用于脑机接口的脑电信号数据采集系统设计

发布时间：2017-03-23 18:12

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【摘要】：脑电信号是大脑皮层或者头皮表面记录到的大脑皮层神经元群突触后电位总和。它包含大量的生理信息和病理信息,是一种非常典型的生物电信号。为了探索人体大脑奥秘,在大脑和外部环境之间建立起一种直接的通讯交流渠道成为非常必要的手段,这就是如今广为研究的“脑-机接口”(Brain-Computer Interface,BCI)。通过对脑机接口的脑电认知研究,我们可以了解神经细胞电活动与人们心理活动、生理活动之间的联系,这在临床医学领域具有重大意义。研究脑机接口的首要前提是获取正确的脑电信号。脑电信号的特点是信号低频微弱,背景噪声强,属于非平稳性随机生理信号。鉴于脑电信号的特点,为提取并获得有效的脑电信号,采用稳态视觉诱发电位(steady state VEP,SSVEP)诱发脑电信号,将诱发响应的脑电信号提取放大、采样、数字滤波,并通过信号功率谱分析识别方法识别有效脑电信号并将之保存。目前,国外虽然有用于脑机接口的脑电采集系统,但是价格非常昂贵;而国内的脑电采集系统主要应用于临床研究中,体积过于庞大,价格同样非常昂贵,无法很好的用于脑机接口研究之中。针对上述问题,本文在深入研究脑电信号特点的基础上,提出了用于脑机接口的脑电采集系统设计,目的是设计了一款体积小、价格低廉、增益可调的可用于脑机接口研究的脑电数据采集系统。本文主要研究内容如下:(1)针对脑电信号的特征分类、产生、导联以及电极安放做了详细的研究和分析,阐述了脑电信号数据采集系统的研究背景和研究意义。(2)针对脑电采集系统的模拟放大电路部分做了详细的研究,并针对脑电信号微弱、容易受干扰等特点,利用AD8222仪表放大器设计一种低噪声、高共模抑制比的高性能放大电路,实现脑电信号的放大。(3)针对脑电信号采集系统的数字控制部分做了详细的研究,并设计了相关的数字控制电路。选用型号为TMS320C6747的DSP处理器作为采集系统的控制器,采用AD1178模数转换器设计相应AD(Analog-to-Digital)采样电路以对提取放大的脑电信号模数转换。同时设计了UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口通信电路以保证数字脑电信号能够在下位机和上位机之间成功通信。(4)针对脑电信号采集系统的数字采样和脑电信号后续的数字处理与分析做了详细的研究,并设计了相关的软件。包括50Hz数字工频陷波器以及200Hz数字低通滤波器以对采集到的脑电信号数字滤波。并将滤波后的数字脑电信号通过功率谱分析法识别。获取我们需要的有效脑电信号。利用DSP(Digital Signal Processor)的外围串口通信接口实现与计算机通信。(5)详细研究了上位机的设计,对下位机与上位机之间通信控制做了相关的软件设计。将采集到的信号、经数字处理过的脑电信号以及识别到的脑电信号送至上位机显示、保存。并通过上位机控制脑电信号采集系统的信号采样。
【关键词】：脑机接口 脑电采集 放大电路 AD采样 脑电信号识别
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R338;TP274.2;TN911.7
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 脑电信号采集系统国内外研究现状10-12
• 1.3 研究目的与意义12
• 1.4 主要工作及章节安排12-14
• 第2章 理论基础和系统总体方案设计14-21
• 2.1 脑电信号的基本分类14-16
• 2.1.1 自发脑电信号14
• 2.1.2 诱发脑电信号14-16
• 2.2 脑电图的导联法16-18
• 2.2.1 单极导联法17
• 2.2.2 双极导联法17-18
• 2.3 BCI中目标识别算法18-20
• 2.3.1 FFT功率谱识别方法18
• 2.3.2 相位同步化方法18-19
• 2.3.3 典型相关分析目标识别方法19-20
• 2.4 系统总体方案设计20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 脑电信号数据采集系统的硬件电路设计21-35
• 3.1 脑电信号数据采集系统的硬件总体设计21
• 3.2 脑电信号数据采集系统的放大电路设计21-29
• 3.2.1 放大电路的设计考虑21-22
• 3.2.2 放大器性能指标对运算误差的影响22-25
• 3.2.3 放大电路的硬件设计25-29
• 3.3 AD采样的电路设计29-31
• 3.4 数字隔离电路的设计31-33
• 3.5 UART串.通信的电路设计33-34
• 3.6 本章小结34-35
• 第4章 脑电信号数据采集系统软件设计35-53
• 4.1 脑电信号数据采集系统的软件总体设计35
• 4.2 TMS320C6747 DSP概述35-37
• 4.3 Code Composer Studio 3.3 开发环境概述37-38
• 4.4 AD采样软件设计38-46
• 4.5 FIR数字滤波设计46-47
• 4.5.1 FIR数字滤波器设计原理46-47
• 4.5.2 50Hz数字陷波器和 200Hz数字低通滤波的实现47
• 4.6 脑电信号的FFT算法识别47-48
• 4.7 UART串.通信的软件设计48-50
• 4.8 上位机设计50-51
• 4.9 本章小结51-53
• 第5章 脑电信号数据采集系统的性能测试与分析53-59
• 5.1 脑电信号数据采集系统的增益测试53
• 5.2 采集系统的心电信号采集测试53-55
• 5.3 稳态视觉诱发电位测试55-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 总结与展望59-61
• 6.1 总结59-60
• 6.2 展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-66
• 附录一 脑电信号数据采集系统实物装置图66-67
• 附录二 脑电信号数据采集系统整体电路图67-68
• 附录三 脑电信号的FFT算法识别程序68-72
• 攻读学位期间的研究成果72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王颖;金志军;;常用数字滤波算法[J];中国计量;2012年03期

2 闫铮;宾光宇;高小榕;;基于左右视野双频率刺激的SSVEP脑-机接口[J];清华大学学报(自然科学版);2009年12期

3 闫蓓;刘莎;李建华;袁海文;丁锋锋;;单通道视觉诱发脑电的单次提取方法研究[J];仪器仪表学报;2012年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 刘召辉;低噪声专用仪表放大器的设计[D];浙江大学;2008年

2 王亚驰;基于嵌入式的多导联心电监护系统的信息处理与数据传输[D];北京邮电大学;2014年

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本文编号：264289