脑电信号采集硬件系统的设计
随着科学技术的发展，越来越多先进的设备出现在生物科学研究中，其中脑电信号采集设备在人脑研究领域中起着至关重要的作用。本文主要针对目前脑电信号采集设备价格贵、体积大等缺点，设计并实现一套便携的、价格低廉的、易于普及能二次开发的脑电信号采集设备。设计主要有脑电信号采集，信号处理，信号显示三个部分，采用目前一些集成电路元器件，结合滤波，放大等电学技术对不同部分的电路进行设计和分析，对原始脑电信号进行处理使其具有一定的辨识度，并以自带A/D转换功能的MSP430单片机为中心处理器，最后通过USB与上位机进行通信。通过系统化的设计对脑电信号采集仪的设计做了样机试制。关键词 脑电信号，脑电采集，MSP430单片机
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.3 课题的主要工作 2
2 脑电信号及系统的总体设计 3
2.1 脑电信号概述 3
2.2 脑电信号采集系统总体设计 5
3 脑电信号采集系统硬件电路设计 6
3.1 脑电信号调理电路设计 6
3.2 前置级放大电路 7
3.3 高通滤波电路 8
3.4 低通滤波电路 9
3.5 50Hz陷波电路 11
3.6 后置级放大电路 13
3.7 电平抬升电路 14
3.8 Proteus 电路仿真 14
4 基于MSP430单片机的数字处理 15
4.1 MSP430系列单片机简介 16
4.2 单片机部分硬件电路设计 17
4.3 MSP430F149单片机最小系统 19
4.4 单片机硬件总原理图 25
4.5 实物制作展示 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
世界上的每一个生物的体征都随着时代的演变而发生着变化，人类作为这个世界上最高级的动物，当然也不例外。而人体 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
最复杂的器官便是人脑，因此对人脑的研究就显得尤其的重要。
现阶段对人脑的分析主要还是根据脑电信号[1]。尤其是对有脑部疾病的患者来说，通过对脑电信号较为精准的采集以及分析，就可以及时的发现脑部疾病根源的所在并能尽快实施相应的治疗。因此，脑电信号采集的相关研究对人类脑健康起着至关重要的作用。脑电信号是由于脑神经活动而产生的自发性电位活动，是一种微弱的电信号，幅值非常低，通常为μV级，频率一般在0.5到100Hz之间[2]。采集相当困难的原因不仅仅是信号非常微弱，还存在着另一个因素，在采集过程中容易受到外界环境的干扰。随着科学的进步，电子技术发展迅速，现在在医疗领域中采用微控制器作为控制单元用来采集并分析脑电信号的仪器，已然成为分析脑电信号的主流如脑电图（Electroencephalogram,EEG）仪，这样采集到的信号也更加的精准[3]。但仪器的精准性提高的同时，也带来了一些问题，如设备笨重，价格昂贵等缺点。例如，NeuroScan公司的32导联脑电系统价格在10万美元左右，128导联脑电系统在26万美元左右;日本NihonKohden公司的32路脑电系统价格在5万美元左右[4]。由于对脑电采集技术的垄断，一套完整的脑电信号采集设备都是价格不菲，这不利于脑电信号采集设备的普及与发展，因此，开发一种便携式设备具有十分重要的意义。
1.2 国内外的研究现状
1882年，英国医生卡顿直接将电极接触到猴子的头部，试图研究猴子的脑电活动，这也是人们进行脑电测试的第一次尝试[5]。1903年，德国医学家贝格尔在此基础上，将电极放在人的头皮下进行尝试，依次对健康人和脑病人进行研究，都获得了成功，并于1929年初次发表“关于人脑电图”论文。对人脑的研究也就着重转向如何记录人的脑电图，并把这个方法称为脑电图描记术[6]。从这之后，关于脑电信号的研究重点逐渐转移至临床应用方面，人们开始重点研究脑电信号所反映的人脑功能状态[7]。
现记录大脑电流活动的方式有:功能核磁共振成像[8]，功能近红外成像[9]，正电子发射断层成像[10]，脑磁图[11]，脑电图[12]等。而脑电图具有易用性高、价格低、便携等优点，仍在临床上得到广泛应用。
20世纪年30代，随着科学技术的不断发展，科学家先是发明了差分放大器[13]，随后又出现了脑电图机用示波照相方法采集脑电信号并记录下来[14]。在随后的几十年中，共模抑制、集成电路等技术发展的日渐成熟，先后被引入至脑电图机中，使得脑电图机取得较大的改进，其体积变小的同时抗干扰能力也得到了很大的提高。从1950年到如今，脑电图机已经发展了六十多年，这段时期出现了很多有代表性的仪器，如日本光电公司的EEG4418，美国尼高力公司的Nicolet One[15]。
脑电图最初采集通常采用1020系统安放电极的方法[16]，但是这种方法并不能完全反映大脑的所有信息。脑电极应该是非常密集的放置，这样所采集到的脑电信号才会的更加精准。现在的脑电极安放最高的已经发展到256路[17]，脑电信号采集的方式也更加多样化。
目前国外的脑电信号采集技术已经相当成熟，由于技术的垄断，在英国一套脑电信号采集设备价格不菲。随着新技术的发明，怎样更加方便的采集脑电信号以及如何采集精度更高的脑电信号成为人们关注的焦点。一方面，为了采集脑电信号更加方便，用干电极来代替湿电极，操作更加简单，既省时又省力[18]。另一方面，为采集到精度更高的脑电信号，采用植入式电极，通过将电极植入大脑来采集更加精准的脑电信号[19]。这个采集方法看上去有点危险，但采集脑电信号的效果非常好，国外已经使用这个方法很多年。
国内的脑电信号采集设备的研究工作虽然起步较晚，但也在有条不紊地推进之中。现在我国的脑电信号采集技术主要有动态脑电图系统[20]和视频脑电图仪[21]等。其中动态脑电图仪的各方面性能都较为突出，被大量使用。
1.3 课题的主要工作
本课题的主要工作是设计并实现一种体积小、价格低廉并易于二次开发的脑电信号采集装备。主要内容：
（1）绪论：这部分主要介绍脑电信号的采集的研究背景及意义，在国内外的研究现状。分析了目前国内外脑电信号采集设备存在的一些问题并提出了相应的解决方法。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.3 课题的主要工作 2
2 脑电信号及系统的总体设计 3
2.1 脑电信号概述 3
2.2 脑电信号采集系统总体设计 5
3 脑电信号采集系统硬件电路设计 6
3.1 脑电信号调理电路设计 6
3.2 前置级放大电路 7
3.3 高通滤波电路 8
3.4 低通滤波电路 9
3.5 50Hz陷波电路 11
3.6 后置级放大电路 13
3.7 电平抬升电路 14
3.8 Proteus 电路仿真 14
4 基于MSP430单片机的数字处理 15
4.1 MSP430系列单片机简介 16
4.2 单片机部分硬件电路设计 17
4.3 MSP430F149单片机最小系统 19
4.4 单片机硬件总原理图 25
4.5 实物制作展示 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
世界上的每一个生物的体征都随着时代的演变而发生着变化，人类作为这个世界上最高级的动物，当然也不例外。而人体 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
最复杂的器官便是人脑，因此对人脑的研究就显得尤其的重要。
现阶段对人脑的分析主要还是根据脑电信号[1]。尤其是对有脑部疾病的患者来说，通过对脑电信号较为精准的采集以及分析，就可以及时的发现脑部疾病根源的所在并能尽快实施相应的治疗。因此，脑电信号采集的相关研究对人类脑健康起着至关重要的作用。脑电信号是由于脑神经活动而产生的自发性电位活动，是一种微弱的电信号，幅值非常低，通常为μV级，频率一般在0.5到100Hz之间[2]。采集相当困难的原因不仅仅是信号非常微弱，还存在着另一个因素，在采集过程中容易受到外界环境的干扰。随着科学的进步，电子技术发展迅速，现在在医疗领域中采用微控制器作为控制单元用来采集并分析脑电信号的仪器，已然成为分析脑电信号的主流如脑电图（Electroencephalogram,EEG）仪，这样采集到的信号也更加的精准[3]。但仪器的精准性提高的同时，也带来了一些问题，如设备笨重，价格昂贵等缺点。例如，NeuroScan公司的32导联脑电系统价格在10万美元左右，128导联脑电系统在26万美元左右;日本NihonKohden公司的32路脑电系统价格在5万美元左右[4]。由于对脑电采集技术的垄断，一套完整的脑电信号采集设备都是价格不菲，这不利于脑电信号采集设备的普及与发展，因此，开发一种便携式设备具有十分重要的意义。
1.2 国内外的研究现状
1882年，英国医生卡顿直接将电极接触到猴子的头部，试图研究猴子的脑电活动，这也是人们进行脑电测试的第一次尝试[5]。1903年，德国医学家贝格尔在此基础上，将电极放在人的头皮下进行尝试，依次对健康人和脑病人进行研究，都获得了成功，并于1929年初次发表“关于人脑电图”论文。对人脑的研究也就着重转向如何记录人的脑电图，并把这个方法称为脑电图描记术[6]。从这之后，关于脑电信号的研究重点逐渐转移至临床应用方面，人们开始重点研究脑电信号所反映的人脑功能状态[7]。
现记录大脑电流活动的方式有:功能核磁共振成像[8]，功能近红外成像[9]，正电子发射断层成像[10]，脑磁图[11]，脑电图[12]等。而脑电图具有易用性高、价格低、便携等优点，仍在临床上得到广泛应用。
20世纪年30代，随着科学技术的不断发展，科学家先是发明了差分放大器[13]，随后又出现了脑电图机用示波照相方法采集脑电信号并记录下来[14]。在随后的几十年中，共模抑制、集成电路等技术发展的日渐成熟，先后被引入至脑电图机中，使得脑电图机取得较大的改进，其体积变小的同时抗干扰能力也得到了很大的提高。从1950年到如今，脑电图机已经发展了六十多年，这段时期出现了很多有代表性的仪器，如日本光电公司的EEG4418，美国尼高力公司的Nicolet One[15]。
脑电图最初采集通常采用1020系统安放电极的方法[16]，但是这种方法并不能完全反映大脑的所有信息。脑电极应该是非常密集的放置，这样所采集到的脑电信号才会的更加精准。现在的脑电极安放最高的已经发展到256路[17]，脑电信号采集的方式也更加多样化。
目前国外的脑电信号采集技术已经相当成熟，由于技术的垄断，在英国一套脑电信号采集设备价格不菲。随着新技术的发明，怎样更加方便的采集脑电信号以及如何采集精度更高的脑电信号成为人们关注的焦点。一方面，为了采集脑电信号更加方便，用干电极来代替湿电极，操作更加简单，既省时又省力[18]。另一方面，为采集到精度更高的脑电信号，采用植入式电极，通过将电极植入大脑来采集更加精准的脑电信号[19]。这个采集方法看上去有点危险，但采集脑电信号的效果非常好，国外已经使用这个方法很多年。
国内的脑电信号采集设备的研究工作虽然起步较晚，但也在有条不紊地推进之中。现在我国的脑电信号采集技术主要有动态脑电图系统[20]和视频脑电图仪[21]等。其中动态脑电图仪的各方面性能都较为突出，被大量使用。
1.3 课题的主要工作
本课题的主要工作是设计并实现一种体积小、价格低廉并易于二次开发的脑电信号采集装备。主要内容：
（1）绪论：这部分主要介绍脑电信号的采集的研究背景及意义，在国内外的研究现状。分析了目前国内外脑电信号采集设备存在的一些问题并提出了相应的解决方法。
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