作者：謝宏，金曼，夏斌，劉玉霞

1 前言

腦電信號(hào)EEG（Electroencephalography）是由腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生并存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性電位活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)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(hào)，可為臨床診斷提供依據(jù)。因此，提取腦電信號(hào)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于腦電信號(hào)處理一般都是基于數(shù)字技術(shù)，因此電極采集到的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是必不可少的過(guò)程。這里提出一種基于FPGA和AD977A的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用FPGA作為信號(hào)處理器，并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性，高通用性的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)人體進(jìn)行視覺(jué)刺激、聽(tīng)覺(jué)刺激或神經(jīng)刺激，使人體的大腦皮層產(chǎn)生一個(gè)誘發(fā)電位，通過(guò)電極連接來(lái)獲取該誘發(fā)電位，將此電位經(jīng)放大濾波后使其滿(mǎn)足采集系統(tǒng)要求，輸出的模擬信號(hào)通過(guò)高速串門(mén)A／D轉(zhuǎn)換器AD977A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。給FPGA一個(gè)啟動(dòng)／停止信號(hào)，用其控制模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。采用USB器件與FPGA直接連接，這樣通過(guò)時(shí)序即可控制FP-GA與USB的通信。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

3 高速串行A／D轉(zhuǎn)換器AD977A簡(jiǎn)介

A／D轉(zhuǎn)換器種類(lèi)很多，其中F1ash A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度高，但分辨率低，適用于雷達(dá)信號(hào)的采集及處理等方面；∑-△A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換速度低，適用于音頻及低頻信號(hào)的采集處理等領(lǐng)域；逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率介于前兩者之間，適用于控制系統(tǒng)等中速率采集而分辨率要求較高的場(chǎng)合。而AD977A是一款逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，AD977A具有以下主要特點(diǎn)：?jiǎn)?a target="_blank">電源5 V供電；最高采樣速率為200 kS／s；內(nèi)部2．5 V參考電源可選；高速串行數(shù)據(jù)接口；內(nèi)部時(shí)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：?jiǎn)螛O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(nèi)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(hào)輸入端；AGND1、AGND2為模擬地；DGND為數(shù)字地：CAP為緩沖輸出參考端；REF為基準(zhǔn)電壓；SB／BTC用于選擇輸出數(shù)據(jù)格式，高電平為二進(jìn)制碼，低電平為二進(jìn)制補(bǔ)碼；EXT／INT用于選擇DATACLK時(shí)鐘模式，高電平選擇外部時(shí)鐘，低電平選擇內(nèi)部時(shí)鐘；SYNC是外部時(shí)鐘模式下幀同步信號(hào)輸出：DATACLK為串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘端；DATA用于輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果：TAG為級(jí)聯(lián)輸入端：R/C用于讀?。D(zhuǎn)換控制信號(hào)，低電平時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，高電平時(shí)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果；CS是片選信號(hào)；BUSY是工作狀態(tài)輸出，當(dāng)AD977A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后恢復(fù)高電平；PWRD為低電平輸入端；VANA為模擬電壓輸出端；VDIC為數(shù)字電壓輸出端。

AD977A的工作原理時(shí)序如圖3所示。當(dāng)cs為低電平時(shí)，R/C電平跳為低電平，AD977A的內(nèi)部電容陣列保持輸入信號(hào)，并開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換。一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始，BUSY引腳電平也跳為低電平，并一直持續(xù)到轉(zhuǎn)換結(jié)束才恢復(fù)為高電平。模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸m以及產(chǎn)生幀同步都是由時(shí)鐘信號(hào)DATACLK控制。

AD977A有內(nèi)、外部時(shí)鐘兩種工作模式。當(dāng)EXT／INT處于低電平時(shí)，其工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式；高電平時(shí)，則工作在外部時(shí)鐘模式。內(nèi)部時(shí)鐘模式下，R/C啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間，AD977A的DATACLK引腳輸出16個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘脈沖，DA-TA引腳同步輸出上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。而在外部時(shí)鐘模式下，則通過(guò)CS、R/C和DATACLK信號(hào)控制轉(zhuǎn)換期間輸出上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果或轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出本次轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制是否產(chǎn)生幀同步信號(hào)。因而外部時(shí)鐘模式有以下6種工作方式：（1）連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，產(chǎn)生幀同步；（2）連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，產(chǎn)生幀同步；（3）不連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，不產(chǎn)生幀同步；（4）不連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，不產(chǎn)生幀同步；（5）不連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換完成讀取本次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，產(chǎn)生幀同步；（6）不連續(xù)時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換期間讀取上一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，產(chǎn)生幀同步。

4 FPGA的優(yōu)點(diǎn)

FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)；FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元設(shè)計(jì)靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點(diǎn)，兼容PLD和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程靈活；其他與門(mén)陣列ASIC相比，F(xiàn)PGA具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

5 AD977A在采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

5．1 AD977A與FPGA的接口電路

模擬信號(hào)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(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)據(jù)、時(shí)鐘為DATA與DATACLK同步的形式串行輸出，BUSY為忙輸出端、標(biāo)志轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。這5個(gè)端口和FPGA的端口相連接。具體A／D轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

5．2 設(shè)計(jì)電路需注意的問(wèn)題

A／D轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)整體精度造成影響，本著提高精度和準(zhǔn)確度的原則。設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問(wèn)題：

（1）參考電壓源的選取AD977A有內(nèi)置的參考電壓源，但是溫度系數(shù)較大，因此采用外加溫度系數(shù)小的參考電壓源REF02。減小溫度影響，提高準(zhǔn)確度。這個(gè)基準(zhǔn)很重要，不穩(wěn)定將對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來(lái)影響；

（2）偏置和增益的調(diào)整AD977A需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置和增益誤差，保證A／D轉(zhuǎn)換的高準(zhǔn)確度。其實(shí)就是通過(guò)典型采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，調(diào)整典型電路中電位器串入電路的阻值，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換；

（3）共地的處理 使A／D轉(zhuǎn)換電路部分的數(shù)字地與外部其他電路的數(shù)字地通過(guò)光耦隔離，抑制外界干擾的影響，保證A／D轉(zhuǎn)換部分獨(dú)自享用一個(gè)地。

6 結(jié)束語(yǔ)

腦電分析是一種有效的無(wú)創(chuàng)分析手段，能夠在無(wú)人體創(chuàng)傷的情況下提供可靠的電生理功能和病理信息，有助于準(zhǔn)確找出腦內(nèi)疾病源的位置，促進(jìn)治療。而高效的采集腦電信號(hào)是保證能夠準(zhǔn)確進(jìn)行腦電分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)16位高速串行A／D轉(zhuǎn)換器AD977A功能、特點(diǎn)及工作原理的研究，設(shè)計(jì)了其與FPGA的接口電路，實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)具有可靠性高，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處在于以FP-GA作為邏輯控制核心單元來(lái)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換；采用全新的開(kāi)發(fā)工具——Ouartus II作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程。

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