基于單片機的腦波治療儀的軟件設(shè)計研究
通過外部的高通濾波器將直流及調(diào)制信號分量濾除就得到所需調(diào)幅信號如式(4):本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/173775.htm
其中Ω為調(diào)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(shè)定為330Hz。輸出調(diào)幅波波形如圖3所示。
(2)調(diào)幅波的載波頻率調(diào)節(jié)
載波頻率即腦波音樂的音調(diào),將音調(diào)調(diào)整到人耳敏感的范圍,會使治療效果更加明顯。人們可以聽到的聲振動頻率范圍為20Hz~20kHz,設(shè)計要求頻率調(diào)節(jié)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點數(shù)n和取點時間間隔T決定。通過改變采樣點點數(shù)來調(diào)節(jié)需要大量的采樣點,同時由于取點數(shù)量的改變必然帶來較大的相位截斷誤差。本設(shè)計通過改變T來調(diào)節(jié)頻率,這樣保證了采樣點不漏取,同時采樣點點數(shù)不用取太多。調(diào)頻過程中,首先計算所需頻率對應(yīng)的時間T,然后將其賦給取點時間間隔參數(shù),這樣載波就被跳到所需頻率。
(3)調(diào)幅波的調(diào)制信號頻率調(diào)節(jié)
在設(shè)計中,調(diào)幅波的調(diào)制信號即腦波音樂的包絡(luò),它確定了腦波音樂的特征(尤其是治療的內(nèi)容)。調(diào)制波的頻率調(diào)節(jié)是在一定的腦波頻率范圍內(nèi)(1Hz~30Hz)變化,其頻率隨時間變化的時間、頻率參數(shù)已經(jīng)固化在ROM中,不能任意調(diào)節(jié)。調(diào)制信號頻率調(diào)節(jié)與載波頻率調(diào)節(jié)的原理相同,可以參考公式5。本設(shè)計中調(diào)制信號隨時間的頻率變化參數(shù)已經(jīng)換算成時間參數(shù),程序運行時采用查表方式調(diào)用該時間參數(shù)來改變調(diào)制信號的頻率。
(4)腦波音樂強度的調(diào)節(jié)
將腦波音樂信號vAM作為DA2的參考電壓Vref,單片機的強度參數(shù)PW做為DA2的輸入信號。DAl和DA2采用DAC0832,因為在設(shè)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):
這樣腦波音樂強度在0~-vAM內(nèi)變化。
2.2.2 雙聲道音樂的生成
如圖4,模擬開關(guān)的輸入口A2、B1接低電平,Al、B2同時接入腦波音樂信號,單片機通過對控制口l、2來控制兩路開關(guān)的通斷。當(dāng)使左右兩路的開關(guān)都始終打開就會產(chǎn)生左右兩路同步輸出;當(dāng)單片機以與調(diào)制信號相同的頻率控制模擬開關(guān)交替開、關(guān)就會產(chǎn)生左右兩路信號交替輸出。這兩路輸出信號經(jīng)過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(dǎo)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(jié)目時間、節(jié)目指示燈顯示部分
節(jié)目時間顯示部分是由單片機調(diào)用內(nèi)部定時器進行分鐘計時,輸出時間信號到LED數(shù)碼管進行顯示。節(jié)目時間在開機時顯示0,在運行過程中,當(dāng)節(jié)目時間到了預(yù)定時間將調(diào)用報警子程序發(fā)出報警聲,并將節(jié)目結(jié)束標(biāo)志置位。節(jié)目指示燈顯示是在節(jié)目選擇子程序中由單片機控制節(jié)目指示發(fā)光二極管燈的亮滅,指示當(dāng)前輸出哪個節(jié)目。
3 結(jié)果分析
通過實驗觀察及示波器測量,設(shè)備能輸出有效頻率的腦波音樂,滿足預(yù)計的參數(shù)設(shè)置,波形無明顯失真。圖5是采集到的的波形。
但是實際輸出波形還是有一些誤差,其主要來自:①由于內(nèi)部波形存儲器中存儲的正弦幅度值是用二進制表示的,對于越過存儲器字長的正弦幅度值必須進行量化處理,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(zhuǎn)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(shù);差分、積分的非線性;D/A轉(zhuǎn)換過程中的瞬間毛刺;時鐘泄露;數(shù)字噪聲饋通;轉(zhuǎn)換速率受限等。③調(diào)制信號頻率調(diào)節(jié)過程中正弦波的各采樣點會有漏取點的情況發(fā)生,這樣就不可避免地產(chǎn)生相位截斷誤差。
針對以上問題,提出一些改進的方法:①應(yīng)用更高位數(shù)的單片機和高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。②增大ROM容量及采樣點數(shù),提高幅度分辨率。
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