??? 摘 要：設計了一個基于TMS320F2812 DSP的穩態視覺誘發電位信息采集系統，通過模擬濾波與數字處理相結合的方法，實現了對穩態視覺誘發電位信息的有效采集。
??? 關鍵詞：TMS320F2812；數據采集；穩態視覺誘發電位；數字信號處理；自適應濾波
?
??? 視覺誘發電位VEP (Visual Evoked Potential)是通過對受試者進行視覺刺激獲得腦電響應信息的方式。 根據刺激信號頻率的不同，可以分為瞬態誘發電位和穩態誘發電位SSVEP (Steady State VEP)。穩態刺激頻率一般在2 Hz以上，通過視覺刺激器得到的信息，其典型特征是節律同化，即給予一定頻率的視覺刺激，會在相應頻率處產生同頻率的響應。對應的SSVEP經專門的信號處理可以提取出穩定的信號特征，適合作為腦-機接口的輸入信號[1]; SSVEP同時也是醫學上對特殊職業視覺能力與兒童視覺發展水平檢測的依據[2]。
??? 視覺穩態誘發電是生物電信息的一種，具體有生物電信號的顯著特征：幅值只有mV或μm量級，它們往往被淹沒在各種干擾引起的強背景噪聲之中。這些背景噪聲包括工頻干擾、基線漂移、不同生理信號間的互相影響等[3-4]。由于微弱生物電信號的幅值小、噪聲強的特征，因此涉及到微弱信號的提取技術及其應用[5]。TI公司的眾多型號DSP是專為實時信號采集而設計的，其中，TMS320F28x系列DSP將實時信號的處理能力和控制器外設功能集于一身，為本數據采集系統提供了一個比較理想的解決方案[6]。
1 硬件系統設計
1.1 DSP電路設計
??? 在DSP電路，主芯片采用TI的TMS320F2812。TMS320F2812是32位高性能精簡指令集(RISC）CPU，是目前控制領域比較流行的處理器之一，芯片內核為32位C28x CPU，具有高達150 MHz的工作頻率和8級指令流水線[7]。圖1是F2812的內部結構圖。
?
??? 系統采用5V直流電壓電源供電，通過電源轉換芯片TPS7333QD與TPS7333QD轉換成3.3 V與1.8 V供系統各部分使用；時鐘部分選用MAXIM公司的DS1501實時時鐘芯片，具有RTC報警、看門狗定時器、上電復位、電池監控、256B非易失(NV) SRAM以及一個32.768 kHz的頻率輸出；用低功耗512KB×8的高速CMOS 靜態RAM IS61LV5128，對DSP進行RAM擴展，該芯片接口簡單，容易操作。
??? 如圖2所示，系統硬件設計以TMS320F2812為核心。利用運放升壓電路和儀表放大器將電極信號進行調理，以符合模數轉換器件的工作范圍。經調理的模擬量送DSP控制器內置的12 bit A/D轉換模塊，同時通過校準電路提高采樣精度。采集數據的存儲、分析和處理由DSP完成。對完成處理的信息可以通過TMS320F2812的串口等通信接口與外部設備通信。
?
?
??? 作為數據采集關鍵部分，模數轉換部分利用了TMS320F2812的自帶ADC模塊，該模塊是一個12位帶流水線的模數轉換器(ADC)，模數轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路復用開關(MUXs)、采樣/保持(S/H)電路、變換內核、電壓參考以及其他模擬輔助電路。模數轉換單元的數字電路包括可編程轉換序列器、結果寄存器、與模擬電路的接口、與芯片外設總線的接口以及同其他片上模塊的接口。模數轉換模塊ADC有16個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B，兩個獨立的8通道模塊也可以級聯構成一個16通道模塊。盡管在模數轉換模塊中有多個輸入通道和兩個排序器，但僅有一個轉換器件。
1.2 放大與模擬濾波電路設計
??? 穩態視覺誘發電位的幅值在10μV～20μV之間[8]，需要放大到1V～3V之間才能達到AD采集單元的要求，要求放大器的增益在 100 dB左右；由于人體是一導電體，工頻干擾及體外的電場、磁場感應都會在人體內形成測量噪聲，干擾生物電信息的檢測，所以應選用共模抑制比高的放大電路；由于人體與電極之間的接觸阻抗范圍比較大，對放大器的輸出阻抗也要求比較高。圖３是典型的生物電信號放大電路的組成結構。
?
??? 圖３中，根據生物信號微弱性和強噪聲背景的特點，采用兩級放大兩級濾波，最后用陷波器消去工頻干擾的結構。視覺誘發信號的頻率在1Hz～300 Hz之間，根據系統的需要，濾波器的截止頻率設250 Hz，陷波器設定為50 Hz工頻。前置放大放大倍數設定為11.6倍，芯片采用放AD公司的醫用放大器AD620對信號進行放大，AD620采用差分放大方式，有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻，對共模信號起到很好的抑制作用；二級放大使用TL082芯片，用1kΩ的可變電阻器調節放大器放大的輸出范圍以達到AD模塊的需要。
2? 采集程序與算法設計
2.1 數據采集
??? 開始采集時，程序首先對(A/D）進行初始化，通過事件管理器觸發A/D模塊；當(A/D）空閑時，主程序進入死循環；當A/ D正常轉換完畢后，進入中斷服務子程序。
??? TMS302F2812有同步采樣與順序采樣兩種模式，通過對寄存器ACQ_PS的第3位賦值可以改變采樣模式。TMS320F2812的16個A/D采集通道均可以通過程序來設定來，在本數據采集系統中，為了便于檢測，只使用通道1與通道2。通過對CONVxx與MAXCNV寄存器設定可以方便地選中某一個通道進行采集。采集程序的流程圖如圖4所示。
?
?
2.2? FIR結構的自適應濾波
??? 為進一步提高信號的質量，在系統中，使用較為復雜的自適應濾波的方法對采集到的數據進行進一步處理。通過AD模塊得到的采集數據存放在相應結果寄存器中，在TI提供的開發套件中，直接使用了寄存器名作為變量名，因此可以直接引用寄存器中數據利用C語言編寫的自適應算法處理。
??? 圖5所示的濾波器的輸入是X(n)={x(n),x(n-1),…，x(n-N+1)}T，濾波器的權系數是h(n)={h1(n)，h2(n)，…，hN(n)}T，d(n)為期望輸出信號，
為濾波器的實際輸出，也稱估計值，
由誤差經過一定的自適應濾波算法來調整濾波系數，使得濾波器的實際輸出接近期望輸出信號。
?
?
??? 本系統采用LMS自適應算法，LMS算法是基于最小均方誤差準則的，比較容易設計和實現，C語言編寫的LMS算法包括3個部分：(1）獲得濾波器的輸出信號；(2）計算信號誤差e(n)；(3)更新權矢量。為了減少收斂速度對輸入信號功率的依賴，采用了歸一化技術。同時由于F2812是定點DSP，為了提高程序運行效率，使用了Q格式來處理數據。
3? 系統運行調試
??? 本系統設置PLL為x10/2模式，30 MHz的晶體振蕩器，SYSCLOUT為150 Hz，高速外設時鐘為六分頻后得到25 Hz，沒有使用模數轉換中的時鐘分頻器，模數轉換中斷使能，EVA產生SEQ1周期信號的ADCSOC。轉換后的結果存儲在相應的通道的轉換結果寄存器中。在程序設計中，通過TI集成開發環境CCS的view對變量與寄存器的觀察，能得到轉換的結果。也可以通過graph畫圖功能得到變量的實時曲線。轉換的模擬量電壓與觀察到的數字量之間的計算公式為：
??? 
??? 系統采集運行的結果如圖6所示：
?
??? 在刺激器為15 Hz的閃爍刺激下，經分析計算，在大部分情況下，兩個明顯波峰之間的時間約為65.4 ms，即15 Hz，通過CCS自帶的FFT計算工具發現，15 Hz處峰值也十分明顯，對該系統運行的結果較為滿意。
??? 本文以TMS320F2812為核心，設計了穩態視覺誘發電位信息采集系統，達到了較為理想的效果。TMS30F2812不僅僅是控制芯片(MCU），也是一個性能優異的嵌入式數字信號處理器(EDSP），通過進一步設計與優化數字信號算法，相信可以取得更為滿意的結果。對生物電信息采集是一個復雜過程，涉及到相當多的生物學以及信息電子學的知識，但正是以生物技術與信息技術相結合的生物電人機接口裝置，是未來實現人機一體化的關鍵。利用嵌入式系統的功耗低、實時高速處理、裝置輕便等特性，是未來人機接口裝置走向實用與普及的途徑。
參考文獻
[1]?李逴．基于腦-機接口技術的多自由度機械手運動控制的研究[D]．天津：天津工程師范學院，2008：2-13．
[2]?王林洪，宋立川．用穩態視覺誘發電位研究視覺系統的對比敏感度[J]．華北煤炭醫學院學報，2004，6(4）：427-428．
[3]?楊福生，高上凱．生物醫學信號處理[M]．北京： 清華大學出版社，1989．
[4]?劉海龍．生物醫學信號處理[M]．北京：化學工業出版社，2006．
[5]?周林，殷俠．數據采集與分析技術[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2005：4-20．
[6]?蘇奎峰，呂強，常慶天，等．TMS320X281X DSP原理及C語言程序開發[M]．北京：北京航空航天出版社，2008．
[7]?潘映輻，王紀佐，戚以勝，等．臨床誘發電位學[M]．北京：人民衛生出版社，1988：321-343.