基于ARM9和LabVIEW的多路神经信号采集系统中AFE的研制

基于ARM9和LabVIEW 的多路神经信号

采集系统中AFE 的研制

朱永宏1　马梅方2　梅杓春1

(1.南京邮电大学自动化学院　南京　210003;2.复旦大学神经生物学研究所　上海　200032)

摘　要:论文详细探讨了基于ARM9和LabV IEW 的多路神经信号采集系统中8通道模拟前端电路的研制。为与本系统选用的S3C2410内置的ADC 可靠配接,根据电路理论中的叠加原理,特别自行设计给出了双极性转单极性并线性限幅的完整电路,并深入分析了其设计思想。对研制的电路进行了理论分析推算和电路仿真,并用选购的国外脑神经信号仿真发生器的波形信号进行了相关实验。相应电路及设计技术对应用嵌入式系统技术的多路微弱信号采集等的电路研制有实际应用参考价值。

关键词:神经信号;模拟前端;适配电路;ARM9;LabV IEW 中图分类号:TP332.33;TP311.56 文献标识码:A

R esearch on AFE in ARM9and LabVIEW based on multi 2channel

neural signal acquisition system

Zhu Y onghong 1　Ma Meifang 2　Mei Shaochun 1

(1.School of Automation ,Nanjing University of Post s and Telecommunications ,Nanjing 210003;

2.Institute of Nerve Biology ,Fudan University ,Shanghai 200032)

Abstract :This paper discusses t he research on A F E in ARM9and LabVIEW based multi 2channel neural signal acquisi 2tion system in detail.According to t he superposition principle of circuit t heory ,t he circuit s ,which can transform t he sig 2nal from bipolar to monopolar and linearly restrict it s amplit ude for matching t he ADC of S3C2410,is specifically de 2signed and f ully given.It s design idea is also deeply analyzed.Wit h t he signal of imported cranial nerve signal simulation generator ,t he related experiment has been conducted on t he developed circuit ,which t he t heoretical analysis ,calculation and circuit simulation is also made.The designed circuit and technology are of practical reference value for the research on circuit of multi 2channel feeble signal acquisition based on embedded system technology.K eyw ords :neural signal ;A FE ;matching circuit ;ARM9;LabV IEW

作者简介:朱永宏(19682),男,高级工程师,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统和虚拟仪器技术在测控系统中的应用。

0　引　言

生物神经细胞产生的电信号分成两大类:由外来刺激引起的局部的分级电位,由局部的分级电位产生的动作电位。发生在神经元中的动作电位迅速长距离传播,其振幅和时程固定不变,其产生和传递方式为采集研究提供了可能。实现神经信号的提取、处理、采集和分析的软硬件系统,是进一步开发脑机交互接口等系统的基础[124]。本文详细探讨了研制的基于ARM9和LabVIEW 的多路神经信号采集系统中的8通道A FE (模拟前端)电路。并自行设计给出了双极性(-5～5V )转单极性(0～3.3V )并线性限幅的电路,具有可与本系统选用的S3C2410内置的8

路ADC 可靠配接的特点。

1　神经信号特点分析

生物神经信号属强噪声干扰下的低频、幅度只有

100μV 级别的微弱信号,是一种类脉冲形状的信号,中心频率在1k Hz 左右,有效频率范围为300Hz ～6k Hz 。干扰信号包括高频电磁干扰、50Hz 工频干扰和极化电压等。故具体设计本系统,理论推算各器件取值时,以高、低截止频率分别为7.5k Hz 和250Hz 设置带通滤波器,保证有效频带范围内理想的频响特性。根据神经信号的特征及电极的特性,处理电路须具有一些必备性能:(1)高共模抑制比。抑制50Hz 工频干扰以及其他测量参数外的

生理作用干扰;(2)高输入阻抗。生物神经信号是高内阻的微弱信号源,其等效的信号源输出阻抗较高可达M Ω级,要求设计的电路的输入阻抗大于百兆欧以有效减小信号源高内阻的影响;(3)低噪声低漂移。

2　系统总体设计与功能概述

根据神经信号的特点,设计了基于ARM9的嵌入式

系统平台和LabV IEW8.2虚拟仪器技术的采集和显示处理8通道的生物神经信号的系统。本软硬结合系统划分成3个功能结构模块:(1)模拟前端模块A FE :对8通道生物神经模拟电信号进行获取的微电极、缓冲匹配电路、放大滤波调理等电路。高精密电源的提供。信号极性转换和线性限幅电路。与嵌入式系统模块中S3C2410芯片集成的8通道ADC 的接口。(2)嵌入式系统模块:接收来自前端A FE 信号调理模块处理后的的8通道模拟信号。实现基于S3C2410中的ADC 进行8通道时分选择模数转换的。通过以太网口与PC 机通讯上传ADC 转换后的8通道实时波形信号数据。(3)PC 机中波形信号处理模块:PC 机与通过以太网口接收S3C2410嵌入式系统平台送来的一定数据结构的波形信号数据。在编制的虚拟仪器应用程序中,使用相应技术调入8通道波形信号数据;整合八路信号波形于一个界面概略显示和任选其中一路的单通道波形详细显示;应用一些信号处理理论和方法在线信号分析处理和存储为波形文件离线处理分析。

3　AFE 模块中单通道电路的设计

作为整个采集系统的基础,A FE 模块由八路单通道的基本神经信号调理电路组成。先将单通道的信号调理电路、与嵌入式系统ADC 配接的单通道的极性转换和线性限幅电路连成一路整体的电路单元,然后将上述八路有序地组合起来,设计构成一完整的多路A FE 模块。选用蓄电池经稳压后提供电路所需精密电源。其中单通道电路由微电极、转接口、前放电路和主放电路,极性转换和线性限幅电路组成。

3.1　微电极

插入实验动物脑部提取一个或一群神经元动作电位信号的由单根或多根绝缘金属丝构成的细胞外电极,要有良好的生物相容性和抗腐蚀能力以对生物脑神经电活动进行稳定、长期的记录,且不能引起生物组织强烈的排异免疫反应导致对组织的伤害或信号质量的下降。采用35μm 的外层有teflon 绝缘的电极丝为原料,将电极丝排列成2×4的矩阵,焊接到转接口电路板上的过孔里并用硅胶密封。施加1k Hz 的信号,测量电极丝阻抗范围在1M Ω左右属较理想范围。3.2　转接口

提供微电极与前放电路的接口。为方便实验使用,把8根电极组成一组排列,这就需要设计一个转接口电路来排放电极,使电极易于与后续前放电路相连。其电路PCB 如图1(a )所示,图中圆形过孔一端用于排放与连接电极丝,另一端是与前放电路的接口。3.3　前放(headstage)电路

微电极的高阻抗和低偏流,要进行阻抗匹配变换,需一前放电路与电极及转接口连接,以最大程度提取微弱神经元信号。微电极与阻抗匹配电路板应置于最接近实验动物头部处。利用集成运放直接电压负反馈接成电压跟随器。其PCB 电路如图1(b )所示。前放电路与主放电路连接时,采用对主放电路板的外层和接口用胶水封固及隔离电气干扰等抗干扰措施,避免噪声由前放电路加入信号。使电极的直连线短于20cm 以最小化环境噪声的

拾取。

图1　前放电路图

3.4　主放和滤波处理电路[5]

将前放送来的微弱电信号加以放大及滤除噪声。分

差分放大电路,带通滤波电路、50Hz 工频陷波器、二级放大电路4部分。电路结构原理图如图2

所示。

图2　带通和带阻滤波器电路

(1)差分放大电路:第一级放大的噪声系数对总噪声系数的影响最大,降低该级噪声是实现低噪声设计的原

则。选用了性能优异的经典仪放AD620,仅需一外接电阻即可设置得1～1000的增益(有些仪放只具固定增益如G=10),公式为:G=49.4kΩ/R G+1。但因存在极化电压,为避免电路饱和而导致系统失效,前置放大电路的增益不能过大。本电路取R G=2kΩ,其增益G≈26。在本电路设计中尽量不选用电位器,以明确各级电路放大倍率,也避免电位器日久受到空气中微尘和潮湿等影响。参考信号选接前放的地,也可选接靠近的参考电极。

(2)带通滤波电路:因巴特沃兹滤波器通带和阻带内都具有最平坦的振幅特性,根据本系统应用需求特点,不需较窄的过渡带和陡峭曲线,我们选用二阶低通、二阶高通巴特沃兹滤波器构成如图2带通滤波器。由巴特沃兹滤波电路阶数n和增益G的关系表可查得二阶低通、高通巴特沃兹滤波器的G=1.586,则两级串联的带通滤波器的通带增益为(1.586)2=2.515。

运放电路中的电阻不宜选择过大或过小,一般几kΩ至几十kΩ较合适。故可选择低通级电路的电容值C= 1000p F,高通电路的电容值C=0.01μF,由ωn=1/RC 可得相应电阻取值。对二阶低通级:取f H=7.5k Hz,求得R2=R5=21.22kΩ,实际取标称22kΩ。取R3=68kΩ,求得R4=(1.586-1)×R3=39.8kΩ,取R4=39kΩ。对二阶高通级:取f L=250Hz,求得R=63.66kΩ,实际取R=63kΩ。取R6=82kΩ,求得R7=(1.586-1)×R6= 48kΩ。其幅频特性仿真如图3(a)所示。

(3)50Hz工频双T陷波器:在生物电信号的处理中电源的50Hz工频干扰可看成是最大的干扰源,故加入可有效去除信号中工频干扰的50Hz带阻陷波器。选用图2所示的典型有源双T陷波电路。Q=1/2(2-A V F)。增加A V F,Q将随之升高。当A V F趋近2时,Q趋向无穷大,即带阻滤波电路的选频特性愈好,阻断的频率范围愈窄。由f=50Hz,求得R=31.830kΩ。取C=0.1μF,R= 31kΩ,其中心频率为f=51.065Hz。其幅频特性仿真如图3(b)所示。

(4)二级放大电路:为保证系统稳定,进行高倍信号放大时一般选用分级放大结构。该级电路进一步对信号放大处理。本级再用如图2中末级电路R15,C9组成一级高通滤波,取R15=100kΩ,R16=10kΩ,C9=6.8nF,其截止频率易求得为f≈234Hz.R17,R16提供放大电路的增益。其放大倍数由跳线开关切换选择直接改变其阻值实现可变增益。2档切换选择R17=100kΩ或1MΩ,对应为:10或100倍。AD620已放大26倍,带通部分又放大了21515倍,这样整体电路的增益达26×2.515×100≈6500。

4　与嵌入式系统ADC配接的极性转换和线性限幅电路设计

在许多嵌入式系统设计中,3.3V和5V模拟和数字逻辑系统并存,不同电源电压的器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。在连接3.3V和5V器件时,必须考虑到两者的不同,保证所设计的电路信号可靠传输,在313V和5V器件不能直接相连时须进行转换。本系统中模拟前端A FE模块单通道电路处理后的输出信号就是理论上极限可能在-5～5V间的模拟信号,必须经适当转换才可由S3C2410芯片集成的允许输入的模拟工作电压范围为0～3.3V的8通道CMOS ADC读取。虽多数ADC可承受超过正常量程范围50%左由的输入信号而不至过载导致锁定效应并损坏器件,但一些特定的单极性负输入的ADC不允许。且当ADC输入超出其输入范围时,其过载恢复时间也会随之增加。另外ARM9上的CMOS ADC模拟输入不能超过电源电压,否则将导致锁定效应。为正常配接,必须设计模拟信号的极性转换和线性限幅电路,要等比例地将原电压范围不丢失有效波形信息地转换限制在新的电压范围内。适用于方波类信号上下削顶限制电平幅度的上限幅器、下限幅器、双向限幅电路,这里不可使用。实现逻辑电平转换的双电压供电的双向驱动器或CB T总线开关等在这里也均不可采用。

本系统需读取负值模拟电压并将其转换为正值模拟电压,一般实现这种转换功能的常用方法是利用可同时接收正、负两种电压的运放将输入信号提升到ADC可接收的电压范围。根据电路理论中的叠加原理,特别自行设计的如图4电阻分压器电路可有条件地实现上述功能。通过该电路前端的分压器通过该电路的分压器(电阻R1+ R5,R2+R6,R3,R4)变换后,可将输入信号从-5～+5V 线性变换至0～2V电压范围间变化,其线性变换关系式为V O=1/5V I+1。必须注意标称电阻中只有5.1kΩ,无5kΩ的,但用5.1kΩ电阻时该电路转换仍出现负电压,只能采用2kΩ和3kΩ的标称电阻串联出5kΩ的非标称阻值,确保转换后不出现负值电压。实际连接时在此电路前接一电容,以去耦隔离前级与本级电路的相互影响。图4为所设计的电路和仿真效果。实际理论分析推算、仿真效果及具体实验结果吻合,达到预期设计效果。

使用该分压电路需注意[6]:(1)因分压器通过上拉电阻与电源相连,某些情况下这种连接方式可能对输入信号有影响;(2)通过分压器的输入信号的变化范围将会变小。下图中,峰2峰值为10V 的信号通过分压器后变为峰2峰值2V 。但这是保证ARM 上ADC 正常工作所需的;(3)有些应用需使用较大阻值的电阻避免载入负载输入信号源。如可将本电路中各电阻阻值同时提高10倍。但大电阻与ARM 输入端电容耦合会影响速度;(4)若输入端信号偶尔变为负值电压,导致ADC 输入低于接地电压,则ADC 的输入电路可能会被损坏。为免于出现这种问题,设计中须事先确认输入信号可能的最大电压偏移范围。实际上本处理电路正常的输出信号范围应在-3～3V 间,有较大裕度;或利用图示箝位二极管将ADC 的输入信号钳制在0V 以上,可保护ADC 的输入电路不被损坏,减小过压恢复时间。但因箝位电路处于信号通路中,故对正常输入范围的信号,要确保箝位电路不降低系统性能;(5)ADC 输入端提供的真实电压与输入信号电压和电源电压有关,

电源电压变化将影响模数转换结果。

经这样转换后,结合本S3C2410芯片中8通道10位ADC 的特点,设计出表1。

表1　对应转换数据映射关系表

信号值/V

ADC 实际输入量/V

输出数据量-5

0000H

01136H +5

226CH 3.3

3FF H

5　结束语

本文对研制的本系统A FE 模块各组成部分电路进行了理论分析推算和电路仿真。电路设计制作安装调试后,用选购的国外脑神经信号仿真发生器产生的仿真波形信号(此波形与实际动物脑电波形一样)为输入进行了相关实验,其提取放大后的输出波形符合文献介绍的较理想的神经信号波形特征,神经信号的采集指标达到幅度分辨率和频率范围等的要求,达到了预期设计功能和要求。相应电路及其设计技术,对应用嵌入式系统技术的多路微弱信号检测等的电路研制有实际应用参考价值。

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