剖析TMS320LF2407的脑电信号处理系统设计

本论文介绍了脑电信号处理系统设计的两种基本方法及其优缺点，分析了DSP尤其是TMS320LF2407的主要特点，阐述了基于TMS320LF2407DSP的16通道脑电信号处理系统的硬件和软件的实现方法。

该系统硬件结构简单可靠、灵活性强，可以为脑电波的数字信号处理软件提供功能强大的硬件基础；该系统的软件充分利用了TMS320LF2407内部16通道的高速模数转换器，顺利实现了50Hz工频干扰的滤除，并最终获取清晰干净的16通道的脑电波形。

1． 概述

脑电信号（EEG）是人体中最重要的生物电信号之一，对于脑电信号的监测、分析已在临床医学的疾病诊断方面得到广泛应用。16通道脑电信号的检测主要用于脑疾病病灶的定位，由于从脑电极提取的脑电波中含有大量干扰尤其是50Hz工频干扰，必须进行切实有效的放大及信号处理才能用于临床的检验。脑电信号处理分为模拟和数字两种方式。

早期的数字脑电图机主要采用模拟信号处理方式，处理好的信号利用AD采集卡或单片机把数据传送到上位机系统显示及打印，其优点是实时性好，易于实现，缺点是电路体积大、精度低、易受环境温度影响及抗干扰性能差。脑电信号的数字处理以往多采用通用PC机或单片机实现，但存在实时性差的缺点。这样，实时性好的DSP在脑电信号数字处理中应运而生。

目前，TI公司的TMS320C2000、5000和6000系列的DSP得到普遍应用，现在比较一致的看法是2000系列的DSP适合应用于电机的数字化控制而不是数字信号处理，因为其时钟频率远低于5000系列DSP且没有专门的滤波器指令。

但以脑电信号的数字处理而言，脑电信号频率不超过100Hz，属于低频信号，需要处理的数据量有限，对于16通道的脑电信号的数据运算，按每通道采样频率1000Hz计，系统需要每个采样点在62.5us内完成采样、运算及数据传输。实验中我们试用了TMS320LF2407DSP，从效果来看，它可以满足速度上的要求，而从系统的性价比及功能的可扩展性来看，TMS320LF2407DSP体现了其独特的优势［1］ ［2］。

2． 系统硬件设计

本系统硬件部分采用TMS320LF2407DSP为核心，兼具控制和数字信号处理的功能，其外部由16位AD转换器、外扩存储器、USB100模块、12位DA转换器、8位指示灯、数字光电隔离器等构成，硬件系统框图如图1所示。

来自前置放大电路的16通道脑电信号分别经过16位AD采样进入DSP中央处理单元进行数字滤波运算，处理完毕的数据通过USB100模块上传到上位机系统，在调试中可以通过DA转换器在示波器上观察经过数字处理的脑电波形。8位指示灯用于调试时观察时钟的精确度。

虽然TMS320LF2407内部集成有16通道AD转换器，但精度只有10位，能够分辨脑电信号电压变化的最小值约为3mV，而数据采集系统中前置级放大电路为防止差模形式出现的干扰在输出端饱和，放大倍数一般设定为50倍，有用脑电信号的最小幅值放大到0.5mV，显然10位AD转换器的精度是不够的。在本系统中采用美国美信公司生产的转换速度为165KSPS的16位高精度AD转换器MAX1165，可分辩信号电压变化的最小值为62.5uV，完全满足了系统精度的要求［3］。

TMS320LF2407具有64K字的程序存储器空间和64K字数据存储器空间，DSP内部有32K字FLASH程序存储器，一般是在程序调试完成后，通过下载线和CCS软件把程序可执行代码烧写进FLASH，使程序上电后从0000H处运行，完成所需的控制功能。但在程序调试时，需要有程序存储器来存放用以仿真的程序代码，而当程序脱离仿真器运行时，可将该外扩存储器设置为数据存储器，增加数据存储能力。

经过AD转换的脑电数据通过IIR数字滤波运算，输出的数据需要上传到PC机，以便实时显示脑电波形及存储打印。由于每个通道脑电波的采样频率为1000Hz，数据精度为16位，所以脑电数据要求的数据传输速率必须高于256Kbit/s，而串口最高的数据传输速率仅为19.2Kbit/s，为满足上、下位机数据实时传输的需要又不增加系统的难度，我们选用了USB100模块作为DSP与上位机的通信接口。其数据传输速率为8Mbit/s［4］。

为了人体安全，本系统前置端采用浮地差分放大方式以实现人体与电气的隔离，同时为了防止数字电路与模拟电路的干扰电流通过地线相互传递，采用了光电隔离技术，在模拟开关的输出端接上模拟光电隔离器，通过接口与数字电路相连，而模拟开关的四根选通地址线则通过数字光电隔离器与DSP的复用IO口相连，通过DSP选通16个通道，从而避免了数字电路与模拟电路的干扰路径。

DSP与12位DA转换器及8位指示灯的接口电路类似于DSP与AD转换器的接口电路，均通过IO空间寻址，利用OUT指令实现数据的输出。在这里就不赘述了。

硬件系统的各个部分密切相关，硬件系统设计的好坏直接关系到脑电信号数字处理的优劣。

本文节选自《微计算机信息》

编辑：jq