基于SOPC的腦電信號(hào)實(shí)時(shí)處理

摘要：為滿足腦電信號(hào)采集、處理設(shè)備具有便攜式，實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)量大的實(shí)際需求，提出了一種基于SOPC的腦電信號(hào)實(shí)時(shí)處理設(shè)計(jì)方案。用腦電極采集到的腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)前期預(yù)處理(放大，濾波)、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)SOPC系統(tǒng)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、特征提取，最后存儲(chǔ)或傳輸。整個(gè)設(shè)計(jì)圍繞SOPC系統(tǒng)，以NiosⅡCPU為核心，并與其他外圍設(shè)備集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制與處理能力。利用SOPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)，具有體積小、運(yùn)算速度快、方案靈活的特點(diǎn)，為構(gòu)建腦電信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)提供了一個(gè)新技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞：ADS1258；SOPC；腦電信號(hào)；實(shí)時(shí)處理

腦電信號(hào)是人體重要的生理信號(hào)，近年來(lái)，隨著腦機(jī)接口的逐步興起和使用，腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)性處理要求也越來(lái)越高，腦電信號(hào)實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用，使人們可以直接通過(guò)腦來(lái)表達(dá)想法或操作其他設(shè)備，而不需要通過(guò)語(yǔ)言或肢體的動(dòng)作，這對(duì)肢體殘缺的人來(lái)說(shuō)有著極其重要的意義。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)腦電信號(hào)的處理基本上都是基于上位機(jī)進(jìn)行處理。文中提出了一種全新的設(shè)計(jì)方案：基于SOPC的腦電信號(hào)實(shí)時(shí)處理。SO PC(System on a Programmable Chip)稱為可編程片上系統(tǒng)，是基于可編程邏輯器件(FPGA或CPLD)的可重構(gòu)的SOC。利用FPGA的可編程邏輯資源，按照系統(tǒng)功能需求來(lái)添加接口功能模塊，既能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。這樣就使得FPGA靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一起，高效地實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)；同時(shí)，嵌入式NiosⅡ軟核又可以方便的完成對(duì)數(shù)字信號(hào)處理模塊的控制和數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)和存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
文中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要有信號(hào)預(yù)處理模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊3大部分組成。其中A／D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊是基于SOPC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，是本文重點(diǎn)。核心控制芯片采用ALTERA公司生產(chǎn)的CycloneⅡ系列的FPGA，它實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制和數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 信號(hào)預(yù)處理
腦電信號(hào)是很微弱的差模信號(hào)，具有低頻率，低幅度的特點(diǎn)。并且具有很強(qiáng)的背景噪聲和干擾，因此在采集前必須經(jīng)過(guò)必要的預(yù)處理，使其達(dá)到AD轉(zhuǎn)換的精度要求。所以前端預(yù)處理模塊有：前置放大器、50 Hz陷波器、高低通濾波器和主放大器等組成。人腦神經(jīng)活動(dòng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電信號(hào)通過(guò)腦電極進(jìn)入儀器的前置放大器，在經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波，50 Hz陷波器和固定增益放大，最終抑制50 Hz以上的干擾信號(hào)，
提取腦電信號(hào)。
1．2 設(shè)置ADC采樣率
本系統(tǒng)選用ADS1258作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADS1258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪聲的16通道(多路復(fù)用的)24位△-∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其內(nèi)部集成了輸入多路復(fù)用器、模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器等功能。內(nèi)部有多種控制寄存器，用戶通過(guò)不同的配置得到不同的A／D采樣速率、采樣模式、A／D轉(zhuǎn)換精度等。
ADS1258在自動(dòng)通道掃描工作模式下最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每通道23．7 kSPS，是目前轉(zhuǎn)換速率極高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換時(shí)功耗僅42 mW，24位分辨率，可在5 V單電源條件下工作，參考電壓可以設(shè)置為0～5 V。模擬輸入多路復(fù)用器可配置成8路差分輸入或16路單極輸入，多路復(fù)用器的輸出可通過(guò)外部獲得，這就能在ADC輸入之前采用共享的信號(hào)調(diào)節(jié)通道。使用SPI接口進(jìn)行功能配置和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)證明它能滿足信號(hào)采集與處理的系統(tǒng)需求。
1．3 FPGA處理
腦電信號(hào)傳統(tǒng)處理方法有Wigner分布、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性動(dòng)力學(xué)以及獨(dú)立分量，而腦電信號(hào)通常還會(huì)產(chǎn)生基線漂移和50 Hz交流及高次諧波干擾，因此還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，以增強(qiáng)抗干擾能力。與傳統(tǒng)的DSP相比，F(xiàn)PGA具有可重構(gòu)、低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)，尤其是在多通道數(shù)據(jù)的采集和處理上，F(xiàn)PGA利用天然的并行架構(gòu)，將發(fā)揮出一個(gè)至幾個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)。ALTERA公司的SOPC Builder可以幫助開(kāi)發(fā)者很容易完成系統(tǒng)的SOPC硬件平臺(tái)。用戶根據(jù)已有的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編寫(xiě)信號(hào)處理的算法程序，最終在FPGA上實(shí)現(xiàn)。