基于TMS320LF2407的脑电信号处理系统设计

摘要：本论文介绍了脑电信号处理系统设计的两种基本方法及其优缺点，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特点，阐述了基于TMS320LF2407DSP的16通道脑电信号处理系统的硬件和软件的实现方法。该系统硬件结构简单可靠、灵活性强,可以为脑电波的数字信号处理软件提供功能强大的硬件基础；该系统的软件充分利用了TMS320LF2407内部16通道的高速模数转换器，顺利实现了50Hz工频干扰的滤除，并最终获取清晰干净的16通道的脑电波形。
关键词：脑电信号   数字信号处理   滤波器

1．  概述

脑电信号(EEG)是人体中最重要的生物电信号之一，对于脑电信号的监测、分析已在临床医学的疾病诊断方面得到广泛应用。16通道脑电信号的检测主要用于脑疾病病灶的定位，由于从脑电极提取的脑电波中含有大量干扰尤其是50Hz工频干扰，必须进行切实有效的放大及信号处理才能用于临床的检验。脑电信号处理分为模拟和数字两种方式。早期的数字脑电图机主要采用模拟信号处理方式，处理好的信号利用AD采集卡或单片机把数据传送到上位机系统显示及打印，其优点是实时性好，易于实现，缺点是电路体积大、精度低、易受环境温度影响及抗干扰性能差。脑电信号的数字处理以往多采用通用PC机或单片机实现，但存在实时性差的缺点。这样，实时性好的DSP在脑电信号数字处理中应运而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍应用，现在比较一致的看法是2000系列的DSP适合应用于电机的数字化控制而不是数字信号处理，因为其时钟频率远低于5000系列DSP且没有专门的滤波器指令。但以脑电信号的数字处理而言，脑电信号频率不超过100Hz，属于低频信号，需要处理的数据量有限，对于16通道的脑电信号的数据运算，按每通道采样频率1000Hz计，系统需要每个采样点在62.5us内完成采样、运算及数据传输。实验中我们试用了TMS320LF2407DSP，从效果来看，它可以满足速度上的要求，而从系统的性价比及功能的可扩展性来看，TMS320LF2407DSP体现了其独特的优势^{[1] [2]}。

2．  系统硬件设计

本系统硬件部分采用TMS320LF2407DSP为核心，兼具控制和数字信号处理的功能，其外部由16位AD转换器、外扩存储器、USB100模块、12位DA转换器、8位指示灯、数字光电隔离器等构成，硬件系统框图如图1所示。

来自前置放大电路的16通道脑电信号分别经过16位AD采样进入DSP中央处理单元进行数字滤波运算，处理完毕的数据通过USB100模块上传到上位机系统，在调试中可以通过DA转换器在示波器上观察经过数字处理的脑电波形。8位指示灯用于调试时观察时钟的精确度。

图1  硬件系统框图

虽然TMS320LF2407内部集成有16通道AD转换器,但精度只有10位，能够分辨脑电信号电压变化的最小值约为3mV，而数据采集系统中前置级放大电路为防止差模形式出现的干扰在输出端饱和，放大倍数一般设定为50倍，有用脑电信号的最小幅值放大到0.5mV,显然10位AD转换器的精度是不够的。在本系统中采用美国美信公司生产的转换速度为165KSPS的16位高精度AD转换器MAX1165，可分辩信号电压变化的最小值为62.5uV，完全满足了系统精度的要求^[3]。

TMS320LF2407具有64K字的程序存储器空间和64K字数据存储器空间，DSP内部有32K字FLASH程序存储器，一般是在程序调试完成后，通过下载线和CCS软件把程序可执行代码烧写进FLASH，使程序上电后从0000H处运行，完成所需的控制功能。但在程序调试时，需要有程序存储器来存放用以仿真的程序代码，而当程序脱离仿真器运行时，可将该外扩存储器设置为数据存储器，增加数据存储能力。

经过AD转换的脑电数据通过IIR数字滤波运算，输出的数据需要上传到PC机，以便实时显示脑电波形及存储打印。由于每个通道脑电波的采样频率为1000Hz,数据精度为16位，所以脑电数据要求的数据传输速率必须高于256Kbit/s，而串口最高的数据传输速率仅为19.2Kbit/s，为满足上、下位机数据实时传输的需要又不增加系统的难度，我们选用了USB100模块作为DSP与上位机的通信接口。其数据传输速率为8Mbit/s^[4]。

为了人体安全，本系统前置端采用浮地差分放大方式以实现人体与电气的隔离，同时为了防止数字电路与模拟电路的干扰电流通过地线相互传递，采用了光电隔离技术，在模拟开关的输出端接上模拟光电隔离器，通过接口与数字电路相连，而模拟开关的四根选通地址线则通过数字光电隔离器与DSP的复用IO口相连，通过DSP选通16个通道，从而避免了数字电路与模拟电路的干扰路径。

DSP与12位DA转换器及8位指示灯的接口电路类似于DSP与AD转换器的接口电路，均通过IO空间寻址，利用OUT指令实现数据的输出。在这里就不赘述了。

硬件系统的各个部分密切相关，硬件系统设计的好坏直接关系到脑电信号数字处理的优劣。

3．系统软件设计

脑电信号的数字信号处理的软件程序由6个相关文件组成，分别是math.h，register.h，LF2407.CMD，RTS2XX.LIB，process.c，cvectors.asm。在上述6个部分文件中，math.h是程序中需要用到的数学公式库文件，register.h是CPU内部的寄存器及其相关定义文件，LF2407.CMD是连接命令文件，指示编译器如何进行程序空间和数据空间的分配，RTS2xxx.LIB库文件由系统提供，cvectors.asm是向量表文件，定义所需的复位和中断向量，process.c主要是完成脑电数字信号处理的功能，是整个系统的核心部分。

    DSP在程序运行过程中，首先上电复位后根据中断向量表程序跳转到主程序入口地址，主程序关中断，对系统进行必要的初始化，对AD转换器和USB100模块进行初始化，并将AD初始化成T4定时中断触发AD转换，启动看门狗，开中断，然后主程序判断AD转换是否完成，如果AD转换没有完成则程序继续等待，如果AD转换完成，读取AD转换的对应通道的数据，调用数字滤波子程序进行数字滤波，将输出结果上传至上位机，然后等待下一个AD转换的数据输入。启动AD转换是通过AD中断服务子程序实现的，在中断服务程序中启动AD转换，转换结束后置位AD转换好标志，告诉主程序读取数据进行数字滤波。

该程序的主程序流程图和中断服务程序流程图如图2所示。

图2  主程序和中断服务程序流程框图

本程序中，IIR数字滤波子程序是核心部分，其算法由MATLAB设计的IIR数字滤波器实现，可表示为下面的输入输出序列：

从数字滤波的公式可以看出，通用数字滤波子程序需要的参数有输入序列x[]，输入序列的滤波系数b[]，输入序列乘积项的系数nl，输出序列y[]，输出序列的滤波系数a[]，输出序列的乘积项系数dl-1，以及相应滤波通道n和该通道的最新输入x(n)。

在上述程序的数字滤波过程中，首先读入相应滤波通道的输入序列x(n)，对输入输出序列乘积项分别求和，然后求出输入输出序列最后的累加和，即为本次输出序列y(n)，在滤波过程中为了防止滤波出现不稳定，所以对输出序列进行了限幅处理，对于16位AD转换的最大输出为65536，所以数字滤波的输出y(n)应该小于65536。因为滤波器设计的是实时数字滤波，所以在本次数字滤波结束后，需要对输入序列进行调整，即将x[i+1]放到x[i]，为下次数字滤波做准备。同理，在输出y(n)的同时，也需要对输出序列进行调整，即将y[i+1]放到y[i]，为下次数字滤波做准备^[4]。

图3是在100MHz双踪示波器上观察到的本系统数字信号处理前后通过DAC输出的脑电波形。

图3  数字处理前后脑电波对比

从上图可以看出，50Hz工频干扰及高频干扰基本得到抑制，有经验的医师从上图中可辩别出脑电波的种类，也能判断受试者的病理状况而无需在上位机再进行信号处理。

4．  结论

由于脑电信号测量的强干扰背景，目前医院使用的脑电放大器仍需开辟专用的屏蔽室，实现脑电信号的实时采集及传输在国内一直是个难题，本文以DSP作为核心器件研究脑电信号处理系统的具体实现，具有一定的开拓性和实用性，在系统的研制过程中，通过对人体脑电波的采集及信号处理进行了大量的实验工作。从实验效果来看，通过本系统采集到的脑电波形清晰干净，可为医生临床监测患者脑疾状况提供信度较高的依据。本系统的设计具有为医院的脑电监护仪器的研制提供参考的价值及较好的应用前景。

本文作者创新点：一是首次将TMS320LF2407应用于16通道的脑电放大器的研制中，充分考虑了脑电信号检测的强干扰的特点以及TMS320LF2407内部资源及控制能力比TMS320C5000系列强的优点，大大缩短了脑电放大器硬件开发的周期；二是在硬件结构上利用了TMS320LF2407内部16通道的ADC并片外扩展了USB100模块，使数据采集及传输能力大大增强；三是在软件结构上利用TMS320LF2407的C语言开发的脑电信号处理系统结构简单、功能可靠，程序可直接烧写到DSP内部FLASH，长时间脱机运行完全正常；四是从数字信号处理算法的选择来看，IIR数字滤波器对干扰的抑制效果非常明显，在实验中通过标准正弦波进行测试证明本系统失真度小、信噪比高；五是由于采用了价格低廉的TMS320C2000系列的DSP，本系统的研制成本低于采用TI公司其它系列的DSP。

参考文献：

[1].郭晶莹，吴晴，商庆瑞 . 基于TMS320VC5509A的指纹识别系统的硬件设计 . 微计算机信息 . 2006，9-2:151-153

[2].刘和平，严利平等，《TMS320LF2407DSP结构、原理及应用》，北京航空航天大学出版社，2002年4月

[3].赵负图，《信号采集与处理集成电路手册.化学工业出版社》，2002年9月

[4].李朝青，《单片机及DSP外围数字IC技术手册》，北京航空航天大学出版社，2003年1月