基于数字信号处理器的稳态视觉诱发
摘 要：设计了一个基于TMS320F2812 DSP的稳态视觉诱发电位信息采集系统，通过模拟滤波与数字处理相结合的方法，实现了对稳态视觉诱发电位信息的有效采集。
视觉诱发电位VEP (Visual Evoked Potential)是通过对受试者进行视觉刺激获得脑电响应信息的方式。 根据刺激信号频率的不同，可以分为瞬态诱发电位和稳态诱发电位SSVEP (Steady State VEP)。稳态刺激频率一般在2 Hz以上，通过视觉刺激器得到的信息，其典型特征是节律同化，即给予一定频率的视觉刺激，会在相应频率处产生同频率的响应。对应的SSVEP经专门的信号处理可以提取出稳定的信号特征，适合作为脑-机接口的输入信号[1]; SSVEP同时也是医学上对特殊职业视觉能力与儿童视觉发展水平检测的依据。 视觉稳态诱发电是生物电信息的一种，具体有生物电信号的显著特征：幅值只有mV或μm量级，它们往往被淹没在各种干扰引起的强背景噪声之中。这些背景噪声包括工频干扰、基线漂移、不同生理信号间的互相影响等。由于微弱生物电信号的幅值小、噪声强的特征，因此涉及到微弱信号的提取技术及其应用[5]。TI公司的众多型号DSP是专为实时信号采集而设计的，其中，TMS320F28x系列DSP将实时信号的处理能力和控制器外设功能集于一身，为本数据采集系统提供了一个比较理想的解决方案。
1 硬件系统设计
1.1 DSP电路设计 在DSP电路，主芯片采用TI的TMS320F2812。TMS320F2812是32位高性能精简指令集(RISC）CPU，是目前控制领域比较流行的处理器之一，芯片内核为32位C28x CPU，具有高达150 MHz的工作频率和8级指令流水线。图1是F2812的内部结构图。
系统采用5V直流电压电源供电，通过电源转换芯片TPS7333QD与TPS7333QD转换成3.3 V与1.8 V供系统各部分使用；时钟部分选用MAXIM公司的DS1501实时时钟芯片，具有RTC报警、看门狗定时器、上电复位、电池监控、256B非易失(NV) SRAM以及一个32.768 kHz的频率输出；用低功耗512KB×8的高速CMOS 静态RAM IS61LV5128，对DSP进行RAM扩展，该芯片接口简单，容易操作。 如图2所示，系统硬件设计以TMS320F2812为核心。利用运放升压电路和仪表放大器将电极信号进行调理，以符合模数转换器件的工作范围。经调理的模拟量送DSP控制器内置的12 bit A/D转换模块，同时通过校准电路提高采样精度。采集数据的存储、分析和处理由DSP完成。对完成处理的信息可以通过TMS320F2812的串口等通信接口与外部设备通信。
作为数据采集关键部分，模数转换部分利用了TMS320F2812的自带ADC模块，该模块是一个12位带流水线的模数转换器(ADC)，模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关(MUXs)、采样/保持(S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口。模数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器件。
1.2 放大与模拟滤波电路设计 稳态视觉诱发电位的幅值在10μV～20μV之间[8]，需要放大到1V～3V之间才能达到AD采集单元的要求，要求放大器的增益在 100 dB左右；由于人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生物电信息的检测，所以应选用共模抑制比高的放大电路；由于人体与电极之间的接触阻抗范围比较大，对放大器的输出阻抗也要求比较高。图３是典型的生物电信号放大电路的组成结构。
图３中，根据生物信号微弱性和强噪声背景的特点，采用两级放大两级滤波，最后用陷波器消去工频干扰的结构。视觉诱发信号的频率在1Hz～300 Hz之间，根据系统的需要，滤波器的截止频率设250 Hz，陷波器设定为50 Hz工频。前置放大放大倍数设定为11.6倍，芯片采用放AD公司的医用放大器AD620对信号进行放大，AD620采用差分放大方式，有很高的输入电阻和很低的输出电阻，对共模信号起到很好的抑制作用；二级放大使用TL082芯片，用1kΩ的可变电阻器调节放大器放大的输出范围以达到AD模块的需要。
2 采集程序与算法设计 2.1 数据采集 开始采集时，程序首先对(A/D）进行初始化，通过事件管理器触发A/D模块；当(A/D）空闲时，主程序进入死循环；当A/ D正常转换完毕后，进入中断服务子程序。 TMS302F2812有同步采样与顺序采样两种模式，通过对寄存器ACQ_PS的第3位赋值可以改变采样模式。TMS320F2812的16个A/D采集通道均可以通过程序来设定来，在本数据采集系统中，为了便于检测，只使用通道1与通道2。通过对CONVxx与MAXCNV寄存器设定可以方便地选中某一个通道进行采集。采集程序的流程图如图4所示。
2.2 FIR结构的自适应滤波
为进一步提高信号的质量，在系统中，使用较为复杂的自适应滤波的方法对采集到的数据进行进一步处理。通过AD模块得到的采集数据存放在相应结果寄存器中，在TI提供的开发套件中，直接使用了寄存器名作为变量名，因此可以直接引用寄存器中数据利用C语言编写的自适应算法处理。
本系统采用LMS自适应算法，LMS算法是基于最小均方误差准则的，比较容易设计和实现，C语言编写的LMS算法包括3个部分：(1）获得滤波器的输出信号；(2）计算信号误差e(n)；(3)更新权矢量。为了减少收敛速度对输入信号功率的依赖，采用了归一化技术。同时由于F2812是定点DSP，为了提高程序运行效率，使用了Q格式来处理数据。
3 系统运行调试
本系统设置PLL为x10/2模式，30 MHz的晶体振荡器，SYSCLOUT为150 Hz，高速外设时钟为六分频后得到25 Hz，没有使用模数转换中的时钟分频器，模数转换中断使能，EVA产生SEQ1周期信号的ADCSOC。转换后的结果存储在相应的通道的转换结果寄存器中。在程序设计中，通过TI集成开发环境CCS的view对变量与寄存器的观察，能得到转换的结果。也可以通过graph画图功能得到变量的实时曲线。转换的模拟量电压与观察到的数字量之间的计算公式为：
系统采集运行的结果如图6所示：
在刺激器为15 Hz的闪烁刺激下，经分析计算，在大部分情况下，两个明显波峰之间的时间约为65.4 ms，即15 Hz，通过CCS自带的FFT计算工具发现，15 Hz处峰值也十分明显，对该系统运行的结果较为满意。
本文以TMS320F2812为核心，设计了稳态视觉诱发电位信息采集系统，达到了较为理想的效果。TMS30F2812不仅仅是控制芯片(MCU），也是一个性能优异的嵌入式数字信号处理器(EDSP），通过进一步设计与优化数字信号算法，相信可以取得更为满意的结果。对生物电信息采集是一个复杂过程，涉及到相当多的生物学以及信息电子学的知识，但正是以生物技术与信息技术相结合的生物电人机接口装置，是未来实现人机一体化的关键。利用嵌入式系统的功耗低、实时高速处理、装置轻便等特性，是未来人机接口装置走向实用与普及的途径。
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