè)備目標(biāo)進(jìn)行操作。LPC1700系列Cortex-M3微控制器使用多層AHB矩陣來(lái)連接上Cortex-M3總線，并以靈活的方式將其它總線主機(jī)連接到外設(shè)，允許矩陣的不同從機(jī)端口上的外設(shè)可以同時(shí)被不同的總線主機(jī)訪問(wèn)，從而能獲取到最優(yōu)化的性能。APB外設(shè)使用多層AHB矩陣的獨(dú)立從機(jī)端口通過(guò)兩條APB總線連接到CPU。這減少了CPU和DMA控制器之間的爭(zhēng)用，可實(shí)現(xiàn)更好的性能。APB總線橋配置為緩沖區(qū)寫(xiě)操作，使得CPU或DMA控制器無(wú)需等待APB寫(xiě)操作結(jié)束。4.1.2LPC1700系列微控制器LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。ARMCortex-M3是下一代新生內(nèi)核，它可提供系統(tǒng)增強(qiáng)型特性，例如現(xiàn)代化調(diào)試特性和支持更高級(jí)別的塊集成。其操作頻率可達(dá)100MHz。ARMCortex-M3CPU具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線。ARMCortex-M3CPU還包含一個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外設(shè)組件包含高達(dá)512KB的Flash存儲(chǔ)器、64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)MAC、USB主機(jī)/從機(jī)/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個(gè)UART、2條CAN通道、2個(gè)SSP控制器、SPI接口、3個(gè)I2C接口、2個(gè)輸入和2個(gè)輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、正交編碼器接口、4個(gè)通用定時(shí)器、6個(gè)輸出的通用PWM、帶獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC和多達(dá)70個(gè)的通用I/O管腳。本設(shè)計(jì)中采用的是LPC1752微控制器的EasyCortex-M3開(kāi)發(fā)板。LPC1752的封裝原理圖如圖4-1。圖4-1LPC1752封裝原理圖4.1.3片上Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)LPC1700系列Cortex-M3微控制器含有512KB的片上Flash存儲(chǔ)器。一個(gè)新的2個(gè)端口Flash存儲(chǔ)器加速器通過(guò)兩條快速AHB-Lite總線將其使用性能擴(kuò)至極限。該存儲(chǔ)器可用于存放代碼和數(shù)據(jù)。對(duì)Flash存儲(chǔ)器的編寫(xiě)有若干種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。它可通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行在系統(tǒng)編程。應(yīng)用程序也可以在運(yùn)行時(shí)對(duì)Flash進(jìn)行擦除或編程，從而為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)域固件升級(jí)等操作帶來(lái)了極大的靈活性。4.1.4片上靜態(tài)RAMLPC1700系列Cortex-M3微控制器包含共計(jì)為64KB的片上靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器。這包括主32KBSRAM（CPU和高速總線上的3個(gè)DMA控制器均可對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)）以及另外兩個(gè)各為16KB的、位于AHB多層矩陣獨(dú)立從機(jī)端口的SRAM模塊。這種結(jié)構(gòu)允許各自執(zhí)行CPU和DMA訪問(wèn)操作，從而對(duì)總線主機(jī)的延遲變少或無(wú)延遲。4.2基于Cortex-M3的模數(shù)轉(zhuǎn)換器本設(shè)計(jì)中，Cortex-M3開(kāi)發(fā)板將接收來(lái)自經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的處理后的腦電信號(hào)，接收到的信號(hào)幅值均為正這樣可以有利于A/D轉(zhuǎn)換。信號(hào)接入端為開(kāi)發(fā)板的AD0.2即P0.25口，此端口將接收到的信號(hào)送入處理器處理后再通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收和保存來(lái)自串口的信號(hào)。Cortex-M3開(kāi)發(fā)板上的A/D轉(zhuǎn)換器的基本時(shí)鐘由APB時(shí)鐘提供。A/D轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)可編程的分頻器，它可以將APB時(shí)鐘調(diào)整為主次逼近轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘（最大可達(dá)13MHz）。并且，完全滿足精度要求的轉(zhuǎn)換需要65個(gè)這樣的時(shí)鐘。4.2.1A/D轉(zhuǎn)換引腳描述開(kāi)發(fā)板上的AD0.0-AD0.7為8個(gè)模擬輸入端，因此A/D轉(zhuǎn)換器單元可測(cè)量8個(gè)輸入信號(hào)的電壓。這些模擬輸入是一直連接到引腳上的，通過(guò)引腳復(fù)用寄存器將它們?cè)O(shè)定為端口引腳。也可通過(guò)將這些引腳設(shè)置為端口輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單自檢。此外，盡管ADC功能所在引腳最大可承受5V電壓，但對(duì)ADC模塊而言，其模擬復(fù)用引腳所能承受的電壓并非如此。大于3.3V（VDDA）的電壓不能連接到被選擇用作ADC輸入的引腳上，否則讀取ADC會(huì)出錯(cuò)例如，AD0.0和AD0.1用作ADC0輸入引腳，引腳上的電壓分別為4.5V和2.5V，雖然AD0.1輸入引腳的電壓在正常范圍內(nèi)，但AD0.0引腳上過(guò)大的電壓仍然會(huì)導(dǎo)致AD0.1讀取錯(cuò)誤。VREF為參考電壓。該引腳為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓。VDDA，VSSA為模擬電源和地。它們分別與標(biāo)稱(chēng)為VDD（3V3）和VSS的電壓相同，但為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率，兩者應(yīng)當(dāng)隔離。A/D轉(zhuǎn)換器包含的寄存器見(jiàn)附錄B。4.2.2A/D基本操作一旦ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始，就不能被中斷。若前一個(gè)轉(zhuǎn)換未結(jié)束，軟件新寫(xiě)入就不能發(fā)起新的轉(zhuǎn)換，新的邊沿觸發(fā)事件也會(huì)被忽略。以下所述的寄存器均可參見(jiàn)附錄B。（1）硬件觸發(fā)的轉(zhuǎn)換如果ADCR的BURST位為0且START字段的值包含在010-111之內(nèi)，當(dāng)所選引腳上或定時(shí)器匹配的信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。也可選擇在4個(gè)匹配信號(hào)中任何一個(gè)的指定邊沿轉(zhuǎn)換，或者在2個(gè)捕獲/匹配引腳中任何一個(gè)的指定邊沿轉(zhuǎn)換。將所選端口的引腳狀態(tài)或所選的匹配信號(hào)與ADCR的位27異或來(lái)作為邊沿檢測(cè)邏輯。（2）中斷DONE標(biāo)志位為1時(shí)，中斷請(qǐng)求會(huì)被提交到NVIC。軟件通過(guò)NVIC中的A/D中斷使能位來(lái)控制是否產(chǎn)生中斷。當(dāng)ADDR被讀取時(shí)DONE標(biāo)志被否決。（3）精度和數(shù)字接收器必須通過(guò)寄存器PINSEL選擇AD轉(zhuǎn)換功能從而讀取監(jiān)控引腳的準(zhǔn)確電壓。對(duì)于ADC輸入引腳，不需要數(shù)字功能也可以讀取有效的ADC值。只要ADC硬件相關(guān)的引腳選定了數(shù)字功能，內(nèi)部電路就會(huì)與它斷開(kāi)。（4）DMA控制DMA傳輸請(qǐng)求產(chǎn)生于ADC中斷請(qǐng)求線。發(fā)起DMA傳輸?shù)那闆r與產(chǎn)生中斷的情況相同對(duì)于DMA傳輸，只支持突發(fā)傳輸請(qǐng)求。可將DMA通道控制寄存器中的突發(fā)大小設(shè)為1。若ADC通道個(gè)數(shù)不等于任意一個(gè)支持DMA的突發(fā)大?。捎玫腄MA突發(fā)大小有1、4和8），突發(fā)大小被設(shè)為1。DMA傳輸大小可決定DMA中斷產(chǎn)生的時(shí)間。傳輸大小可以設(shè)置成ADC轉(zhuǎn)換通道的個(gè)數(shù)。不相鄰的通道可通過(guò)DMA使用分散/聚集鏈表項(xiàng)來(lái)傳輸。4.3Cortex-M3與計(jì)算機(jī)的通信方式經(jīng)ARMCortex-M3處理的數(shù)據(jù)將送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，以便做進(jìn)一步的分析處理。ARM與計(jì)算機(jī)的通信可以有串口、并口、USB甚至網(wǎng)卡等多種方式，其中采用USB方式有傳輸速度快、占用資源少以及真正即插即用的優(yōu)點(diǎn)，但USB加微控制器的方式或USB單片機(jī)的方式都需要對(duì)USB協(xié)議有徹底的理解；網(wǎng)卡可以達(dá)到很高的傳輸速率，但需將操作系統(tǒng)嵌入Nios軟核，軟件的編寫(xiě)也需要對(duì)TCP/IP協(xié)議及硬件底層有深入的理解，難度較大；串并口雖然較USB和網(wǎng)卡傳輸方式來(lái)說(shuō)通信速率低，但是其價(jià)格低廉、電路簡(jiǎn)單，也能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，因此這里采用串口連接的方式。開(kāi)發(fā)板上的串口通訊連接原理如圖4-2。圖4-2串口通訊電路原理圖4.4開(kāi)發(fā)環(huán)境與軟件4.4.1程序開(kāi)發(fā)環(huán)境由于本系統(tǒng)是基于ARM環(huán)境的，所以程序設(shè)計(jì)及編譯的環(huán)境選用的是Keiluvision4軟件，軟件界面如圖4-3。圖4-3Keiluvision4軟件界面天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理在工程配置中目標(biāo)CPU中選擇LPC1752，如圖4-4。圖4-4選擇LPC1752目標(biāo)設(shè)備選項(xiàng)設(shè)置如圖4-5。圖4-5“目標(biāo)設(shè)備”選項(xiàng)設(shè)置其中時(shí)鐘頻率設(shè)置為12MHz，只讀存儲(chǔ)器中芯片內(nèi)部IROM1起始地址為0X0，長(zhǎng)度為0X10000?？勺x存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部IRAM1起始地址為0X010000000，長(zhǎng)度為0X4000。天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理鏈接選項(xiàng)設(shè)置如圖4-6。圖4-6“鏈接”選項(xiàng)設(shè)置輸出設(shè)置如圖4-7。圖4-7“輸出”設(shè)置4.4.2程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中程序設(shè)計(jì)，主要是編寫(xiě)采集腦到的電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，其中串口通信波特率設(shè)定為9600即程序中宏定義如下：#defineUART_BPS9600其中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將經(jīng)由串口0傳送到計(jì)算機(jī)上，數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存在U0THR，程序中將選天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理?yè)馎D0.2為AD轉(zhuǎn)換的輸入端。開(kāi)發(fā)板上需要將JP4中的AD0.2與P0.25短接，JP2中的TXD0與P0.2，RXD與P0.3短接。同時(shí)將PC機(jī)的串口線連接到開(kāi)發(fā)板UART0，打開(kāi)Easyarm串口調(diào)試軟件，這樣便可以觀察到采樣的結(jié)果。但是必須注意的是由于AD參考電壓是3.0V，若直接采用P0.25采集電壓，電壓不得高于3.0V。而本設(shè)計(jì)中采集到的腦電波經(jīng)放大后不會(huì)高于3.0V，所以可以不用考慮采集到的信號(hào)會(huì)高于3.0V的情況發(fā)生。本設(shè)計(jì)的程序見(jiàn)附錄C。4.4.3FlashMagic程序燒錄FlashMagic是一款通過(guò)串口可對(duì)芯片進(jìn)行ISP（在系統(tǒng)編程）的上位機(jī)PC軟件。使用它可以便捷的實(shí)現(xiàn)芯片程序下載或芯片擦除。當(dāng)芯片使用代碼保護(hù)加密后，板載仿真器將不能調(diào)試程序，必須通過(guò)FlashMagic整片擦除才能再次使用。運(yùn)行FlashMagic如圖4-8所示。圖4-8FlashMagic將開(kāi)發(fā)板的UART0與PC機(jī)的串口相連，并短接ISP跳線和開(kāi)發(fā)板上的UART0跳線，然后將開(kāi)發(fā)板重新上電。此處需要注意開(kāi)發(fā)板串口與PC機(jī)硬件連接無(wú)誤。在使用FlashMagic進(jìn)行ISP下載前需要完成以下5個(gè)設(shè)置：（1）通信設(shè)置點(diǎn)擊“SelectDevice”按鈕，在彈出的“DeviceDatabase”對(duì)話框中選擇您需要進(jìn)行ISP下載的芯片型號(hào)，然后點(diǎn)擊“OK”按鈕。在“COMPort”中根據(jù)實(shí)際情況選擇串行通信端口；在“BaudRate”選項(xiàng)中設(shè)天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第四章基于Cortex-M3的AD采樣與數(shù)據(jù)處理置串口通信波特率為9600；在“Device”中選擇芯片型號(hào)為L(zhǎng)PC1752；在“Interface”中選擇“None（ISP）”作為下載方式；在“OscillatorF