基于ARM的脑电信号采集系统

1 引言

脑电信号是人体重要的生理信号。根据研究表明，脑电信号的主要特点为：脑电信号幅度为5μV～100μV，一般只有50μV左右；频率范围为0.5 Hz～35 Hz；具有极强工频50 Hz干扰和极化电压干扰；内阻从几十千欧到几百千欧不等且易于变化；信噪比低，最高可达1：105。

目前，由于脑电信号采集方法不同，所获得的结论差异较大，并且大多采用单片机作为控制器，精度相对较低。本文根据脑电信号的微弱特性和微弱信号处理要求，介绍了脑电信号采集系统组成和信号处理的有效方法。

2 硬件电路设计

系统主要利用窄带滤波器检测脑电信号，并滤除通带外的噪声，提高信噪比。但由于中心频率偏移，因此软件设计移植了数字信号处理方法，加入数字滤波器，进一步滤掉噪声，更好还原脑电信号。系统总体框图如图1所示。

 

2.1前置放大电路

脑电信号检测为强噪声下的超低频(0.5 Hz～35 Hz)、微弱(5μV～100μV)信号检测。因此，前置放大器必须选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、高增益、动态范围大和性能稳定的低频放大器。信号源与前置放大电路采用直接耦合方式。本系统选用LMH6626为前置放大器。LMH6266是美国国家半导体推出的双超低噪声宽带运算放大器。后级放大选用LT1167，LT1167是一种新型仪表放大器，结合了FET运放与双极型运放的优点，其高输入阻抗和低偏置电流接近FET器件，而噪声水平跟双极型运放相同。其性能指标为：激光修剪电阻保证其共模抑制比CMRR>110 dB(G=10)；高输入阻抗为1 000 GΩ，噪声电压为0.28μVp-p，噪声电流为10 pAp-p(0.1 Hz～10 Hz)；输入偏置电流为50 pAg，静态工作电流小于1.3 mA。LT1167AC的CMRR与闭环增益关系如表1所列。

 

整个系统的前置放大电路如图2所示。U1，U2构成并联差动放大器，在运算放大器为理想情况下，输入阻抗、共模抑制比无穷大，该部分电路具有提高输入阻抗与电压缓冲作用。C1、C2为退耦电容，主要起到隔离极化直流电压作用。
2.2工频滤波电路

工频干扰是脑电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用，但部分干扰是以差模进入电路，且频率处于脑电信号的频带内，加之电极与输入回路不稳定等因素，前置放大电路输出的信号仍存在较强的工频干扰。其工作频率电路如图3所示。带阻滤波器电路用于抑制或衰减某一频段信号，使得该频段以外的所有信号通过。K=R4／R3+R4=0.9引入负反馈改善选频作用。通过实验发现．R4取1.7 kΩ，R3取75 Ω时抑制干扰效果最好。

 

3 软件设计

本文采用的操作系统为μCOS-II，共分为4个任务，分别为TIMER1 ISR、A／D采样任务、数字滤波任务、显示任务。核心任务为A／D采样任务，其软件流程图如图4所示。

信号采集过程中，虽然采取抗噪措施，但信号中仍然不可避免地混入噪声和干扰。本系统充分利用ARM运算速度快、资源丰富等特点。在ARM中移植Hanning滤波器，以抑制工频50 Hz干扰。Hanning滤波器部分代码如下：

4 结束语

本文给出了一种基于ARM的脑电信号采集方法，实验结果显示本采集系统能够很好的采集并还原脑电信号，并且脑电信号具有失真度小，精度较高等特点。