脑电波信号采集及传输电路

SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR论文题目：脑电波信号采集及传输电路学生姓名:肖蒙学生学号:5060309750专业:电子科学与技术指导教师:刘佩林学院(系):电子工程系第1页上海交通大学本科生毕业设计（论文）任务书课题名称：脑电波信号采集及传输电路执行时间：2009年12月至2010年06月教师姓名：刘佩林职称：教授学生姓名：肖蒙学号：5060309750专业名称：电子科学与技术学院(系)：电子信息与电气工程学院电子工程系第2页毕业设计（论文）基本内容和要求：设计信号采集及传输电路用于脑电波信号分析及驾驶员疲劳程度监控系统。需要通过ADC通知采集多路（经过放大的）脑电波电信号，并通过蓝牙模块发送到远端的数据处理终端，具体的工作要求有：1设计要求分析和硬件方案确定2电路原理图设计芯片定型和PCB设计3电路仿真和嵌入式软件调试4撰写毕业论文参考文献：《LPC23xxARM处理器原理》《Altium电路原理图、PCB设计软件应用》第3页毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1查阅资料，分析相类似的电路结构和原理2009.12.31-2010.1.312电路设计（原理图、布线图）2010.2.1-2010.3.313电路调试和嵌入式软件编程2010.3.1-2010.5.154撰写毕业设计论文2010.5.16-2010.6.20课题信息：课题性质：设计□V论文课题来源*：国家级省部级校级横向□V预研项目编号其他指导教师签名：年月日学院（系）意见：院长（系主任）签名：年月日学生签名：年月日上海交通大学毕业设计（论文）学术诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日上海交通大学毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计（论文）。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日脑电波信号采集及传输电路第I页脑电波信号采集及传输电路摘要随着工业和经济的不断发展，全球汽车的数量在不断增加，交通安全已成为各国所关心的重要问题，而驾驶员疲劳驾驶是车祸的主要原因之一。因此，对于驾驶疲劳的研究己经成为神经科学、认知科学、人工智能和智能感知与传感器等相关学科的一个重要课题。它不但具有极高的理论价值，同时具有重要的现实意义，对于挽救那些处于疲劳驾驶而危及乘客生命的机动车驾驶员来说，更是一项刻不容缓的工作。判断疲劳程度的最常用方法就是判断人的警觉度。与眨眼频率、皮肤阻抗、体温以及血压等其它生理信号相比，脑电信号能更直接地反映大脑本身的活动，并且有更高的时间分辨率，所以脑电信号是目前研究警觉度最客观的生理指标。目前有大量研究机构正在从事相关领域的研究。但传统的脑电信号采集方式是基于湿电极的有线设备，其复杂的使用方法使得它难以面向大众应用。另外，由于采用有线传输方式，它的应用经常会受到环境的限制。近些年来，随着微电极技术的发展，出现了一种新型的无线干电极脑电信号采集设备。这种方式不仅使用方便而且采集到的信号甚至比湿电极脑电信号采集设备采集到的信号效果还要好。并且由于该设备采用了无线传输模式，从而摆脱了脑电信号采集的环境局限，使脑电应用走出实验室，距离面向大众应用更近一步。上海市科委项目——无线可穿戴干电极脑电帽与驾驶员警觉度监测系统，即要求设计开发针对驾驶员的便携式无线可穿戴干电极脑电帽，保证在驾驶状态下，能便捷、稳定、长时间地采集驾驶员的脑电信号，最终为航天、航空和汽车等领域提供精确的警觉度实时监测和预警技术。本课题是该项目的子课题——脑电信号无线传输子系统。它要求设计实现低功耗、高可靠性、高稳定性嵌入式多通道高分辨率脑电信号处理与传输电路，将前端放大电路输出的信号进行A/D转换后，进行信号处理，然后进行无线传输，分别输出到主机（数据训练阶段）和嵌入式移动终端（实时预警阶段）。在与项目中其它子课题进行讨论和交流后，确定了本子课题需要达到的技术指标：（1）普通直流+5V电源供电；（2）采样通道数目及信号类型是8通道单端信号；（3）每通道的采样率不小于500Hz；（4）ADC的分辨率为16bit；（5）ADC的参考电压能满足不同信号电压和电压动态范围的要求；（6）工作电流小于100mA；（7）传输速度大于100Kbps；（8）无线传输距离不小于10米。另外，为了方便产品的便携式使用，本课题所设计的系统还应该具有简单的系统架构、低功耗、高性价比、高稳定性和高可靠性以及便于携带等优点。由于嵌入式系统具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，非常适用于工业控制系统，能够满足本课题的设计要求，因此本课题采用嵌入式技术。蓝牙能够在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信，因此本课题的无线传输部分采用蓝牙技术。同时，为了简化设计并降低系统功率，选用市场上成熟的蓝牙模块，提供10米的有效传输距离。另外，在嵌入式系统中，为了减轻MCU与ADC接口上的负脑电波信号采集及传输电路第II页担，减少MCU在该接口上的处理时间，本系统将ADC的转换结果先输出到CPLD中暂存，再输出到MCU中。在分析了系统设计指标并确定关键技术之后，开始设计嵌入式系统框架。在本系统中，MCU输出ADC的时钟输入以及其他控制信号，由此控制ADC进行数据采集与转换；ADC将转换后的串行数据输出到CPLD中暂存；CPLD将从ADC得到的串行数据转换成并行数据后，通过4-1多路复用器发送到MCU；最后，MCU将数据输送到蓝牙模块，通过它将数据无线发出。虽然当前技术下前端信号放大系统只能输出8通道单端信号，但是随着技术的改进，有可能改为8通道差分信号，并且为了提高研究结果的准确性，信号的通道数目也有可能增加。因此在设计中，选用4片能输入8通道单端信号的ADC芯片，为系统的扩展留有余地。另外，为了能够满足不同信号电压和电压动态范围的要求，选用外部参考电压元器件，这样能够根据需求直接改变ADC的输入满量程电压值。为了满足系统设计指标，在学习研究类似电路和相关芯片性能的基础上，选择了系统中的主要芯片。由于Altera公司的MAXII系列CPLD是有史以来功耗和成本最低的CPLD，因此CPLD选用该系列的产品；由于ARM处理器功能强大且功耗低，因此MCU选用ARM处理器。具体选型为：ADC选用TI公司的ADS8344；CPLD选用MAXII系列CPLD的EPM240；ARM处理器选用NXP公司的LPC2144；蓝牙模块选用重庆金瓯公司的BTM0704C2P；电压转换芯片选用Sipex公司的SPX1117M-3.3。在设计好系统框架并选定主要芯片后，开始设计电路和PCB。本文选用AltiumDesignerWinter09作为电路设计和PCB绘制的软件。将系统分为电源、ADC、CPLD、ARM、蓝牙共五个模块分别进行电路设计。同时为了方便系统调试、提高系统性能和方便系统扩展，在电路中又增加了运算放大器、电平转换芯片、备用端口等器件。在电路设计中，充分考虑了器件各接口的作用和性能，实现了既满足系统设计要求又能提高系统性能的目标。本系统的PCB中所有芯片均选择小封装，这样能够进一步减小产品的尺寸。最终设计的PCB为双面板，尺寸为120mm×73mm。在设计PCB的过程中，充分考虑了设计PCB的一些基本原则，如方便插拔接口、模拟信号与数字信号隔离等。最后，又进行了电路的焊接与调试。另外，本文还设计了CPLD内部的控制逻辑电路，并且为了验证CPLD的工作与设计意图是否一致，采用仿真器Questasim对CPLD进行了功能仿真。在设计和仿真之前，结合系统的设计要求、所选用ADC和ARM的特性，以及它们与CPLD接口的性能，对CPLD的输入输出信号进行了详细的时序分析，并对信号在CPLD内部的处理过程进行了着重讨论。在此基础上，编写了CPLD和激励模块的Verilog代码。仿真结果显示，CPLD的工作时序正确，符合设计要求。关键词：脑电波，嵌入式系统，信号采集，无线传输，CPLD脑电波信号采集及传输电路第III页THEACQUISITIONANDTRANSMISSIONCIRCUITFOREEGSIGNALABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofindustriesandtheeconomy,thetotalnumberofvehiclesallovertheworldareincreasingconstantly,whichbringsamajorconcernforallcountries—thetrafficsafety.Ofallthemajorcausesoftrafficaccidents,fatiguedrivingisoneofthemostprominent.Therefore,thestudiesoffatiguedrivinghavebecomeanimportanttopicofsomerelatedsubjects,suchasneuralscience,cognitivescience,artificialintelligence,intelligentsensingandsensor,andsoon.Itnotonlyhasaveryhightheoreticalvalue,butalsohasimportantpracticalsignificance.Mostimportantly,itisanurgenttasktoremedythosedriverswhoaredrivingtheircarsinthestateoffatigue,whichisathreattopassengers'lives.Also,becauseofcabletransmission,itsapplicationisoftensubjecttoenvironmentconstraints.Thecommonpracticetojudgethedegreeoffatigueofthedriveristotesthisalertness.Comparedwithotherphysiologicalsignals,forexamplethefrequencyofwink,skinimpedance,bodytemperatureandbloodpressure,electroencephalogram(EEG)signalsreflecttheactivitiesofthebrainmoredirectly,andhaveahighertimeresolution;therefore,theEEGiscurrentlythemostobjectivephysiologicalindicatorinthestudyofalertness.Althoughalargenumberofresearchinstitutionsarededicatedtorelatedresearches,thetraditionalEEGsignalcollectingapparatusarewetelectrodebasedwirelineequipments.Thecomplicatedoperationprocesssetsbarriersforthewideapplication.Inrecenty