多路脑电信号无线采集系统的设计

发布时间：2017-09-09 18:00

  本文关键词：多路脑电信号无线采集系统的设计

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【摘要】：脑电是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层和头皮表面表现出的电位变化。在头皮或大脑皮层用双极或单极电极记录的自发脑电活动称为脑电图（Electroencephalogram，EEG）。在信号处理技术和电子计算机技术发展的带动下，脑电信号处理得到了飞速发展[1]。 脑机接口(Brain Computer Interface)研究的是在大脑与外部设备之间建立新的通信通道,进行信息传递。BCI的研究涉及生物、医学、计算机和通信等众多领域，是一个交叉学科的研究方向[2]。 通常从头皮记录到的脑电信号很难真实反映大脑内部电活动的情况。而通过动物实验，我们可以深入动物颅内进行记录，颅内电极脑电图有很高的空间分辨率，极少的干扰和伪差，能够反映出脑内部的电活动。因此我们建立动物模型并对记录到的数据进行了分析1。 本文主要介绍了一个多路脑电信号无线采集系统的设计。整个系统是由三部分组成的，模拟信号采集模块、A/D转换和数据压缩编码模块以及无线发送和接收模块。 模拟脑电信号的采集是该系统最前端也是最重要的设计之一。首先，脑电信号幅度非常小且只有微幅量级，必须把脑电信号放大到一定倍数才能满足后端电路对脑电信号数据的处理。其次，脑电信号非常容易受到周围环境噪声的干扰，我们设计了一个高通滤波器去抑制极化电压,之后通过射频滤波电路滤除几乎所有的高频干扰，再通过高低通滤波器降低噪声信号的引入。最后，对整个系统噪声进行了分析，包括热噪声、输入电流噪声、输入电压噪声以及运算放大器本身自带的噪声。 数字信号处理模块,我们首先对模拟信号进A/D转换，之后对数据进行压缩编码。我们采用的A/D转换芯片为Analog公司生产的AD7922，它的有效位数为10位，具有高速传输,低功耗,双通道连续逼近等特点,最高的数据传输速率可以达到1MSPS。数据压缩部分，首先对数据进行DPCM编码，消除数据间的相关性，然后对DPCM编码后的数据进行自适应霍夫曼编码，消除数据间的统计相关性，进一步压缩数据。 无线通信协议的选择也是数据准确传输的非常重要的一个环节。该系统是以Cortex-M3为核心的STM32W108为控制器,该控制器集成了以IEEE802.15.4为协议标准的无线传输模块。IEEE802.15.4的基本构建是创造一个传输速度为250kb/s的10m通信范围，与其他WPANS标准相比，IEEE802.15.4主要的特点就是实现极低的生产经营成本和简单技术，同时不失灵活性和普遍性。 最后对仿真结果和实际电路测试结果进行了对比，然后对整个系统的总体设计做了总结和展望，对设计中存在的相关问题和未完成的工作进行了说明。
【关键词】：脑电信号 STM32W108 多路无线采集系统 噪声分析
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R741.044;TN911.7
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-13
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 课题的来源11
• 1.3 国内外研究现状11-13
• 第二章 脑电信号与脑机接口13-17
• 2.1 脑电信号相关知识13-15
• 2.2 局部场电位信号15
• 2.3 脑机接口（BCI）的概述15-16
• 2.4 本章小结16-17
• 第三章 系统的总体设计框架17-23
• 3.1 系统设计框图17-18
• 3.2 信号采集模块的设计18-19
• 3.2.1 前端模拟模块18
• 3.2.2 模数转换模块18-19
• 3.2.3 无线发送模块19
• 3.3 无线接收电路设计19-20
• 3.4 系统的电源设计20-21
• 3.4.1 无线发送模块电源设计20-21
• 3.4.2 无线接收模块电源设计21
• 3.5 本章小结21-23
• 第四章 前端模拟电路的设计23-41
• 4.1 无源带通滤波电路23-24
• 4.1.1 RC 高通滤波器23-24
• 4.1.2 RC 低通滤波电路24
• 4.2 信号源跟随电路设计24
• 4.3 初级仪表放大电路设计24-28
• 4.4 四阶有源低通滤波器电路设计28-29
• 4.5 次级放大电路和第三级放大电路29-30
• 4.6 模拟开关和 50Hz 陷波电路讨论30-33
• 4.6.1 模拟开关30-32
• 4.6.2 50Hz 陷波电路讨论32-33
• 4.7 前端模拟电路噪声分析33-39
• 4.8 本章小节39-41
• 第五章 数字模块与系统软件设计41-67
• 5.1 微控芯片 STM32W10841-42
• 5.2 IEEE 802.15.4 介绍42-45
• 5.2.1 节点类型42-43
• 5.2.2 拓扑结构43
• 5.2.3 IEEE 802.15.4 协议43-45
• 5.3 数据编码45-46
• 5.4 数据传输和接收46-65
• 5.4.1 初始化47-49
• 5.4.2 形成网络49-51
• 5.4.3 加入网络51-60
• 5.4.4 离开网络60-62
• 5.4.5 发送数据62-64
• 5.4.6 接收数据64-65
• 5.5 本章小结65-67
• 第六章 仿真结果、实验结果67-77
• 6.1 PCB 制作67-69
• 6.2 模拟电路仿真结果与模拟电路实测结果69-76
• 6.2.1 高通滤波器70
• 6.2.2 低通滤波器70-71
• 6.2.3 四阶低通滤波电路71-72
• 6.2.4 输入 20mv 时放大结果72-73
• 6.2.5 输入 10mv 时放大效果73-74
• 6.2.6 输入 4mv 时放大效果74-75
• 6.2.7 三级放大器放大效果75-76
• 6.3 本章小结76-77
• 第七章 总结与展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 魏伟;许胜辉;孙剑波;;一种无源滤波器的优化设计方法[J];电力自动化设备;2012年01期

2 杨兴华;王建全;张峦国;杨喜军;姜建国;;电压跟随式单相有源功率因数校正的仿真与实现[J];变频器世界;2007年01期

3 朱文明;高诺;;脑机接口技术研究概述[J];信息技术与信息化;2008年06期

4 王慧眼;李伟;张婷玉;;一种改善SSO的LC电源滤波电路算法与设计[J];微计算机信息;2010年16期

5 陈真诚;钟靖;;脑电信号采集预处理电路设计[J];中国医学物理学杂志;2009年04期

6 黄勤;周婷;刘益良;刘青峰;;高共模抑制比脑电放大电路设计[J];自动化技术与应用;2009年04期

7 ;Design of an EEG Preamplifier for Brain-Computer Interface[J];Journal of Electronic Science and Technology of China;2009年01期

8 周立;张恒义;;大鼠压杆行为的运动皮层局部场电位研究[J];中国应用生理学杂志;2011年01期

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本文编号：821924