STM32设计的经颅磁电刺激设备

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多导多模式经颅电刺激设备可以输出四路函数刺激信号，每一路刺激
信号可以单独调节;也可以采集存储两路脑电信号，并将脑电信号转化为两路脑电刺
激信号，刺激头部。该设备由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括脑电信号
调理电路、电刺激调理电路、STM32F407系统电路、FPGA控制电路以及脑电信号模
数转换ADS 1298电路;软件部分主要包括STM32F407程序、FPGA逻辑程序、GUI
软件应用程序。GUI应用软件基于windows操作系统，在软件界面上的输入控件选择
刺激方式以及参数，通过串口将指令发送给STM32F407模块。STM32F407模块将接
收到的指令进行解析后通过FSMC总线发送给FPGA模块。如果选择函数刺激模式，
则FPGA模块将参数发送给电刺激调理电路输出函数刺激信号;如果选择脑电刺激
模式，则FPGA模块控制ADS 1298电路采集脑电信号存储在SDRAM芯片中，在采
集的时间到达后，读取出SDRAM芯片中存储的脑电信号，进行放大滤波输出脑电刺
激信号。实验表明，该设备可实现参数、模式可调的电刺激信号输出，设备性能达到
设计要求。

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iCore3双核心工控板主要包括STM32系统电路、FPGA控制电路、USB转串口
电路、SDRAM电路等。STM32接收上位机发来的指令，将指令解析后，通过FSMC
总线发送给FPGA, FPGA通过程序控制AD芯片、DA芯片以及SDRAM芯片的时
序。
脑电信号调理电路电路板主要包括电源电路、低通滤波电路、高通滤波电路、
SOHz工频滤波电路、放大电路等。其功能是在脑电信号被ADS1298采集前将脑电信
号进行放大、滤波、工频陷波处理。
电刺激调理电路板主要包括电源电路、低通滤波电路、放大电路、DA电路、AD
电路、电流检测电路。其功能是将DA输出的模拟信号进行放大、滤波，同时对输出
端的电流进行检测，并由AD进行采样，从而保证使用者的安全。
脑电信号模数转换电路选择的是ADS 1298电路板。ADS 1298芯片是TI公司推
出的一款用于采集生物电位测量的低功耗、8通道、24位模数转换芯片[42]o ADS1298
电路板的功能是将脑电信号由模拟量转化为数字量，并且发送给FPGA，存储到
SDRAM芯片中。

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脑电信号的主要频率在0.5100 Hz。由于脑电信号中存在低频干扰，例如极化电
压、基线漂移等，会对脑电信号的采集造成干扰。因此需要高通滤波器来滤除脑电信
号中的低频干扰信号，保留0. 5 Hz以上的高频信号。
在脑电信号滤波电路、右腿驱动电路以及后级放大电路中，本设计选择的运放为
TLC2252 o TLC2252是TI公司双路运算放大器，可以在单电源或双电源供电条件下
工作，增强了动态的范围，可以达到轨对轨输出的性能。TLC225x系列放大器具有高
阻抗、低噪声的特点，适合于高阻抗源的小信号调节。

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电刺激调理电路在整个系统中的作用是将模拟信号转换为数字信号，并且将输出
的电刺激模拟量进行放大滤波，从而达到系统要求。同时，电刺激信号调理电路需要
对输出各个通道的电流值进行检测，防止电流过大对使用者造成伤害。电刺激信号调
理电路系统框图

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数模转换电路是将FPGA产生的数字信号转化成四路模拟信号，使用TI公司生
产的TLV5614四通道数模转化芯片，其电路原理图如图3-14所示。TLV5614是四通
道其电路简单按照芯片手册连接即可，芯片左边的引脚为控制端引脚，连接FPGA,
右端为数据采集端引脚，其中第15脚和第10脚为参考电压输入端接电源电路中的
2.5 V参考电压，其余的第1014脚为模拟信号输出端，输出四路模拟信号到后级放
大级滤波器，从而进行下一步的处理。

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后级信号处理包括初级放大器、滤波器和次级放大器，如图3-15所示。设计方
法与脑电信号调理电路设计方法大致相同。由于前一级DA模块的参考电压为2.5 V}
信号幅度较小，无法达到预期要求。故先进行一倍的放大，在进行一个串联的4阶低
通滤波器，去除高频噪声，最后经过一个反向比例放大器将信号放大到需要的幅度大
/J,。
本设计选用了两个反向比例放大器对DAc输出的模拟信号进行放大，由于DAc
输出的信号带有2.5 V的直流电压故需要在运放正向输入端加上二分之一的DAc输
入电压通过减法器减去直流部分。后级的放大器部分是一个增益可变的反向比例放大
器，通过滑动变阻器调节增益。
本设计选用的滤波器是两个串联的二阶低通滤波器，其滤波器的拓扑结构为
Sallen-key有源低通滤波器。设计滤波器截至频率为500 Hz，通道增益为1，阻带增
益为一40 dB o

STM32设计的 经颅磁 电刺激设备

STM32设计的经颅磁电刺激设备