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设计的主要思想
脑电信号是一种微弱的生理信号，它具有医学信号的特点，只有µV级，而且频带为0.5-70Hz，所以对硬件的设计要求抗干扰能力强，才能使输出的信号易于观察，分析和处理。在硬件上主要用前置放大，滤波和干扰抑制电路对信号进行放大，滤波，再将模拟信号转换为数字信号送入计算机，便于用软件对信号进行处理。
1.5 本文的结构组成
本论文由五部分组成：
绪论：主要阐述脑电信号处理系统的发展现状，介绍设计研究背景，明确了设计任务，简单概述了设计思想，介绍本论文的组成。
第2章：根据脑电信号的特点，设计出脑电信号处理系统总体方案。通过比较选择采集控制器的元器件，确定控制器的硬件设计方案，提出脑电信号处理系统的软件设计方案。
第3章：根据选定的元器件的性能及设计要求，设计出采集控制器的电路原理图。
第4章：根据硬件构成和功能要求，设计出采集与传输程序和串口通信程序，编写脑电波的显示程序以及对脑电信号的处理程序，给出了相应的程序流程图。
第5章：调试程序及结论。
脑电信号处理系统总体方案设计
本章先介绍脑电信号的性质、特点，然后根据这些特点，针对任务要求设计出了脑电信号处理系统的总体方案。
2.1 脑电信号的特征分析
1. 信号弱
脑电信号非常微弱，只有μV级，且频率带为 0.5－70Hz，所以要求系统具有较高的灵敏度。而灵敏度越高，就越容易把干扰引入采集系统。
2. 强噪声背景
人体周围存在各种电子仪器，它们都会或多或少的产生电磁波，因此人体生物电会受到电磁场干扰，脑电也不例外。人体是个大电容，会感应出电场，特别是引入很大的工频干扰。另外某种生理参数的测量将受到其他参数的影响，这些都是噪声。
3. 随机性大
脑电信号是一种随机性很强的非平稳信号。人体系统在测量过程中不能停止运转，也不能拆卸，所以人体生物电的测量受外界影响很大，大多参数是随时间而变化的。人体体内各系统生理参数还要互相作用互相影响，因此呈现出很大的随机性。
2.2 脑电信号处理系统总体方案
脑电信号非常微弱，并且受到极强的干扰，要对脑电信号进行处理，为了获得准确的脑电信号，必须对采集的脑电信号进行前置放大，然后进行陷波去除50Hz工频干扰，将信号进行高通滤波，消除高频信号，再进行二级放大，将放大后的信号进行低通滤波，进行三级放大，为了有效抑制干扰，可以在三级放大前进行光电隔离。将三级放大后的脑电信号入模数转换器中，用单片机AT89C51对信号采集进行控制，然后利用单片机的串口进行通信将数据传送到PC机上，在PC机上将脑电信号波显示出来以及进行软件滤波处理。根据以上思想，设计了如图2-1所示的脑电信号处理系统原理框图，作为进一步设计的指导。
图2-1 脑电信号处理系统原理框图
本设计分为了两个部分，前半部分是完成脑电信号的拾取及前置放大和信号的预处理(由另一同学设计)。后半部分是完成脑电信号采集控制器的设计，采集控制程序和通信程序的设计，波形显示及处理程序的设计(在本文中体现)。
2.3 脑电信号采集控制器硬件方案的设计
脑电信号采集控制器部分由模数转换电路和单片机控制电路组成。如果选择不同的芯片，模数转换电路和单片机微控制器系统就可能有不同的实现方案，所以可以通过比较元器件的性能和价格来选取最优方案。
2.3.1 微控制器的选择
单片机控制电路主要用于控制AD对采集的脑电信号进行转换，同时利用单片机的串行口进行串行通信，将转换后的脑电信号发送到PC机上，便于后绪处理。
单片机有很多的种类和型号，不同种类和型号的单片机，它们的功能也是不同的，通常用的单片机有AT89C2051，C8051F206，AT89C51等。
C8051F206内置有AD转换器，12位分辨率，有32个通道，其转换速率可高达100ksps。有高速8051微控器内核，有21个失量中断源(标准 8051 只有 7 个中断源)，256字节的内部数据RAM，8K的字节的FLASH。具有全双工硬件UART和SPI总线，具有复位功能，可用内外部时钟，工作在最大系统时钟频率 25MHz 时，它的峰值速度达到 25MIPS供电电压2.7V-3.6V。典型的工作电流10MA。C8051F206的性能比较好，但价格也比较高，在小型控制系统中用C8051F206有点浪费。
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可擦除的只读程序存储器( EPROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM ),兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，内振荡器及时钟电路，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
图2-2为AT89C2051的DIP(双列直插)引脚配置。
图2-2 AT89C2051的引脚配置
AT89C2051价格较低，功能强。在小型控制系统中使用AT89C2051有较高的性价比。在脑电信号采集系统中，由于脑电信号是典型的低频信号，用单片机主要完成信号的模数转换和传输功能，所以用AT89C2051是非常合适的，但本设计中要进行串行通信，选用此芯片会资源不足。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可擦除的只读程序存储器，128字节内部RAM, 32个I/O口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内含有振荡器及时钟电路，掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁其它所有部件工作直到下一个硬件复位，此芯片资源比较丰富，与AT89C2051价格也差不多，本设计采用此芯片。
图2-3为DIP-40型AT89C51的引脚配置。
图2-3 AT89C51的引脚配置
2.3.2 模数转换器的选择
ADC0832是一种具有8位分辨率、逐次逼近型的双通道A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级5V单电源供电,芯片的模拟电压输入在0-5V之间。在250KHz时钟频率时，芯片转换时间仅为32µs，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。ADC0832体积小，兼容性强，性价比高。
ADC0832 DIP-8封装的引脚配置如图2-4所示
图2-4 ADC0832的引脚配置图
CS为片选端，低电平有效，CLK为串行时钟输入端；CH0,CH1为两路模拟信号输入端；DI为两路模拟输入选择输入端，DO为模数转换结果串行输出端；VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式的8位A/D转换器，具有转换起停控制端，转换时间为100μs，单＋5V电源供电，模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准，低功耗，约15mW，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入输出与TTL兼容，本设计采用此芯片。
图2-5为DIP-40型ADC0809引脚配置图。
图2-5 ADC0809引脚配置图
IN0-IN7为8路模拟信号输入端；2-1-2-8是8路数字量输出端；A、B、C为3路地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；ALE是地址锁存允许信号，输入高电平有效；START为 A/D转换启动信号，输入高电平有效；EOC为A/D转换结束信号，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平；OE为数据输出允许信号，输入高电平有效；当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；CLK为时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于640KHz；REF(+)、REF(-)为基准电压。
2.4 脑电信号处理系统软件方案的设计
将采集的脑电信号通过串行口送到PC机，要利用串行通信实现数据传输，必须编写串行通信程序，如果实现了单片机与PC机的串行通信，便可以成功的把采集的脑电数据传送到PC机上。要想将采集的脑电信号在PC机上实时的显示出来以及对脑电的处理，可以用VC编写一个用户界面程序，在定时器函数中用内存绘图的方式，将脑电波在内存中显示出来，然后将脑电波从内存拷贝到屏幕上，便能实现脑电信号的实时显示，编写数字滤波程序对脑电波进行滤波处理，包括高通和低通数字滤波处理。
2.5 小结
根据脑电信号的特点，设计了脑电信号处理系统的原理框图。本章着重介绍了脑电信号处理系统的采集控制器设计方法以及元器件的选择，脑电信号波形的实时显示的实现方法及对脑电波实现滤波处理。
