前言
腦電信號(hào)EEG(Electroencephalography)是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng),,含有豐富的大腦活動(dòng)信息。它是大腦研究,、生理研究和臨床腦疾病診斷的重要手段,。記錄腦電信號(hào),可為臨床診斷提供依據(jù),。因此,,提取腦電信號(hào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于腦電信號(hào)處理一般都是基于數(shù)字技術(shù),,因此電極采集到的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后,,通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是必不可少的過程。這里提出一種基于FPGA和AD977A的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,采用FPGA作為信號(hào)處理器,,并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換,,從而實(shí)現(xiàn)高可靠性,高通用性的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
通過對(duì)人體進(jìn)行視覺刺激,、聽覺刺激或神經(jīng)刺激,使人體的大腦皮層產(chǎn)生一個(gè)誘發(fā)電位,,通過電極連接來獲取該誘發(fā)電位,,將此電位經(jīng)放大濾波后使其滿足采集系統(tǒng)要求,輸出的模擬信號(hào)通過高速串門A/D轉(zhuǎn)換器AD977A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。給FPGA一個(gè)啟動(dòng)/停止信號(hào),,用其控制模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等,。采用USB器件與FPGA直接連接,,這樣通過時(shí)序即可控制FP-GA與USB的通信。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖,。
3 高速串行A/D轉(zhuǎn)換器AD977A簡(jiǎn)介
A/D轉(zhuǎn)換器種類很多,,其中F1ash A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度高,但分辨率低,,適用于雷達(dá)信號(hào)的采集及處理等方面,;∑-△A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高,但轉(zhuǎn)換速度低,,適用于音頻及低頻信號(hào)的采集處理等領(lǐng)域,;逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率介于前兩者之間,適用于控制系統(tǒng)等中速率采集而分辨率要求較高的場(chǎng)合,。而AD977A是一款逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,AD977A具有以下主要特點(diǎn):?jiǎn)坞娫? V供電,;最高采樣速率為200 kS/s,;內(nèi)部2.5 V參考電源可選;高速串行數(shù)據(jù)接口,;內(nèi)部時(shí)鐘可選,;低功耗,最大功耗100 mW,,省電模式下50 μW,;輸入電壓范圍:?jiǎn)螛O性0~4 V,0~5 V和0~10 V,;雙極性-3.3~+3.3 V,,-5~+5 V和-10~+10 V;采用20針DIP或SOIC封裝,。AD977A內(nèi)部功能框圖如圖2所示,。
AD977A的控制引腳的功能描述如下:R1IN,、R2IN、R3IN為模擬信號(hào)輸入端,;AGND1,、AGND2為模擬地;DGND為數(shù)字地:CAP為緩沖輸出參考端,;REF為基準(zhǔn)電壓,;SB/BTC用于選擇輸出數(shù)據(jù)格式,高電平為二進(jìn)制碼,,低電平為二進(jìn)制補(bǔ)碼,;EXT/INT用于選擇DATACLK時(shí)鐘模式,高電平選擇外部時(shí)鐘,,低電平選擇內(nèi)部時(shí)鐘,;SYNC是外部時(shí)鐘模式下幀同步信號(hào)輸出:DATACLK為串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘端;DATA用于輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果:TAG為級(jí)聯(lián)輸入端:R/C用于讀?。D(zhuǎn)換控制信號(hào),,低電平時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,高電平時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,;CS是片選信號(hào),;BUSY是工作狀態(tài)輸出,當(dāng)AD977A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平,,轉(zhuǎn)換結(jié)束后恢復(fù)高電平,;PWRD為低電平輸入端;VANA為模擬電壓輸出端,;VDIC為數(shù)字電壓輸出端,。
AD977A的工作原理時(shí)序如圖3所示。當(dāng)cs為低電平時(shí),,R/C電平跳為低電平,,AD977A的內(nèi)部電容陣列保持輸入信號(hào),并開始模數(shù)轉(zhuǎn)換,。一旦轉(zhuǎn)換開始,,BUSY引腳電平也跳為低電平,并一直持續(xù)到轉(zhuǎn)換結(jié)束才恢復(fù)為高電平,。模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸m以及產(chǎn)生幀同步都是由時(shí)鐘信號(hào)DATACLK控制,。
AD977A有內(nèi)、外部時(shí)鐘兩種工作模式,。當(dāng)EXT/INT處于低電平時(shí),,其工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式;高電平時(shí),,則工作在外部時(shí)鐘模式,。內(nèi)部時(shí)鐘模式下,,R/C啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換期間,,AD977A的DATACLK引腳輸出16個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘脈沖,,DA-TA引腳同步輸出上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。而在外部時(shí)鐘模式下,,則通過CS,、R/C和DATACLK信號(hào)控制轉(zhuǎn)換期間輸出上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果或轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出本次轉(zhuǎn)換結(jié)果,控制是否產(chǎn)生幀同步信號(hào),。因而外部時(shí)鐘模式有以下6種工作方式:(1)連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),產(chǎn)生幀同步,;(2)連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),產(chǎn)生幀同步,;(3)不連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),不產(chǎn)生幀同步,;(4)不連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),不產(chǎn)生幀同步,;(5)不連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),產(chǎn)生幀同步,;(6)不連續(xù)時(shí)鐘,,轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),產(chǎn)生幀同步,。
4 FPGA的優(yōu)點(diǎn)
FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,,它既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn),;FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元設(shè)計(jì)靈活,、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn),,兼容PLD和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn),,可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路,編程靈活,;其他與門陣列ASIC相比,,F(xiàn)PGA具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低,、開發(fā)工具先進(jìn),、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試,、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
5 AD977A在采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
5.1 AD977A與FPGA的接口電路
模擬信號(hào)由VIN端口輸入,,輸入電壓范圍采用-5~+5 V,。AD977A由CS選通,R/C啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,,輸出數(shù)據(jù),、時(shí)鐘為DATA與DATACLK同步的形式串行輸出,BUSY為忙輸出端,、標(biāo)志轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,。這5個(gè)端口和FPGA的端口相連接。具體A/D轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)如圖4所示,。
5.2 設(shè)計(jì)電路需注意的問題
A/D轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)整體精度造成影響,,本著提高精度和準(zhǔn)確度的原則。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問題:
(1)參考電壓源的選取AD977A有內(nèi)置的參考電壓源,,但是溫度系數(shù)較大,,因此采用外加溫度系數(shù)小的參考電壓源REF02。減小溫度影響,,提高準(zhǔn)確度,。這個(gè)基準(zhǔn)很重要,不穩(wěn)定將對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來影響,;
(2)偏置和增益的調(diào)整AD977A需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置和增益誤差,,保證A/D轉(zhuǎn)換的高準(zhǔn)確度。其實(shí)就是通過典型采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)換結(jié)果,,調(diào)整典型電路中電位器串入電路的阻值,,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換;
(3)共地的處理 使A/D轉(zhuǎn)換電路部分的數(shù)字地與外部其他電路的數(shù)字地通過光耦隔離,,抑制外界干擾的影響,,保證A/D轉(zhuǎn)換部分獨(dú)自享用一個(gè)地。
6 結(jié)束語
腦電分析是一種有效的無創(chuàng)分析手段,,能夠在無人體創(chuàng)傷的情況下提供可靠的電生理功能和病理信息,,有助于準(zhǔn)確找出腦內(nèi)疾病源的位置,促進(jìn)治療,。而高效的采集腦電信號(hào)是保證能夠準(zhǔn)確進(jìn)行腦電分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。通過對(duì)16位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器AD977A功能、特點(diǎn)及工作原理的研究,,設(shè)計(jì)了其與FPGA的接口電路,,實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)具有可靠性高,通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),,并且具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景,。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于以FP-GA作為邏輯控制核心單元來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換,;采用全新的開發(fā)工具——Ouartus II作為開發(fā)環(huán)境,簡(jiǎn)化了開發(fā)流程,。