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依據現代腦電生理神經(jīng)心理學(xué)的研究，腦波活動(dòng)依據特定波長(cháng)主要分為四組模式：β、α、θ、δ，腦波活動(dòng)的某一模式與特定的精神狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。腦波治療儀是新型的醫療儀器，它依據腦波同步及腦波頻率引導原理，采用生物信息模擬技術(shù)，用電腦模擬各種頻率的腦電波，并調制成腦波音樂(lè )信號反饋給使用者，影響調節人體的腦電活動(dòng)水平及興奮水平，使大腦經(jīng)常處于特定的腦波狀態(tài)。目前常用的腦波軟件產(chǎn)生方法有調用函數算法生成和模擬DSS采樣輸出的方法，本文采用基于普通單片機的模擬DSS采樣輸出的方法對系統進(jìn)行設計。 1 系統硬件介紹 如圖l所示，系統由單片機，程序存儲器，數模轉換器，放大濾波電路，立體聲耳機，節目指示燈，節目時(shí)間顯示器、按鍵等構成。系統可分為按鍵電路，腦波音樂(lè )產(chǎn)生電路，節目時(shí)間、節目指示燈顯示電路這三個(gè)模塊。 開(kāi)機后，在用戶(hù)選擇好節目并按下開(kāi)始鍵后系統開(kāi)始運行。開(kāi)始運行后首先由單片機產(chǎn)生預設頻率的腦波音樂(lè )數字信號，此信號經(jīng)數模轉換電路轉化為模擬信號，然后由模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生左右雙聲道信號，最后經(jīng)濾波放大電路進(jìn)入耳機。節目在播放過(guò)程中會(huì )有節目指示燈及運行時(shí)間的顯示，節目時(shí)間、是以分鐘為單位來(lái)顯示。 2 系統軟件介紹 軟件主要由以下幾部分組成：鍵盤(pán)檢測、控制部分，腦波音樂(lè )節目產(chǎn)生部分，節目時(shí)間、節目指示燈顯示部分。 2．1 系統軟件流程 圖2是系統總流程圖。設備上電后，單片機進(jìn)行系統初始化，包括對I／O端口及各種功能寄存器、外部設備進(jìn)行初始化，然后等待功能中斷子程序。這里鍵盤(pán)子程序調用了外部中斷，調用了定時(shí)器／計數器中斷。當檢測到有鍵盤(pán)中斷后先去抖動(dòng)，然后讀取鍵值并轉到相應功能子程序。腦波音樂(lè )產(chǎn)生子程序在開(kāi)始鍵按下后被觸發(fā)，它將調用各定時(shí)器完成腦波聲光的產(chǎn)生。在節目開(kāi)始的同時(shí)，節目時(shí)間顯示子程序將對時(shí)間進(jìn)行顯示。以下就設計中的一些重點(diǎn)進(jìn)行分析。 2．2 腦波聲光節目產(chǎn)生部分 圖l的模塊2為腦波音樂(lè )節目產(chǎn)生部分的硬件電路。腦波聲光節目產(chǎn)生軟件部分主要由兩個(gè)部分組成：?jiǎn)温暤滥X波音樂(lè )的生成，雙聲道音樂(lè )的生成。 2．2．1 單聲道腦波音樂(lè )的生成 因為治療波的頻率多處在人耳聽(tīng)覺(jué)范圍之外，所以用帶有治療波頻率的調幅信號來(lái)給大腦傳遞治療信號，即用治療頻率的正弦波來(lái)對一定頻率的載波進(jìn)行幅度調制來(lái)產(chǎn)生音樂(lè )，所以腦波音樂(lè )設計的重點(diǎn)就是調幅波的產(chǎn)生。設計中沒(méi)有調用正弦函數直接產(chǎn)生正弦波數據，而是先對正弦波進(jìn)行采樣得到正弦波數據，然后將數據固化在ROM中。因為系統采用8位單片機，一個(gè)字節存儲最大數為255，所以對采樣值的范圍選為0～255。 下面對調幅波的產(chǎn)生、調節進(jìn)行分別介紹： (1)調幅波的產(chǎn)生 因為單片機無(wú)法輸出負數，所以本設計的中調制信號為式(1)： 單片機分別取調制信號和載波信號的采樣點(diǎn)然后相乘取結果的高8位作為輸出則得到信號為式(3)： 通過(guò)外部的高通濾波器將直流及調制信號分量濾除就得到所需調幅信號如式(4)： 其中Ω為調制信號的頻率，即腦波頻率，頻率范圍為1Hz～30Hz；w0為載波的頻率，范圍為90Hz～800Hz，初始頻率設定為330Hz。輸出調幅波波形如圖3所示。 (2)調幅波的載波頻率調節 載波頻率即腦波音樂(lè )的音調，將音調調整到人耳敏感的范圍，會(huì )使治療效果更加明顯。人們可以聽(tīng)到的聲振動(dòng)頻率范圍為20Hz～20kHz，設計要求頻率調節范圍為90Hz～800Hz。載波頻率計算如式(5)： fw0=1/nT （5） 載波的頻率由載波的采樣點(diǎn)點(diǎn)數n和取點(diǎn)時(shí)間間隔T決定。通過(guò)改變采樣點(diǎn)點(diǎn)數來(lái)調節需要大量的采樣點(diǎn)，同時(shí)由于取點(diǎn)數量的改變必然帶來(lái)較大的相位截斷誤差。本設計通過(guò)改變T來(lái)調節頻率，這樣保證了采樣點(diǎn)不漏取，同時(shí)采樣點(diǎn)點(diǎn)數不用取太多。調頻過(guò)程中，首先計算所需頻率對應的時(shí)間T，然后將其賦給取點(diǎn)時(shí)間間隔參數，這樣載波就被跳到所需頻率。 (3)調幅波的調制信號頻率調節 在設計中，調幅波的調制信號即腦波音樂(lè )的包絡(luò )，它確定了腦波音樂(lè )的特征(尤其是治療的內容)。調制波的頻率調節是在一定的腦波頻率范圍內(1Hz～30Hz)變化，其頻率隨時(shí)間變化的時(shí)間、頻率參數已經(jīng)固化在ROM中，不能任意調節。調制信號頻率調節與載波頻率調節的原理相同，可以參考公式5。本設計中調制信號隨時(shí)間的頻率變化參數已經(jīng)換算成時(shí)間參數，程序運行時(shí)采用查表方式調用該時(shí)間參數來(lái)改變調制信號的頻率。 (4)腦波音樂(lè )強度的調節 將腦波音樂(lè )信號vAM作為DA2的參考電壓Vref，單片機的強度參數PW做為DA2的輸入信號。DAl和DA2采用DAC0832，因為在設計中DAC都采用單極性反向電壓輸出方式，所以DA2的輸出如式(6)： 這樣腦波音樂(lè )強度在0"-vAM內變化。 2．2．2 雙聲道音樂(lè )的生成 如圖4，模擬開(kāi)關(guān)的輸入口A(yíng)2、B1接低電平，Al、B2同時(shí)接入腦波音樂(lè )信號，單片機通過(guò)對控制口l、2來(lái)控制兩路開(kāi)關(guān)的通斷。當使左右兩路的開(kāi)關(guān)都始終打開(kāi)就會(huì )產(chǎn)生左右兩路同步輸出；當單片機以與調制信號相同的頻率控制模擬開(kāi)關(guān)交替開(kāi)、關(guān)就會(huì )產(chǎn)生左右兩路信號交替輸出。這兩路輸出信號經(jīng)過(guò)放大濾波電路輸出至耳機，這種交替／同步的立體聲作用到人腦將引導大腦起到雙腦同步的有效治療效果。圖5就是采集到的左右交替輸出的信號。 2．3 節目時(shí)間、節目指示燈顯示部分 節目時(shí)間顯示部分是由單片機調用內部定時(shí)器進(jìn)行分鐘計時(shí)，輸出時(shí)間信號到LED數碼管進(jìn)行顯示。節目時(shí)間在開(kāi)機時(shí)顯示0，在運行過(guò)程中，當節目時(shí)間到了預定時(shí)間將調用報警子程序發(fā)出報警聲，并將節目結束標志置位。節目指示燈顯示是在節目選擇子程序中由單片機控制節目指示發(fā)光二極管燈的亮滅，指示當前輸出哪個(gè)節目。 3 結果分析 通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察及示波器測量，設備能輸出有效頻率的腦波音樂(lè )，滿(mǎn)足預計的參數設置，波形無(wú)明顯失真。圖5是采集到的的波形。 但是實(shí)際輸出波形還是有一些誤差，其主要來(lái)自：①由于內部波形存儲器中存儲的正弦幅度值是用二進(jìn)制表示的，對于越過(guò)存儲器字長(cháng)的正弦幅度值必須進(jìn)行量化處理，這樣就引入了量化誤差。幅度量化主要有兩種方式，即舍入量化和截尾量化，這里采用截尾量化方式。②DAC非理想轉換特性所引起的雜散水平，DAC的非理想特性包括：DAC的有限分辨位數；差分、積分的非線(xiàn)性；D／A轉換過(guò)程中的瞬間毛刺；時(shí)鐘泄露；數字噪聲饋通；轉換速率受限等。③調制信號頻率調節過(guò)程中正弦波的各采樣點(diǎn)會(huì )有漏取點(diǎn)的情況發(fā)生，這樣就不可避免地產(chǎn)生相位截斷誤差。 針對以上問(wèn)題，提出一些改進(jìn)的方法：①應用更高位數的單片機和高性能的數模轉換器。②增大ROM容量及采樣點(diǎn)數，提高幅度分辨率。 |
