CN106236081A - 基于dsp、arm的便携式脑电仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于DSP、ARM的便携式脑电仪，包括机壳，所述机壳内设有脑电采集模块、脑电分析及控制模块、系统电源及系统时钟，所述脑电采集模块的输入端与所述脑电分析及控制模块的输入输出端电连接，所述系统电源为所述脑电采集模块、所述脑电分析及控制模块及所述系统时钟提供工作电源，所述系统时钟为所述脑电采集模块、所述脑电分析及控制模块及所述系统电源提供工作时钟。本发明利用DSP强大的数字信号处理能力和ARM在控制接口方面的优势，将脑电信号进行采集、存储，自动初步分析异常脑电信号，医生也可以通过触摸屏直接对采集的信号进行相应分析操作，提供丰富的接口，包括无线、以太网、蓝牙等，可以连接打印机和Internet等，满足实际使用要求。

Description

基于DSP、ARM的便携式脑电仪

技术领域

本发明涉及基于DSP、ARM的便携式脑电仪，属于医疗器械技术领域。

背景技术

大脑是人体最复杂的器官，由大量神经元组成，控制着人的认知和行为。脑电信号是神经元发出的生物电现象，是随时间变化的电位，人脑的各种生理机能就是由这些电现象来完成的。19世纪70年代，英国科学家Richard Caton把一个检流计的两个电极放到人的头皮上，第一次记录了大脑活动的电现象；1929年，德国精神病学家Hans Berger首次在相纸上记录了几分钟的脑电信号，并做了详细的报告，从此人们开始对脑电活动进行系统的研究。通过研究脑电信号，我们可以了解人们的认知、行为跟脑电信号的关系，从而辅助脑部疾病的诊断及帮助残疾人康复。

进行脑电信号的研究，就需要一种能记录脑电波的仪器，日本电子医学博士伊腾贤治教授在前人研究的基础上，发明了脑电图仪。脑电图仪主要有老式的热笔描记式脑电仪和现在的数字化脑电仪两大类；热笔描记式脑电仪利用机械方式，用描笔将脑电图记录在纸上，以供医生诊断病情；数字化脑电仪，是由传感器、电路、计算机等构成的，脑电信号由传感器采集后，经过模数转换电路后，传送给计算机进行显示和存储。

热笔描记式脑电仪成本较低，目前广泛应用在临床上，但是这种脑电仪只能依照医生判断，选择记录某时段人类脑电波情况，实时监测实现比较困难，而脑电波异常现象是经常是偶发性的，因此这款在捕捉偶发脑电信号方面就显得力不从心；数字化脑电仪利用计算机存储器进行存储，免去了记录纸的使用，便于24小时监测，另外经过对计算机编程，可以实现一些简单的分析功能，挑选出异常脑电信号，减轻医生工作负担，因此数字化脑电仪是未来一个发展趋势。

目前数字化脑电仪基本都要依托计算机作为其上位机，即通过采集、放大、A/D转换后，将脑电信号传送给计算机，借助计算机进行显示、存储、分析处理等；另有一种便携式动态脑电监护仪，将存储功能与前端采集、放大、A/D转换相结合，直接将采集到的脑电信号进行存储，后期可以将存储的信号放到计算机上进行分析处理；前者体积庞大、成本高，只能在一些医院里进行使用，后者没有独立分析处理信号能力和可供使用者对信号进行相应操作的功能，只能简单记录。为此，需要发明一种新的技术方案，能够综合型克服上述现有技术中存在的不足。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种基于DSP、ARM的便携式脑电仪，该脑电仪利用DSP强大的数字信号处理能力和ARM在控制接口方面的优势，将脑电信号进行采集、存储，自动初步分析异常脑电信号，医生也可以通过触摸屏直接对采集的信号进行相应分析操作，提供丰富的接口，包括无线、以太网、蓝牙等，可以连接打印机和Internet等，满足了实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

基于DSP、ARM的便携式脑电仪，包括：机壳，所述机壳内设置有脑电采集模块、脑电分析及控制模块、系统电源以及系统时钟，所述脑电采集模块的输入输出端与所述脑电分析及控制模块的输入输出端电连接，所述系统电源用于为所述脑电采集模块、所述脑电分析及控制模块及所述系统时钟提供工作电源，所述系统时钟用于为所述脑电采集模块、所述脑电分析及控制模块及所述系统电源提供工作时钟。

作为上述技术方案的改进，所述脑电采集模块由银管电极、右腿驱动电路、前置放大电路、工频陷波电路、一级放大电路、二级放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路组成，其中，所述银管电路由第1、第2……第16电极构成；所述脑电采集模块的工作方法为由所述银管电极与人的头皮相接触，所述银管电极的输出端与所述前置放大电路的输入端电连接，所述前置放大的第一输出端与所述右腿驱动电路的输入端电连接，所述前置放大电路的第二输出端与所述工频陷波的输入端电连接，所述工频陷波的输出端与所述一级放大电路的输入端电连接，所述一级放大电路的输出端与所述二级放大电路的输入端电连接，所述二级放大电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端电连接，所述低通滤波电路的输出端与所述A/D转换电路的输入端电连接，且所述A/D转换电路的输入输出端即为所述脑电采集模块的输入输出端。

作为上述技术方案的改进，所述脑电分析及控制模块由DSP处理器、HPIB接口电路、ARM处理器、触摸屏、FLASH、RAM、蓝牙、WiFi无线网络、USB接口及存储器组成，其中，所述DSP处理器的第一输入输出端即为所述脑电分析及控制模块的输入输出端、且与所述电脑采集模块的输入输出端电连接，所述DSP处理器的第二输入输出端与所述HPIB接口电路的第一输入输出端电连接，所述HPIB接口电路的第二输入输出端与所述ARM处理器的第一输入输出端电连接，所述ARM处理器的第二输入输出端与所述触摸屏的输入输出端电连接，所述ARM处理器的第三输入输出端与所述FLASH的输入输出端电连接，所述ARM处理器的第四输入输出端与所述RAM的输入输出端电连接，所述ARM处理器的第五输入输出端与所述蓝牙的输入输出端电连接，所述ARM处理器的第六输入输出端与所述WiFi无线网络的输入输出端电连接，所述ARM处理器的第七输入输出端与所述USB接口的第一输入输出端电连接，所述USB接口的第二输入输出端与所述存储器的输入输出端电连接，且所述触摸屏设置在所述机壳外部。

作为上述技术方案的改进，所述机壳外部设置有触摸屏、电极导线接口、以太网接口及电源接口组成，其中，所述电极导线接口通过导线与所述银管电极电连接，所述以太网接口通过网线与路由器连接，所述电源接口与外部电源电连接。

作为上述技术方案的改进，所述触摸屏显示内容及功能包括通道选择按钮、脑电图波形显示、功能选择按钮及波形控制按钮。

其中，脑电信号包含了大量的生理和病理信息，是进行神经系统疾病诊断的重要依据，脑电信号是内阻非常大的低频微弱信号，内阻可达几十乃至几百kΩ，频率一般在30Hz以下，幅度属于μV数量级，极易受到干扰，针对这些特点，我们设计了采用右腿驱动的多级放大滤波电路。前端采用经过镀银处理的银管电极5作为导电极，并在头皮上涂上导电膏以增加导电性，银管电极的输出端，通过导联线发送到前置放大电。

本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪，控制方法包括如下步骤：

作为上述技术方案的改进，所述脑电采集模块的工作方法包括以下步骤：

步骤1：采用将所述银管电极通过与头皮接触的方式，采集人体脑电信号，经过脑电采集模块进行前置放大、工频陷波、后级放大、滤波、A/D处理后得到数字脑电信号；

步骤2：通过脑电分析及控制模块对步骤1处理后的数字脑电信号进行分析及存储，按要求显示及提供操作界面。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤1中所述的前置放大包括以下步骤：

步骤1：输入端采用由电容和电阻构成的交流耦合电路来滤除电极极化电压；

步骤2：采用AD620作为主放大器，AD620是一款低功耗、高精度仪表放大器，利用外部电阻可以设置1～1000的放大倍数；

步骤3：前级采用并联型差动放大器，理想情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大；

步骤4：放大器和电阻构成并联差动放大器；

步骤5：AD620内部的射频整流在高频率下，效果不很好，因此增加一个射频滤波器来完善电路；

步骤6：接入右腿驱动电路来消除来自人体的共模信号干扰。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤6中所述的右腿驱动电路包括以下步骤：

步骤1：右腿不直接接地，而是接到辅助放大器的输出端；

步骤2：从电阻的公共端提取共模电压，经电压跟随器，再通过反向放大；

步骤3：对步骤2的放大信号，经限流电阻反馈到人体，限流电阻的作用用于保证人体安全性，限制流入人体的电流大小。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤1所述的工频陷波包括以下步骤：

步骤1：采用Q值可调的双T带阻滤波器；

步骤2：T网络由两个放大器构成；

步骤3：通过选择合适外围电阻电容和调节电位器，使得中心频率在50Hz左右。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤1中所述的后级放大包括以下步骤：

步骤1：用于脑电信号的再次放大，为防止放大器倍数过大导致放大后图形失真，采用了两次放大；

步骤2：信号经滤波电容，滤除前一级引入的漂移电流，限制带宽，减小白噪；

步骤3：采用实用型反向放大器，第一次放大信号；

步骤4：采用实用型反向放大器，第二次放大信号。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤1所述的滤波电路包括以下步骤：

步骤1：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第一次滤波；

步骤2：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第二次滤波，两次滤波后，截至频率设定在40Hz左右，滤除信号中的高频噪声，保留脑电频段信号。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤1中所述A/D电路包括以下步骤：

步骤1：采用具有高速串行数据接口的AD977芯片，外部参考电压源AD780输入端接5V，GND引脚与AD977的模拟地相连，AD780输出端与AD977的基准电压REF引脚相连；

步骤2：ARM主控芯片通过AD977的工作状态输出端、读取/转换控制端、片选信号控制AD977的运行，DSP芯片通过数据输出端、串行数据时钟端与AD977进行数据传输；

步骤3：模拟信号通过阻抗匹配电阻输入到AD977的R1in引脚，经过转换后由AD977的DATA口输出给DSP。

作为上述技术方案的改进，对上述步骤2中所述的操作包括以下步骤：

步骤1：DSP接收AD977的DATA口传送的数字脑电信号，根据ARM指令对其进行滤波、功率谱计算及小波变换；

步骤2：DSP将处理过的和未处理的脑电信号通过HPI接口传送给ARM；

步骤3：ARM将信号显示在液晶屏上，并提供相应操作按钮；

步骤4：根据按钮选择，ARM进行相应操作。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述的基于DSP、ARM的便携式脑电仪，该脑电仪利用DSP强大的数字信号处理能力和ARM在控制接口方面的优势，将脑电信号进行采集、存储，自动初步分析异常脑电信号，医生也可以通过触摸屏直接对采集的信号进行相应分析操作，提供丰富的接口，包括无线、以太网、蓝牙等，可以连接打印机和Internet等，满足了实际使用要求。

附图说明

图1为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪外形图；

图2为发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪结构框图；

图3为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电采集模块前置放大电路原理图；

图4为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电采集模块工频陷波电路原理图；

图5为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电采集模块后级放大电路原理图；

图6为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电采集模块低通滤波电路原理图；

图7为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电采集模块A/D转换电路原理图；

图8为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块HPI接口电路原理图；

图9为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块HPI接口写流程图；

图10为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块HPI接口读流程图；

图11为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块触摸屏接口电路原理图；

图12为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块USB接口电路原理图；

图13为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块NANDFLASH电路原理图；

图14为本发明基于DSP、ARM的便携式脑电仪脑电分析及控制模块以太网电路原理图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1至图2所示，为本发明所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，包括：机壳23，机壳23内设置有脑电采集模块1、脑电分析及控制模块2、系统电源3以及系统时钟4，脑电采集模块1的输入输出端与脑电分析及控制模块2的输入输出端电连接，系统电源3用于为脑电采集模块1、脑电分析及控制模块2及所述系统时钟4提供工作电源，系统时钟4用于为脑电采集模块2、脑电分析及控制模块2及系统电源3提供工作时钟。脑电采集模块1由银管电极5、右腿驱动电路6、前置放大电路7、工频陷波电路8、一级放大电路9、二级放大电路10、低通滤波电路11、A/D转换电路12组成，其中，银管电路5由第1、第2……第16电极构成；脑电采集模块1的工作方法为由银管电极5与人的头皮相接触，银管电极5的输出端与前置放大电路7的输入端电连接，前置放大电路7的第一输出端与右腿驱动电路6的输入端电连接，前置放大电路7的第二输出端与工频陷波8的输入端电连接，工频陷波8的输出端与一级放大电路9的输入端电连接，一级放大电路9的输出端与二级放大电路10的输入端电连接，二级放大电路10的输出端与低通滤波电路11的输入端电连接，低通滤波电路11的输出端与A/D转换电路12的输入端电连接，且A/D转换电路12的输入输出端即为脑电采集模块1的输入输出端。脑电分析及控制模块2由DSP处理器13、HPIB接口电路14、ARM处理器15、触摸屏16、FLASH17、RAM18、以太网接口19、WiFi无线网络20、USB接口21及存储器22组成，其中，DSP处理器13的第一输入输出端即为脑电分析及控制模块2的输入输出端、且与电脑采集模块1的输入输出端电连接，DSP处理器13的第二输入输出端与HPIB接口电路14的第一输入输出端电连接，HPIB接口电路14的第二输入输出端与ARM处理器15的第一输入输出端电连接，ARM处理器15的第二输入输出端与触摸屏16的输入输出端电连接，ARM处理器15的第三输入输出端与FLASH17的输入输出端电连接，ARM处理器15的第四输入输出端与RAM18的输入输出端电连接，ARM处理器15的第五输入输出端与以太网接口19的输入输出端电连接，ARM处理器15的第六输入输出端与所WiFi无线网络20的输入输出端电连接，ARM处理器15的第七输入输出端与USB接口21的第一输入输出端电连接，USB接口21的第二输入输出端与存储器22的输入输出端电连接，且触摸屏16设置在机壳23外部。机壳23外部设置有触摸屏16、电极导线接口24、以太网接口19及电源接口25组成，其中，电极导线接口24通过导线与银管电极5电连接，以太网接口19通过网线与路由器连接，电源接口25与外部电源电连接。触摸屏16显示内容及功能包括通道选择按钮26、脑电图波形显示27、功能选择按钮28及波形控制按钮29。本发明所述的一种基于DSP、ARM的便携式脑电仪，该脑电仪利用DSP强大的数字信号处理能力和ARM在控制接口方面的优势，将脑电信号进行采集、存储，自动初步分析异常脑电信号，医生也可以通过触摸屏直接对采集的信号进行相应分析操作，提供丰富的接口，包括无线、以太网、蓝牙等，可以连接打印机和Internet等，满足了实际使用要求。

其中，脑电信号包含了大量的生理和病理信息，是进行神经系统疾病诊断的重要依据，脑电信号是内阻非常大的低频微弱信号，内阻可达几十乃至几百kΩ，频率一般在30Hz以下，幅度属于μV数量级，极易受到干扰，针对这些特点，我们设计了采用右腿驱动的多级放大滤波电路。前端采用经过镀银处理的银管电极5作为导电极，并在头皮上涂上导电膏以增加导电性，银管电极的输出端，通过导联线发送到前置放大电。

其一、所述脑电采集模块1的工作方法包括以下步骤：

步骤1：采用将银管电极通过与头皮接触的方式，采集人体脑电信号，经过脑电采集模块进行前置放大、工频陷波、后级放大、滤波、A/D处理后得到数字脑电信号；

步骤2：通过脑电分析及控制模块对步骤1处理后的数字脑电信号进行分析及存储，按要求显示及提供操作界面。

其二、对上述步骤1中所述的前置放大包括以下步骤：

步骤1：输入端采用由电容和电阻构成的交流耦合电路来滤除电极极化电压；

步骤2：采用AD620作为主放大器，AD620是一款低功耗、高精度仪表放大器，利用外部电阻可以设置1～1000的放大倍数；

步骤3：前级采用并联型差动放大器，理想情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大；

步骤4：放大器和电阻构成并联差动放大器；

步骤5：AD620内部的射频整流在高频率下，效果不很好，因此增加一个射频滤波器来完善电路；

步骤6：接入右腿驱动电路来消除来自人体的共模信号干扰。

其三、对上述步骤6中所述的右腿驱动电路6包括以下步骤：

步骤1：右腿不直接接地，而是接到辅助放大器的输出端；

步骤2：从电阻的公共端提取共模电压，经电压跟随器，再通过反向放大；

步骤3：对步骤2的放大信号，经限流电阻反馈到人体，限流电阻的作用用于保证人体安全性，限制流入人体的电流大小。

其四、对上述步骤1所述的工频陷波包括以下步骤：

步骤1：采用Q值可调的双T带阻滤波器；

步骤2：T网络由两个放大器构成；

步骤3：通过选择合适外围电阻电容和调节电位器，使得中心频率在50Hz左右。

其五、对上述步骤1中所述的后级放大包括以下步骤：

步骤1：用于脑电信号的再次放大，为防止放大器倍数过大导致放大后图形失真，采用了两次放大；

步骤2：信号经滤波电容，滤除前一级引入的漂移电流，限制带宽，减小白噪；

步骤3：采用实用型反向放大器，第一次放大信号；

步骤4：采用实用型反向放大器，第二次放大信号。

其六、对上述步骤1所述的滤波电路包括以下步骤：

步骤1：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第一次滤波；

步骤2：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第二次滤波，两次滤波后，截至频率设定在40Hz左右，滤除信号中的高频噪声，保留脑电频段信号。

其七、对上述步骤1中所述A/D电路包括以下步骤：

步骤1：采用具有高速串行数据接口的AD977芯片，外部参考电压源AD780输入端接5V，GND引脚与AD977的模拟地相连，AD780输出端与AD977的基准电压REF引脚相连；

步骤2：ARM主控芯片通过AD977的工作状态输出端、读取/转换控制端、片选信号控制AD977的运行，DSP芯片通过数据输出端、串行数据时钟端与AD977进行数据传输；

步骤3：模拟信号通过阻抗匹配电阻输入到AD977的R1in引脚，经过转换后由AD977的DATA口输出给DSP。

其八、对上述步骤2中所述的操作包括以下步骤：

步骤1：DSP接收AD977的DATA口传送的数字脑电信号，根据ARM指令对其进行滤波、功率谱计算及小波变换；

步骤2：DSP将处理过的和未处理的脑电信号通过HPI接口传送给ARM；

步骤3：ARM将信号显示在液晶屏上，并提供相应操作按钮；

步骤4：根据按钮选择，ARM进行相应操作。

具体地，如图3所示，前置放大电路在整个系统中非常重要，能影响整个系统的性能，因此前置放大器要求高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和低漂移；前置放大电路采用AD620作为主放大器，AD620是一款低功耗、高精度仪表放大器，利用外部电阻可以设置1～1000的放大倍数；输入端首先采用由电容C1、C2和电阻R1、R2构成的交流耦合电路来滤除电极极化电压；前级采用并联型差动放大器，理想情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大；并联差动放大器主要由放大器A1、A2和电阻R3、R4、R5构成，由于AD620内部的射频整流在高频率下，效果不很好，因此增加一个射频滤波器来完善电路，该部分主要由电阻R6、R7和电容C3、C4、C5构成。最后信号送入主放大器AD620输入端，R8、R9用于设置放大倍数。右腿驱动电路用来消除来自人体的共模信号干扰；右腿不是直接接地，而是接到辅助放大器的输出端，从电阻R1、R2的公共端提取共模电压，经A3电压跟随器，再通过A4反向放大后，经R12反馈到人体；R12的作用用于保证人体安全性，限制流入人体的电流大小。

如图4所示，工频陷波电路用于滤除脑电信号中混杂的工频，脑电信号幅值很低，人体工频干扰幅值比脑电信号要强的多，脑电信号很容易淹没在工频干扰中，因此必须加以滤除，工频陷波电路采用Q值可调的双T带阻滤波器，双T网络由放大器A5、A6构成，通过选择合适的电阻R13、R14、R15、R17和电容C7、C8、C9及调节可调电阻R16，使得中心频率在50Hz左右。

如图5所示，后级放大电路用于脑电信号的再次放大，为防止放大器倍数过大导致放大后图形失真，采用了两次放大；前级放大由放大器A7，电阻R18、R19和电容C11构成；后级放大由放大器A8，电阻R20、R21和电容C12构成；这两级都是实用型反向放大器，在输入端加入滤波电容C10，用于滤除前一级引入的漂移电流，限制带宽，减小白噪。

如图6所示，低通滤波电路用于滤除信号中的高频噪声，保留脑电频段信号，采用两级的巴特沃斯滤波器；脑电信号频率在30Hz以下，把低通滤波器的截至频率设定在40Hz左右；第一级由放大器A9，电阻R22、R23及电容C13、C14构成，第二级由放大器A10，电阻R24、R25及电容C15、C16构成。

其中，经过滤波放大的脑电信号，是模拟信号，系统不能对其进行识别和处理，需要经过AD转换，将其转换为数字信号。

如图7所示，是A/D转换电路，由于脑电信号为16路，如果采用并行传输，将占用大量端口，因此我们采用具有高速串行数据接口的AD977芯片，脑电信号的A/D转换对采集速度要求不是很高，但是分辨率有较高要求，AD977是逐次逼近型模数转换芯片，其转换速率和分辨率介于并行比较型和调制型之间，其采集速度和分辨率很适合脑电信号的A/D转换；AD977工作电压5V，最高采样速率200kS/s，提供三个模拟信号输入端和一个数字信号输出端，内部2.5V参考电压可选，可以通过端口设置输出数据格式(二进制码/二进制补码)，用于选择外部时钟/内部时钟，可由主控芯片控制其工作状态。

其中，模拟信号通过阻抗匹配电阻R26输入到AD977的R1in引脚，AD977的数字电压端VDIG接工作电压5V，R2in和R3in通过电阻R27、R28接地。AD977内部参考电压源温度系数较大，不适合本设计要求，因此采用温度系数较小的AD780作为外部参考电压源；AD780的IN引脚接工作电压5V，GND引脚与AD977的模拟地AGND1相连，TEMP引脚通过电容C17接地，输出端OUT接入AD977的基准电压REF引脚；AD977的模拟电压端VANA接电压5V，缓冲输出参考端CAP通过电容C23接地，并于R3in脚相连，模拟地AGND2接地；AD977工作状态输出端读取/转换控制端片选信号通过接线端P1接ARM芯片，数据输出端DATA、串行数据时钟端DATACLK通过接线端P2接DSP芯片，输出数据格式选择端串行数据时钟模式选择端低电平输入端PWRD、级联输入端TAG、数字地DGND接地。

此外，该系统采用ARM+DSP的结构，ARM是主处理器，负责运行系统、控制输入输出及外设，DSP作为从处理器，负责进行数据运算；ARM在控制、接口方面有突出优势，而DSP具有强大的数字信号处理能力；系统在工作中有大量的数据需要在ARM与DSP间交换，因此选用一种合适的数据通讯接口，对整个系统的运行速度和性能有较大影响。

电路原理图，如图8所示。HPI(Host Port Interface)主机接口是16位并行接口，是DSP提供给主处理器访问其内存空间的通道，HPI通过EDMA控制器实现与DSP存储空间的互联，跟其他通信方式相比，HPI通信不会造成系统的额外软硬件开销，因此不会打断主程序的运行，实时性好、传输量大，非常适合该系统中ARM与DSP的数据通信。

其中，HPI有三个寄存器，分别是控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)和数据寄存器(HPID)，HPIC用来存放主处理器对DSP控制信息的，HPIA存放主处理器访问DSP存储空间的地址信息，HPID存放的是主处理器从DSP读取或者向DSP写入的数据。当前被选中的寄存器由HCNTL0、HCNTL1引脚的信号确定，00表示主处理器对HPIC读写操作，10表示主处理器对HPIA读写操作，01表示主处理器以地址自增方式对HPID读写操作，11表示主处理器以固定地址方式对HPID读写操作。HCNTL0、HCNTL1的信号由ARM的地址线(LADDR2、LADDR3)提供。DSP内部寄存器(HPIC、HPIA、HPID)均为32位，而HPI接口是16位，因此每次传输都是通过两次完成，HHWIL用来确定当前传输的是第一个半字还是第二个半字，0表示当前传输的是第一个半字，1表示当前传输的是第二个半字，该信号由ARM的地址线LADDR5提供；用来表示对寄存器是读操作还是写操作，低电平时表示主控制器写相应的寄存器，高电平时表示主控制器读相应的控制器，该信号由ARM的地址线LADDR4提供。HDS1、HDS2是读/写选通信号，HCS是片选信号，这三个信号合成HSTROBE信号，运算逻辑是NOT(HDS1XOR HDS2)ANDHCS，即HCS有效并且HDS1、HDS2任意一个有效时，HSTROBE有效，HSTROBE是内部选通信号，用来锁存其他控制信号状态。HCS、HDS1、HDS2信号分别由ARM的外部总线接口控制信号线nGCS1、nOE、nWE提供。为主处理器提供准备就绪信号，1表示正在执行HPI的访问，当前的读取操作不能执行，处于等待状态，0表示HPI准备就绪，可以进行读取数据操作，该引脚与主控制器nWAIT相连。HINT是DSP向主处理器发出的中断请求信号，主处理器响应中断后，开始对DSP存储空间进行读取，该引脚与主处理器EINT3相连。图9和图10是HPI接口写/读流程图。

触摸屏电路，如图11所示，液晶屏的1脚、2脚连接电源，液晶屏的3～28脚依次连接ARM的LCD数据总线VD[0:23]，液晶屏的29脚接地，液晶屏的30脚接ARM的LCD面板电源使能控制信号LCD_PWR，液晶屏的31脚接ARM的定时器输出TOUT1，液晶屏的32脚接复位信号nRESET，液晶屏的33脚接ARM的VM交替行列电压极性引脚，液晶屏的34脚接ARM的LCD帧信号引脚VFRAME，液晶屏的35脚接ARM的LCD行信号引脚，液晶屏的36脚接ARM的LCD时钟信号VCLK，液晶屏的37脚、38脚、39脚、40脚接ARM的ADC输入AIN4、AIN5、AIN6、AIN7，液晶屏的41脚接地。

USB接口电路，如图12所示，由电阻和USB接口组成，其中电阻由第一电阻R29、第二电阻R30、第三电阻R31、第四电阻R32组成，ARM的USB host的DATA(-)接第一电阻R29的一端，第一电阻R29的另一端接USB接口的数据负线D-，同时经过第三电阻R31接地，ARM的USBhost的DATA(+)接第二电阻R30的一端，第二电阻R30的另一端接USB接口的数据正线D+，同时经过第四电阻R32接地，USB接口的VBUS端接+5V，GND端接地。

ARM的NANDFLASH电路，如图13所示，由电阻、电容和芯片U4组成，U4选用的是K9F1208。U4的就绪/忙输出引脚接ARM的Nand flash准备好/忙信号FRnB，同时通过第一电阻R33接电源，U4的设备选择控制引脚接ARM的Nand flash芯片使能信号nFCE，U4的CLE脚输入控制了发送到命令寄存器的命令，接ARM的命令锁存使能信号CLE，U4的ALE脚输入控制了地址发送到内部地址寄存器中，配合nWE锁存地址，接ARM的地址锁存使能信号，U4写使能命令引脚接ARM的Nand flash写使能信号nFWE，U4的读使能引脚接ARM的Nandflash读使能信号nFRE，U4的输入输出引脚I/O[0:7]用来输入命令、地址和输入输出数据，接ARM的数据总线DATA[0:7]。

最后，网络接口电路，如图14所示，由电阻、电容、晶振、芯片、网口组成。电阻由第一电阻R34、第二电阻R35、第三电阻R36、第四电阻R37、第五电阻R38、第六电阻R39、第七电阻R40、第八电阻R41、第九电阻R42、第十电阻R43、第十一电阻R44、第十二电阻R45组成，电容由第一电容C25、第二电容C26、第三电容C27、第四电容C28、第五电容C29组成，晶振X1，频率为25MHz，芯片U5选用DM9000，网口是RJ45；U5处理器读命令引脚IOR#接ARM的读使能端nOE，U5处理器写命令引脚IOW#接ARM的写使能端new，U5芯片选择引脚AEN接ARM的通用芯片选择端nGCS[4]，U5处理器命令就绪引脚IOWAIT经过第六电阻R39接3.3V，U5的DVDD引脚接电源，U5的数据地址复用总线SD[0:7]接ARM的数据总线DATA[0:7]，U5的硬件复位引脚RST接地，U5的25M晶振输入输出引脚X1_25M、X2_25M接晶振X1两端，并通过第一电容C25和第二电容C26接地，U5的带隙引脚BGRES经过第五电阻R38接地，U5的物理层接收端正极RXI+接网口的数据接收正端RD+，U5的物理层接收端的负极RXI-接网口的数据接收负端RD-，U5的物理层发送端口正极TXO+接网口的数据发送正端TD+，U5的物理层发送端口的负极TXO-接网口的数据接收负端TD-，U5的带宽选择端SPEED100#经过第三电阻R36接网口LED，U5的载波监听检测连接端LINK&ACT#连接网口LED，U5的电缆连接状态显示输出端LINK_O通过第二电阻R35接网口LED，U5的唤醒信号端WAKEUP通过第一电阻R34接网口LED。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：包括：机壳(23)，所述机壳(23)内设置有脑电采集模块(1)、脑电分析及控制模块(2)、系统电源(3)以及系统时钟(4)，所述脑电采集模块(1)的输入输出端与所述脑电分析及控制模块(2)的输入输出端电连接，所述系统电源(3)用于为所述脑电采集模块(1)、所述脑电分析及控制模块(2)及所述系统时钟(4)提供工作电源，所述系统时钟(4)用于为所述脑电采集模块(1)、所述脑电分析及控制模块(2)及所述系统电源(3)提供工作时钟。

2.根据权利要求1所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：所述脑电采集模块(1)由银管电极(5)、右腿驱动电路(6)、前置放大电路(7)、工频陷波电路(8)、一级放大电路(9)、二级放大电路(10)、低通滤波电路(11)、A/D转换电路(12)组成，其中，所述银管电路(5)由第1、第2一直到第16电极构成；所述脑电采集模块(1)的工作方法为由所述银管电极(5)与人的头皮相接触，所述银管电极(5)的输出端与所述前置放大电路(7)的输入端电连接，所述前置放大电路(7)的第一输出端与所述右腿驱动电路(6)的输入端电连接，所述前置放大电路(7)的第二输出端与所述工频陷波(8)的输入端电连接，所述工频陷波(8)的输出端与所述一级放大电路(9)的输入端电连接，所述一级放大电路(9)的输出端与所述二级放大电路(10)的输入端电连接，所述二级放大电路(10)的输出端与所述低通滤波电路(11)的输入端电连接，所述低通滤波电路(11)的输出端与所述A/D转换电路(12)的输入端电连接，且所述A/D转换电路(12)的输入输出端即为所述脑电采集模块(1)的输入输出端。

3.根据权利要求1所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：所述脑电分析及控制模块(2)由DSP处理器(13)、HPIB接口电路(14)、ARM处理器(15)、触摸屏(16)、FLASH(17)、RAM(18)、以太网接口(19)、WiFi无线网络(20)、USB接口(21)及存储器(22)组成，其中，所述DSP处理器(13)的第一输入输出端即为所述脑电分析及控制模块(2)的输入输出端、且与所述电脑采集模块(1)的输入输出端电连接，所述DSP处理器(13)的第二输入输出端与所述HPIB接口电路(14)的第一输入输出端电连接，所述HPIB接口电路(14)的第二输入输出端与所述ARM处理器(15)的第一输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第二输入输出端与所述触摸屏(16)的输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第三输入输出端与所述FLASH(17)的输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第四输入输出端与所述RAM(18)的输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第五输入输出端与所述以太网接口(19)的输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第六输入输出端与所述WiFi无线网络(20)的输入输出端电连接，所述ARM处理器(15)的第七输入输出端与所述USB接口(21)的第一输入输出端电连接，所述USB接口(21)的第二输入输出端与所述存储器(22)的输入输出端电连接，且所述触摸屏(16)设置在所述机壳(23)外部。

4.根据权利要求1所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：所述机壳(23)外部设置有触摸屏(16)、电极导线接口(24)、以太网接口(19)及电源接口(25)组成，其中，所述电极导线接口(24)通过导线与所述银管电极(5)电连接，所述以太网接口(19)通过网线与路由器连接，所述电源接口(25)与外部电源电连接。

5.根据权利要求3所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：所述触摸屏(16)显示内容及功能包括通道选择按钮(26)、脑电图波形显示(27)、功能选择按钮(28)及波形控制按钮(29)。

6.根据权利要求2所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：所述脑电采集模块(1)的工作方法包括以下步骤：

步骤1：采用将所述银管电极通过与头皮接触的方式，采集人体脑电信号，经过脑电采集模块进行前置放大、工频陷波、后级放大、滤波、A/D处理后得到数字脑电信号；

步骤2：通过脑电分析及控制模块对步骤1处理后的数字脑电信号进行分析及存储，按要求显示及提供操作界面。

7.根据权利要求6所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：对上述步骤1中所述的前置放大包括以下步骤：

步骤1：输入端采用由电容和电阻构成的交流耦合电路来滤除电极极化电压；

步骤2：采用AD620作为主放大器，AD620是一款低功耗、高精度仪表放大器，利用外部电阻可以设置1～1000的放大倍数；

步骤3：前级采用并联型差动放大器，理想情况下，并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大；

步骤4：放大器和电阻构成并联差动放大器；

步骤5：AD620内部的射频整流在高频率下，效果不很好，因此增加一个射频滤波器来完善电路；

步骤6：接入右腿驱动电路来消除来自人体的共模信号干扰。

8.根据权利要求7所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：对上述步骤6中所述的右腿驱动电路(6)包括以下步骤：

步骤1：右腿不直接接地，而是接到辅助放大器的输出端；

步骤2：从电阻的公共端提取共模电压，经电压跟随器，再通过反向放大；

步骤3：对步骤2的放大信号，经限流电阻反馈到人体，限流电阻的作用用于保证人体安全性，限制流入人体的电流大小。

9.根据权利要求6所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：对上述步骤1所述的工频陷波包括以下步骤：

步骤1：采用Q值可调的双T带阻滤波器；

步骤2：T网络由两个放大器构成；

步骤3：通过选择合适外围电阻电容和调节电位器，使得中心频率在50Hz左右。

10.根据权利要求6所述基于DSP、ARM的便携式脑电仪，其特征在于：对上述步骤1中所述的后级放大包括以下步骤：

步骤1：用于脑电信号的再次放大，为防止放大器倍数过大导致放大后图形失真，采用了两次放大；

步骤2：信号经滤波电容，滤除前一级引入的漂移电流，限制带宽，减小白噪；

步骤3：采用实用型反向放大器，第一次放大信号；

步骤4：采用实用型反向放大器，第二次放大信号；

步骤5：对权利要求6中步骤1所述的滤波电路包括以下步骤：

(a)：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第一次滤波；

(b)：采用巴特沃斯滤波器，由放大器、电阻、电容构成，对信号进行第二次滤波，两次滤波后，截至频率设定在40Hz左右，滤除信号中的高频噪声，保留脑电频段信号；

步骤6：对权利要求6中步骤1中所述A/D电路包括以下步骤：

(a)：采用具有高速串行数据接口的AD977芯片，外部参考电压源AD780输入端接5V，GND引脚与AD977的模拟地相连，AD780输出端与AD977的基准电压REF引脚相连；

(b)ARM主控芯片通过AD977的工作状态输出端、读取/转换控制端、片选信号控制AD977的运行，DSP芯片通过数据输出端、串行数据时钟端与AD977进行数据传输；

(c)模拟信号通过阻抗匹配电阻输入到AD977的R1in引脚，经过转换后由AD977的DATA口输出给DSP；

步骤7：对权利要求6中步骤2中所述的操作包括以下步骤：

(a)DSP接收AD977的DATA口传送的数字脑电信号，根据ARM指令对其进行滤波、功率谱计算及小波变换；

(b)DSP将处理过的和未处理的脑电信号通过HPI接口传送给ARM；

(c)ARM将信号显示在液晶屏上，并提供相应操作按钮；

(d)根据按钮选择，ARM进行相应操作。