??? 摘 要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TMS320F2812 DSP的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信息采集系統(tǒng)，通過模擬濾波與數(shù)字處理相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信息的有效采集。
??? 關(guān)鍵詞：TMS320F2812；數(shù)據(jù)采集；穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位；數(shù)字信號(hào)處理；自適應(yīng)濾波
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??? 視覺誘發(fā)電位VEP (Visual Evoked Potential)是通過對(duì)受試者進(jìn)行視覺刺激獲得腦電響應(yīng)信息的方式。 根據(jù)刺激信號(hào)頻率的不同，可以分為瞬態(tài)誘發(fā)電位和穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位SSVEP (Steady State VEP)。穩(wěn)態(tài)刺激頻率一般在2 Hz以上，通過視覺刺激器得到的信息，其典型特征是節(jié)律同化，即給予一定頻率的視覺刺激，會(huì)在相應(yīng)頻率處產(chǎn)生同頻率的響應(yīng)。對(duì)應(yīng)的SSVEP經(jīng)專門的信號(hào)處理可以提取出穩(wěn)定的信號(hào)特征，適合作為腦-機(jī)接口的輸入信號(hào)[1]; SSVEP同時(shí)也是醫(yī)學(xué)上對(duì)特殊職業(yè)視覺能力與兒童視覺發(fā)展水平檢測(cè)的依據(jù)[2]。
??? 視覺穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電是生物電信息的一種，具體有生物電信號(hào)的顯著特征：幅值只有mV或μm量級(jí)，它們往往被淹沒在各種干擾引起的強(qiáng)背景噪聲之中。這些背景噪聲包括工頻干擾、基線漂移、不同生理信號(hào)間的互相影響等[3-4]。由于微弱生物電信號(hào)的幅值小、噪聲強(qiáng)的特征，因此涉及到微弱信號(hào)的提取技術(shù)及其應(yīng)用[5]。TI公司的眾多型號(hào)DSP是專為實(shí)時(shí)信號(hào)采集而設(shè)計(jì)的，其中，TMS320F28x系列DSP將實(shí)時(shí)信號(hào)的處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)比較理想的解決方案[6]。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 DSP電路設(shè)計(jì)
??? 在DSP電路，主芯片采用TI的TMS320F2812。TMS320F2812是32位高性能精簡(jiǎn)指令集(RISC）CPU，是目前控制領(lǐng)域比較流行的處理器之一，芯片內(nèi)核為32位C28x CPU，具有高達(dá)150 MHz的工作頻率和8級(jí)指令流水線[7]。圖1是F2812的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
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??? 系統(tǒng)采用5V直流電壓電源供電，通過電源轉(zhuǎn)換芯片TPS7333QD與TPS7333QD轉(zhuǎn)換成3.3 V與1.8 V供系統(tǒng)各部分使用；時(shí)鐘部分選用MAXIM公司的DS1501實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有RTC報(bào)警、看門狗定時(shí)器、上電復(fù)位、電池監(jiān)控、256B非易失(NV) SRAM以及一個(gè)32.768 kHz的頻率輸出；用低功耗512KB×8的高速CMOS 靜態(tài)RAM IS61LV5128，對(duì)DSP進(jìn)行RAM擴(kuò)展，該芯片接口簡(jiǎn)單，容易操作。
??? 如圖2所示，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以TMS320F2812為核心。利用運(yùn)放升壓電路和儀表放大器將電極信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作范圍。經(jīng)調(diào)理的模擬量送DSP控制器內(nèi)置的12 bit A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)通過校準(zhǔn)電路提高采樣精度。采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理由DSP完成。對(duì)完成處理的信息可以通過TMS320F2812的串口等通信接口與外部設(shè)備通信。
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??? 作為數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分利用了TMS320F2812的自帶ADC模塊，該模塊是一個(gè)12位帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān)(MUXs)、采樣/保持(S/H)電路、變換內(nèi)核、電壓參考以及其他模擬輔助電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字電路包括可編程轉(zhuǎn)換序列器、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口、與芯片外設(shè)總線的接口以及同其他片上模塊的接口。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC有16個(gè)通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道模塊。盡管在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中有多個(gè)輸入通道和兩個(gè)排序器，但僅有一個(gè)轉(zhuǎn)換器件。
1.2 放大與模擬濾波電路設(shè)計(jì)
??? 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的幅值在10μV～20μV之間[8]，需要放大到1V～3V之間才能達(dá)到AD采集單元的要求，要求放大器的增益在 100 dB左右；由于人體是一導(dǎo)電體，工頻干擾及體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲，干擾生物電信息的檢測(cè)，所以應(yīng)選用共模抑制比高的放大電路；由于人體與電極之間的接觸阻抗范圍比較大，對(duì)放大器的輸出阻抗也要求比較高。圖３是典型的生物電信號(hào)放大電路的組成結(jié)構(gòu)。
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??? 圖３中，根據(jù)生物信號(hào)微弱性和強(qiáng)噪聲背景的特點(diǎn)，采用兩級(jí)放大兩級(jí)濾波，最后用陷波器消去工頻干擾的結(jié)構(gòu)。視覺誘發(fā)信號(hào)的頻率在1Hz～300 Hz之間，根據(jù)系統(tǒng)的需要，濾波器的截止頻率設(shè)250 Hz，陷波器設(shè)定為50 Hz工頻。前置放大放大倍數(shù)設(shè)定為11.6倍，芯片采用放AD公司的醫(yī)用放大器AD620對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，AD620采用差分放大方式，有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻，對(duì)共模信號(hào)起到很好的抑制作用；二級(jí)放大使用TL082芯片，用1kΩ的可變電阻器調(diào)節(jié)放大器放大的輸出范圍以達(dá)到AD模塊的需要。
2? 采集程序與算法設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集
??? 開始采集時(shí)，程序首先對(duì)(A/D）進(jìn)行初始化，通過事件管理器觸發(fā)A/D模塊；當(dāng)(A/D）空閑時(shí)，主程序進(jìn)入死循環(huán)；當(dāng)A/ D正常轉(zhuǎn)換完畢后，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。
??? TMS302F2812有同步采樣與順序采樣兩種模式，通過對(duì)寄存器ACQ_PS的第3位賦值可以改變采樣模式。TMS320F2812的16個(gè)A/D采集通道均可以通過程序來設(shè)定來，在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了便于檢測(cè)，只使用通道1與通道2。通過對(duì)CONVxx與MAXCNV寄存器設(shè)定可以方便地選中某一個(gè)通道進(jìn)行采集。采集程序的流程圖如圖4所示。
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2.2? FIR結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波
??? 為進(jìn)一步提高信號(hào)的質(zhì)量，在系統(tǒng)中，使用較為復(fù)雜的自適應(yīng)濾波的方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。通過AD模塊得到的采集數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)結(jié)果寄存器中，在TI提供的開發(fā)套件中，直接使用了寄存器名作為變量名，因此可以直接引用寄存器中數(shù)據(jù)利用C語(yǔ)言編寫的自適應(yīng)算法處理。
??? 圖5所示的濾波器的輸入是X(n)={x(n),x(n-1),…，x(n-N+1)}T，濾波器的權(quán)系數(shù)是h(n)={h1(n)，h2(n)，…，hN(n)}T，d(n)為期望輸出信號(hào)，
為濾波器的實(shí)際輸出，也稱估計(jì)值，
由誤差經(jīng)過一定的自適應(yīng)濾波算法來調(diào)整濾波系數(shù)，使得濾波器的實(shí)際輸出接近期望輸出信號(hào)。
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??? 本系統(tǒng)采用LMS自適應(yīng)算法，LMS算法是基于最小均方誤差準(zhǔn)則的，比較容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，C語(yǔ)言編寫的LMS算法包括3個(gè)部分：(1）獲得濾波器的輸出信號(hào)；(2）計(jì)算信號(hào)誤差e(n)；(3)更新權(quán)矢量。為了減少收斂速度對(duì)輸入信號(hào)功率的依賴，采用了歸一化技術(shù)。同時(shí)由于F2812是定點(diǎn)DSP，為了提高程序運(yùn)行效率，使用了Q格式來處理數(shù)據(jù)。
3? 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試
??? 本系統(tǒng)設(shè)置PLL為x10/2模式，30 MHz的晶體振蕩器，SYSCLOUT為150 Hz，高速外設(shè)時(shí)鐘為六分頻后得到25 Hz，沒有使用模數(shù)轉(zhuǎn)換中的時(shí)鐘分頻器，模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷使能，EVA產(chǎn)生SEQ1周期信號(hào)的ADCSOC。轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中。在程序設(shè)計(jì)中，通過TI集成開發(fā)環(huán)境CCS的view對(duì)變量與寄存器的觀察，能得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。也可以通過graph畫圖功能得到變量的實(shí)時(shí)曲線。轉(zhuǎn)換的模擬量電壓與觀察到的數(shù)字量之間的計(jì)算公式為：
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??? 系統(tǒng)采集運(yùn)行的結(jié)果如圖6所示：
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??? 在刺激器為15 Hz的閃爍刺激下，經(jīng)分析計(jì)算，在大部分情況下，兩個(gè)明顯波峰之間的時(shí)間約為65.4 ms，即15 Hz，通過CCS自帶的FFT計(jì)算工具發(fā)現(xiàn)，15 Hz處峰值也十分明顯，對(duì)該系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果較為滿意。
??? 本文以TMS320F2812為核心，設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位信息采集系統(tǒng)，達(dá)到了較為理想的效果。TMS30F2812不僅僅是控制芯片(MCU），也是一個(gè)性能優(yōu)異的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器(EDSP），通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化數(shù)字信號(hào)算法，相信可以取得更為滿意的結(jié)果。對(duì)生物電信息采集是一個(gè)復(fù)雜過程，涉及到相當(dāng)多的生物學(xué)以及信息電子學(xué)的知識(shí)，但正是以生物技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的生物電人機(jī)接口裝置，是未來實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化的關(guān)鍵。利用嵌入式系統(tǒng)的功耗低、實(shí)時(shí)高速處理、裝置輕便等特性，是未來人機(jī)接口裝置走向?qū)嵱门c普及的途徑。
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