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1 前言 腦電信號EEG(Electroencephalography)是由腦神經活動產生并存在于中樞神經系統的自發性電位活動，含有豐富的大腦活動信息。它是大腦研究、生理研究和臨床腦疾病診斷的重要手段。記錄腦電信號，可為臨床診斷提供依據。因此，提取腦電信號具有重要的現實意義。由于腦電信號處理一般都是基于數字技術，因此電極采集到的模擬信號經信號調理后，通過A／D轉換器轉換成數字信號是必不可少的過程。這里提出一種基于FPGA和AD977A的腦電信號數據采集系統，采用FPGA作為信號處理器，并控制模數轉換，從而實現高可靠性，高通用性的腦電信號數據采集系統。 2 系統總體設計 通過對人體進行視覺刺激、聽覺刺激或神經刺激，使人體的大腦皮層產生一個誘發電位，通過電極連接來獲取該誘發電位，將此電位經放大濾波后使其滿足采集系統要求，輸出的模擬信號通過高速串門A／D轉換器AD977A進行模數轉換。給FPGA一個啟動／停止信號，用其控制模數、數模轉換等。采用USB器件與FPGA直接連接，這樣通過時序即可控制FP-GA與USB的通信。圖1為系統總體設計框圖。 3 高速串行A／D轉換器AD977A簡介 A／D轉換器種類很多，其中F1ash A／D轉換器的轉換速度高，但分辨率低，適用于雷達信號的采集及處理等方面；∑-△A／D轉換器的轉換精度高，但轉換速度低，適用于音頻及低頻信號的采集處理等領域；逐次逼近型A／D轉換器的轉換速度和分辨率介于前兩者之間，適用于控制系統等中速率采集而分辨率要求較高的場合。而AD977A是一款逐次逼近型A／D轉換器，AD977A具有以下主要特點：單電源5 V供電；最高采樣速率為200 kS／s；內部2．5 V參考電源可選；高速串行數據接口；內部時鐘可選；低功耗，最大功耗100 mW，省電模式下50 μW；輸入電壓范圍：單極性0～4 V，0～5 V和0～10 V；雙極性-3．3～+3．3 V，-5～+5 V和-10～+10 V；采用20針DIP或SOIC封裝。AD977A內部功能框圖如圖2所示。 AD977A的控制引腳的功能描述如下：R1IN、R2IN、R3IN為模擬信號輸入端；AGND1、AGND2為模擬地；DGND為數字地：CAP為緩沖輸出參考端；REF為基準電壓；SB／BTC用于選擇輸出數據格式，高電平為二進制碼，低電平為二進制補碼；EXT／INT用于選擇DATACLK時鐘模式，高電平選擇外部時鐘，低電平選擇內部時鐘；SYNC是外部時鐘模式下幀同步信號輸出：DATACLK為串行數據時鐘端；DATA用于輸出轉換結果：TAG為級聯輸入端：R/C用于讀取／轉換控制信號，低電平時啟動A／D轉換，高電平時讀取A／D轉換結果；CS是片選信號；BUSY是工作狀態輸出，當AD977A進行模數轉換時為低電平，轉換結束后恢復高電平；PWRD為低電平輸入端；VANA為模擬電壓輸出端；VDIC為數字電壓輸出端。 AD977A的工作原理時序如圖3所示。當cs為低電平時，R/C電平跳為低電平，AD977A的內部電容陣列保持輸入信號，并開始模數轉換。一旦轉換開始，BUSY引腳電平也跳為低電平，并一直持續到轉換結束才恢復為高電平。模數轉換結果的輸m以及產生幀同步都是由時鐘信號DATACLK控制。 AD977A有內、外部時鐘兩種工作模式。當EXT／INT處于低電平時，其工作在內部時鐘模式；高電平時，則工作在外部時鐘模式。內部時鐘模式下，R/C啟動轉換，在轉換期間，AD977A的DATACLK引腳輸出16個連續的時鐘脈沖，DA-TA引腳同步輸出上一次轉換的結果。而在外部時鐘模式下，則通過CS、R/C和DATACLK信號控制轉換期間輸出上一次的轉換結果或轉換結束后輸出本次轉換結果，控制是否產生幀同步信號。因而外部時鐘模式有以下6種工作方式：(1)連續時鐘，轉換期間讀取上一次轉換數據，產生幀同步；(2)連續時鐘，轉換完成讀取本次轉換數據，產生幀同步；(3)不連續時鐘，轉換完成讀取本次轉換數據，不產生幀同步；(4)不連續時鐘，轉換期間讀取上一次轉換數據，不產生幀同步；(5)不連續時鐘，轉換完成讀取本次轉換數據，產生幀同步；(6)不連續時鐘，轉換期間讀取上一次轉換數據，產生幀同步。 4 FPGA的優點 FPGA即現場可編程門陣列，它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點；FPGA具有體系結構和邏輯單元設計靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點，兼容PLD和通用門陣列的優點，可實現較大規模的電路，編程靈活；其他與門陣列ASIC相比，FPGA具有設計開發周期短、設計制造成本低、開發工具先進、標準產品無需測試、質量穩定以及可實時在線檢測等優點。 5 AD977A在采集系統中的應用 5．1 AD977A與FPGA的接口電路 模擬信號由VIN端口輸入，輸入電壓范圍采用-5～+5 V。AD977A由CS選通，R／C啟動A／D轉換，輸出數據、時鐘為DATA與DATACLK同步的形式串行輸出，BUSY為忙輸出端、標志轉換是否結束。這5個端口和FPGA的端口相連接。具體A／D轉換電路的實現如圖4所示。 5．2 設計電路需注意的問題 A／D轉換部分設計會對整體精度造成影響，本著提高精度和準確度的原則。設計時要注意以下問題： (1)參考電壓源的選取AD977A有內置的參考電壓源，但是溫度系數較大，因此采用外加溫度系數小的參考電壓源REF02。減小溫度影響，提高準確度。這個基準很重要，不穩定將對轉換結果帶來影響； (2)偏置和增益的調整AD977A需要調節零點偏置和增益誤差，保證A／D轉換的高準確度。其實就是通過典型采樣點的轉換結果，調整典型電路中電位器串入電路的阻值，實現準確轉換； (3)共地的處理 使A／D轉換電路部分的數字地與外部其他電路的數字地通過光耦隔離，抑制外界干擾的影響，保證A／D轉換部分獨自享用一個地。 6 結束語 腦電分析是一種有效的無創分析手段，能夠在無人體創傷的情況下提供可靠的電生理功能和病理信息，有助于準確找出腦內疾病源的位置，促進治療。而高效的采集腦電信號是保證能夠準確進行腦電分析的一個重要環節。通過對16位高速串行A／D轉換器AD977A功能、特點及工作原理的研究，設計了其與FPGA的接口電路，實踐證明該設計具有可靠性高，通用性強等優點，并且具有非常重要的應用價值和良好的市場前景。該系統設計創新之處在于以FP-GA作為邏輯控制核心單元來控制模數轉換；采用全新的開發工具——Ouartus II作為開發環境，簡化了開發流程。 |
