本論文介紹了腦電信號處理系統(tǒng)設計的兩種基本方法及其優(yōu)缺點，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特點，闡述了基于TMS320LF2407DSP的16通道腦電信號處理系統(tǒng)的硬件和軟件的實現(xiàn)方法。

該系統(tǒng)硬件結構簡單可靠、靈活性強，可以為腦電波的數(shù)字信號處理軟件提供功能強大的硬件基礎；該系統(tǒng)的軟件充分利用了TMS320LF2407內部16通道的高速模數(shù)轉換器，順利實現(xiàn)了50Hz工頻干擾的濾除，并最終獲取清晰干凈的16通道的腦電波形。

1． 概述

腦電信號（EEG）是人體中最重要的生物電信號之一，對于腦電信號的監(jiān)測、分析已在臨床醫(yī)學的疾病診斷方面得到廣泛應用。16通道腦電信號的檢測主要用于腦疾病病灶的定位，由于從腦電極提取的腦電波中含有大量干擾尤其是50Hz工頻干擾，必須進行切實有效的放大及信號處理才能用于臨床的檢驗。腦電信號處理分為模擬和數(shù)字兩種方式。

早期的數(shù)字腦電圖機主要采用模擬信號處理方式，處理好的信號利用AD采集卡或單片機把數(shù)據(jù)傳送到上位機系統(tǒng)顯示及打印，其優(yōu)點是實時性好，易于實現(xiàn)，缺點是電路體積大、精度低、易受環(huán)境溫度影響及抗干擾性能差。腦電信號的數(shù)字處理以往多采用通用PC機或單片機實現(xiàn)，但存在實時性差的缺點。這樣，實時性好的DSP在腦電信號數(shù)字處理中應運而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍應用，現(xiàn)在比較一致的看法是2000系列的DSP適合應用于電機的數(shù)字化控制而不是數(shù)字信號處理，因為其時鐘頻率遠低于5000系列DSP且沒有專門的濾波器指令。

但以腦電信號的數(shù)字處理而言，腦電信號頻率不超過100Hz，屬于低頻信號，需要處理的數(shù)據(jù)量有限，對于16通道的腦電信號的數(shù)據(jù)運算，按每通道采樣頻率1000Hz計，系統(tǒng)需要每個采樣點在62.5us內完成采樣、運算及數(shù)據(jù)傳輸。實驗中我們試用了TMS320LF2407DSP，從效果來看，它可以滿足速度上的要求，而從系統(tǒng)的性價比及功能的可擴展性來看，TMS320LF2407DSP體現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢［1］ ［2］。

2． 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件部分采用TMS320LF2407DSP為核心，兼具控制和數(shù)字信號處理的功能，其外部由16位AD轉換器、外擴存儲器、USB100模塊、12位DA轉換器、8位指示燈、數(shù)字光電隔離器等構成，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

來自前置放大電路的16通道腦電信號分別經(jīng)過16位AD采樣進入DSP中央處理單元進行數(shù)字濾波運算，處理完畢的數(shù)據(jù)通過USB100模塊上傳到上位機系統(tǒng)，在調試中可以通過DA轉換器在示波器上觀察經(jīng)過數(shù)字處理的腦電波形。8位指示燈用于調試時觀察時鐘的精確度。

雖然TMS320LF2407內部集成有16通道AD轉換器，但精度只有10位，能夠分辨腦電信號電壓變化的最小值約為3mV，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中前置級放大電路為防止差模形式出現(xiàn)的干擾在輸出端飽和，放大倍數(shù)一般設定為50倍，有用腦電信號的最小幅值放大到0.5mV，顯然10位AD轉換器的精度是不夠的。在本系統(tǒng)中采用美國美信公司生產的轉換速度為165KSPS的16位高精度AD轉換器MAX1165，可分辯信號電壓變化的最小值為62.5uV，完全滿足了系統(tǒng)精度的要求［3］。

TMS320LF2407具有64K字的程序存儲器空間和64K字數(shù)據(jù)存儲器空間，DSP內部有32K字FLASH程序存儲器，一般是在程序調試完成后，通過下載線和CCS軟件把程序可執(zhí)行代碼燒寫進FLASH，使程序上電后從0000H處運行，完成所需的控制功能。但在程序調試時，需要有程序存儲器來存放用以仿真的程序代碼，而當程序脫離仿真器運行時，可將該外擴存儲器設置為數(shù)據(jù)存儲器，增加數(shù)據(jù)存儲能力。

經(jīng)過AD轉換的腦電數(shù)據(jù)通過IIR數(shù)字濾波運算，輸出的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機，以便實時顯示腦電波形及存儲打印。由于每個通道腦電波的采樣頻率為1000Hz，數(shù)據(jù)精度為16位，所以腦電數(shù)據(jù)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率必須高于256Kbit/s，而串口最高的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為19.2Kbit/s，為滿足上、下位機數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枰植辉黾酉到y(tǒng)的難度，我們選用了USB100模塊作為DSP與上位機的通信接口。其數(shù)據(jù)傳輸速率為8Mbit/s［4］。

為了人體安全，本系統(tǒng)前置端采用浮地差分放大方式以實現(xiàn)人體與電氣的隔離，同時為了防止數(shù)字電路與模擬電路的干擾電流通過地線相互傳遞，采用了光電隔離技術，在模擬開關的輸出端接上模擬光電隔離器，通過接口與數(shù)字電路相連，而模擬開關的四根選通地址線則通過數(shù)字光電隔離器與DSP的復用IO口相連，通過DSP選通16個通道，從而避免了數(shù)字電路與模擬電路的干擾路徑。

DSP與12位DA轉換器及8位指示燈的接口電路類似于DSP與AD轉換器的接口電路，均通過IO空間尋址，利用OUT指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在這里就不贅述了。

硬件系統(tǒng)的各個部分密切相關，硬件系統(tǒng)設計的好壞直接關系到腦電信號數(shù)字處理的優(yōu)劣。

本文節(jié)選自《微計算機信息》

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