基于TMS320LF2407的腦電信號處理系統設計

摘要：本論文介紹了腦電信號處理系統設計的兩種基本方法及其優缺點，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的硬件和軟件的實現方法。該系統硬件結構簡單可靠、靈活性強,可以為腦電波的數字信號處理軟件提供功能強大的硬件基礎；該系統的軟件充分利用了TMS320LF2407內部16通道的高速模數轉換器，順利實現了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。
關鍵詞：腦電信號 數字信號處理 濾波器

1． 概述

腦電信號(EEG)是人體中最重要的生物電信號之一，對于腦電信號的監測、分析已在臨床醫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字兩種方式。早期的數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據傳送到上位機系統顯示及打印，其優點是實時性好，易于實現，缺點是電路體積大、精度低、易受環境溫度影響及抗干擾性能差。腦電信號的數字處理以往多采用通用PC機或單片機實現，但存在實時性差的缺點。這樣，實時性好的DSP在腦電信號數字處理中應運而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍應用，現在比較一致的看法是2000系列的DSP適合應用于電機的數字化控制而不是數字信號處理，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，需要處理的數據量有限，對于16通道的腦電信號的數據運算，按每通道采樣頻率1000Hz計，系統需要每個采樣點在62.5us內完成采樣、運算及數據傳輸。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，而從系統的性價比及功能的可擴展性來看，TMS320LF2407DSP體現了其獨特的優勢^{[1] [2]}。

2． 系統硬件設計

本系統硬件部分采用TMS320LF2407DSP為核心，兼具控制和數字信號處理的功能，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、數字光電隔離器等構成，硬件系統框圖如圖1所示。

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

圖1 硬件系統框圖

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，而數據采集系統中前置級放大電路為防止差模形式出現的干擾在輸出端飽和，放大倍數一般設定為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，完全滿足了系統精度的要求^[3]。

TMS320LF2407具有64K字的程序存儲器空間和64K字數據存儲器空間，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據存儲器，增加數據存儲能力。

經過AD轉換的腦電數據通過IIR數字濾波運算，輸出的數據需要上傳到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,數據精度為16位，所以腦電數據要求的數據傳輸速率必須高于256Kbit/s，而串口最高的數據傳輸速率僅為19.2Kbit/s，為滿足上、下位機數據實時傳輸的需要又不增加系統的難度，我們選用了USB100模塊作為DSP與上位機的通信接口。其數據傳輸速率為8Mbit/s^[4]。

為了人體安全，本系統前置端采用浮地差分放大方式以實現人體與電氣的隔離，同時為了防止數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，通過接口與數字電路相連，而模擬開關的四根選通地址線則通過數字光電隔離器與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指令實現數據的輸出。在這里就不贅述了。

硬件系統的各個部分密切相關，硬件系統設計的好壞直接關系到腦電信號數字處理的優劣。

3．系統軟件設計

腦電信號的數字信號處理的軟件程序由6個相關文件組成，分別是math.h，register.h，LF2407.CMD，RTS2XX.LIB，process.c，cvectors.asm。在上述6個部分文件中，math.h是程序中需要用到的數學公式庫文件，register.h是CPU內部的寄存器及其相關定義文件，LF2407.CMD是連接命令文件，指示編譯器如何進行程序空間和數據空間的分配，RTS2xxx.LIB庫文件由系統提供，cvectors.asm是向量表文件，定義所需的復位和中斷向量，process.c主要是完成腦電數字信號處理的功能，是整個系統的核心部分。

DSP在程序運行過程中，首先上電復位后根據中斷向量表程序跳轉到主程序入口地址，主程序關中斷，對系統進行必要的初始化，對AD轉換器和USB100模塊進行初始化，并將AD初始化成T4定時中斷觸發AD轉換，啟動看門狗，開中斷，然后主程序判斷AD轉換是否完成，如果AD轉換沒有完成則程序繼續等待，如果AD轉換完成，讀取AD轉換的對應通道的數據，調用數字濾波子程序進行數字濾波，將輸出結果上傳至上位機，然后等待下一個AD轉換的數據輸入。啟動AD轉換是通過AD中斷服務子程序實現的，在中斷服務程序中啟動AD轉換，轉換結束后置位AD轉換好標志，告訴主程序讀取數據進行數字濾波。

該程序的主程序流程圖和中斷服務程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序和中斷服務程序流程框圖

本程序中，IIR數字濾波子程序是核心部分，其算法由MATLAB設計的IIR數字濾波器實現，可表示為下面的輸入輸出序列：

從數字濾波的公式可以看出，通用數字濾波子程序需要的參數有輸入序列x[]，輸入序列的濾波系數b[]，輸入序列乘積項的系數nl，輸出序列y[]，輸出序列的濾波系數a[]，輸出序列的乘積項系數dl-1，以及相應濾波通道n和該通道的最新輸入x(n)。

在上述程序的數字濾波過程中，首先讀入相應濾波通道的輸入序列x(n)，對輸入輸出序列乘積項分別求和，然后求出輸入輸出序列最后的累加和，即為本次輸出序列y(n)，在濾波過程中為了防止濾波出現不穩定，所以對輸出序列進行了限幅處理，對于16位AD轉換的最大輸出為65536，所以數字濾波的輸出y(n)應該小于65536。因為濾波器設計的是實時數字濾波，所以在本次數字濾波結束后，需要對輸入序列進行調整，即將x[i+1]放到x[i]，為下次數字濾波做準備。同理，在輸出y(n)的同時，也需要對輸出序列進行調整，即將y[i+1]放到y[i]，為下次數字濾波做準備^[4]。

圖3是在100MHz雙蹤示波器上觀察到的本系統數字信號處理前后通過DAC輸出的腦電波形。

圖3 數字處理前后腦電波對比

從上圖可以看出，50Hz工頻干擾及高頻干擾基本得到抑制，有經驗的醫師從上圖中可辯別出腦電波的種類，也能判斷受試者的病理狀況而無需在上位機再進行信號處理。

4． 結論

由于腦電信號測量的強干擾背景，目前醫院使用的腦電放大器仍需開辟專用的屏蔽室，實現腦電信號的實時采集及傳輸在國內一直是個難題，本文以DSP作為核心器件研究腦電信號處理系統的具體實現，具有一定的開拓性和實用性，在系統的研制過程中，通過對人體腦電波的采集及信號處理進行了大量的實驗工作。從實驗效果來看，通過本系統采集到的腦電波形清晰干凈，可為醫生臨床監測患者腦疾狀況提供信度較高的依據。本系統的設計具有為醫院的腦電監護儀器的研制提供參考的價值及較好的應用前景。

本文作者創新點：一是首次將TMS320LF2407應用于16通道的腦電放大器的研制中，充分考慮了腦電信號檢測的強干擾的特點以及TMS320LF2407內部資源及控制能力比TMS320C5000系列強的優點，大大縮短了腦電放大器硬件開發的周期；二是在硬件結構上利用了TMS320LF2407內部16通道的ADC并片外擴展了USB100模塊，使數據采集及傳輸能力大大增強；三是在軟件結構上利用TMS320LF2407的C語言開發的腦電信號處理系統結構簡單、功能可靠，程序可直接燒寫到DSP內部FLASH，長時間脫機運行完全正常；四是從數字信號處理算法的選擇來看，IIR數字濾波器對干擾的抑制效果非常明顯，在實驗中通過標準正弦波進行測試證明本系統失真度小、信噪比高；五是由于采用了價格低廉的TMS320C2000系列的DSP，本系統的研制成本低于采用TI公司其它系列的DSP。

參考文獻：

[1].郭晶瑩，吳晴，商慶瑞 . 基于TMS320VC5509A的指紋識別系統的硬件設計 . 微計算機信息 . 2006，9-2:151-153

[2].劉和平，嚴利平等，《TMS320LF2407DSP結構、原理及應用》，北京航空航天大學出版社，2002年4月

[3].趙負圖，《信號采集與處理集成電路手冊.化學工業出版社》，2002年9月

[4].李朝青，《單片機及DSP外圍數字IC技術手冊》，北京航空航天大學出版社，2003年1月