基于μC/os-Ⅱ的嵌入式脑电分析系统

论文摘要

21世纪是世界科学界公认的生物科学、脑科学的时代。科技的进步使人类对外在世界的认知已经相当深刻,但人类对自身大脑的认知却十分肤浅。在全球性的研究计划的推动下,有关人脑认知过程的研究已成为当代科学发展的主流方向之一。认知功能是人体大脑高级机能的重要功能之一,是非常复杂的脑活动过程。目前脑电信号分析在认知科学的研究中起着不可或缺的重要作用,但用于脑认知研究的脑电分析系统十分昂贵,难以推广使用。因此,采用嵌入式结构方式,研究一种新型高性能低价格的脑电记录分析系统十分必要。本文完成了基于μC/os-Ⅱ的嵌入式脑电分析系统的设计。系统整体分为上位PC机和脑电信号采集仪器两部分。上位PC机和脑电信号采集仪器之间采用USB方式进行通信。嵌入式脑电采集仪器的设计是本文工作的重点,主要介绍了嵌入式脑电采集仪器的软硬件分析设计与实现,并采用实验室自主开发的上位机脑电采集分析软件实现了数据的采集分析。本文主要完成了以下工作:1)设计了高性能的脑电预处理电路。完成了放大、滤波、A/D转换等电路的设计。脑电预处理电路的性能主要取决于前置放大器,在本设计中选择了高精密度的仪表差分运算放大器AD620来构建放大器电路。2)完成了嵌入式子系统的硬件设计。采用强大的ARM微处理器S3C44BOX作为嵌入式系统的核心,完成了电源、JTAG接口、复位、晶振、存储器以及USB接口电路的设计,并完成了S3C44BOX启动程序的设计,3)在S3C44BOX微处理器上成功移植了实时嵌入式操作系统μC/os-Ⅱ。操作系统的引入是本系统软件设计的基础,使我们对软件各部分功能的管理更加方便,也使程序结构更加清晰、易读。更重要的是可以方便的进行系统升级和增加其他功能,有利于进一步开发。在成功移植了实时嵌入式操作系统μC/os-Ⅱ后,我们用S3C44BOX微处理器开发了基于μC/os-Ⅱ的USB驱动程序,完成了通讯软件的设计,并将应用软件所需要完成的功能划分为信号采集、数据预处理、参数设置、数据传输等几个部分,实现了模块化管理。4)采用实验室自主研究的脑电采集软件SDUND。完成了简单的诱发脑电信号采集实验。本系统设计的一个特点是为诱发脑电信号的提取提供了便利机制。系统由硬件接口来处理事件的起始同步问题。针对脑认知研究要处理不同事件下的诱发相关电位的特点,采用8通道0V/5V高低电平信号区分8类不同的刺激事件。在采集脑电信号的同时获取不同事件的起始同步信号,并将其与脑电信号封装在一起。这样,上位PC机在读取了数据后能够从一连串的数据中寻找到被刺激信号描记的脑电信号部分,对其进行叠加平均,提取出有效信息。基于μC/os-Ⅱ的嵌入式脑电分析系统能正确检测脑电信号的变化情况,实现了诱发脑电信号与刺激信号的同步描记,为诱发脑电信号的离线分析提供了事件标志,为脑认知的研究提供了实验工具,也可为脑-机接口的研究提供可靠的实验工具和分析平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 脑电在认知研究中的应用
• 1.3 脑电信号
• 1.4 电极导联
• 1.5 主要工作与各章节的安排
• 第二章 系统整体设计及嵌入式系统简介
• 2.1 系统整体设计
• 2.1.1 嵌入式脑电采集仪器
• 2.1.2 上位PC机
• 2.2 嵌入式系统简介
• 2.2.1 嵌入式处理器的选择
• 2.2.2 嵌入式操作系统的选择
• 2.2.3 开发工具的选择
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 脑电预处理电路的设计
• 3.1.1 屏蔽驱动及参考电极驱动
• 3.1.2 前置放大器的设计
• 3.1.3 滤波电路的设计
• 3.1.4 主放大电路
• 3.1.5 A/D转换电路
• 3.1.6 通道选择电路
• 3.1.7 基准电压电路
• 3.1.8 定标电路
• 3.2 ARM微处理器
• 3.2.1 电源管理
• 3.2.2 JTAG接口
• 3.2.3 复位电路
• 3.2.4 晶振电路
• 3.2.5 存储器设计
• 3.2.6 USB接口
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 S3C44BOX启动程序BootLoader设计
• 4.2 μC/OS-Ⅱ的移植
• 4.3 通讯软件设计
• 4.3.1 USB通信简介
• 4.3.2 PDIUSBD12驱动程序设计
• 4.3.2.1 设备控制层设计
• 4.3.2.2 接口控制驱动设计
• 4.3.2.3 应用层设计
• 4.3.2.4 协议层设计
• 4.3.3 通信实现
• 4.4 应用软件设计
• 4.4.1 任务的划分
• 4.4.2 数据采集任务
• 4.4.3 数据信号处理任务
• 4.4.4 参数设置及执行命令任务
• 4.4.5 脑电数据传输任务
• 第五章 PC软件介绍及数据采集实验
• 5.1 PC软件介绍
• 5.2 数据采集实验
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表