摘要：介紹了一種基于單片機的腦波治療儀的軟件設(shè)計方案。文中對系統(tǒng)的整體設(shè)計進行了簡要介紹，著重對腦波誘導(dǎo)音樂的軟件設(shè)計進行了分析。最后對系統(tǒng)輸出腦波誘導(dǎo)波進行了測試并對出現(xiàn)的誤差進行了討論，實驗證明該設(shè)計方案可行。
關(guān)鍵詞：腦波；單片機；腦波治療儀；腦波頻率引導(dǎo)

O 引言
    依據(jù)現(xiàn)代腦電生理神經(jīng)心理學(xué)的研究，腦波活動依據(jù)特定波長主要分為四組模式：β、α、θ、δ，腦波活動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(yī)療儀器，它依據(jù)腦波同步及腦波頻率引導(dǎo)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(diào)制成腦波音樂信號反饋給使用者，影響調(diào)節(jié)人體的腦電活動水平及興奮水平，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(diào)用函數(shù)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(tǒng)進行設(shè)計。

1 系統(tǒng)硬件介紹
    如圖l所示，系統(tǒng)由單片機，程序存儲器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，放大濾波電路，立體聲耳機，節(jié)目指示燈，節(jié)目時間顯示器、按鍵等構(gòu)成。系統(tǒng)可分為按鍵電路，腦波音樂產(chǎn)生電路，節(jié)目時間、節(jié)目指示燈顯示電路這三個模塊。

    開機后，在用戶選擇好節(jié)目并按下開始鍵后系統(tǒng)開始運行。開始運行后首先由單片機產(chǎn)生預(yù)設(shè)頻率的腦波音樂數(shù)字信號，此信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為模擬信號，然后由模擬開關(guān)產(chǎn)生左右雙聲道信號，最后經(jīng)濾波放大電路進入耳機。節(jié)目在播放過程中會有節(jié)目指示燈及運行時間的顯示，節(jié)目時間、是以分鐘為單位來顯示。

2 系統(tǒng)軟件介紹
    軟件主要由以下幾部分組成：鍵盤檢測、控制部分，腦波音樂節(jié)目產(chǎn)生部分，節(jié)目時間、節(jié)目指示燈顯示部分。
2．1 系統(tǒng)軟件流程
    圖2是系統(tǒng)總流程圖。設(shè)備上電后，單片機進行系統(tǒng)初始化，包括對I／O端口及各種功能寄存器、外部設(shè)備進行初始化，然后等待功能中斷子程序。這里鍵盤子程序調(diào)用了外部中斷，調(diào)用了定時器／計數(shù)器中斷。當(dāng)檢測到有鍵盤中斷后先去抖動，然后讀取鍵值并轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能子程序。腦波音樂產(chǎn)生子程序在開始鍵按下后被觸發(fā)，它將調(diào)用各定時器完成腦波聲光的產(chǎn)生。在節(jié)目開始的同時，節(jié)目時間顯示子程序?qū)r間進行顯示。以下就設(shè)計中的一些重點進行分析。

2．2 腦波聲光節(jié)目產(chǎn)生部分
    圖l的模塊2為腦波音樂節(jié)目產(chǎn)生部分的硬件電路。腦波聲光節(jié)目產(chǎn)生軟件部分主要由兩個部分組成：單聲道腦波音樂的生成，雙聲道音樂的生成。
2．2．1 單聲道腦波音樂的生成
    因為治療波的頻率多處在人耳聽覺范圍之外，所以用帶有治療波頻率的調(diào)幅信號來給大腦傳遞治療信號，即用治療頻率的正弦波來對一定頻率的載波進行幅度調(diào)制來產(chǎn)生音樂，所以腦波音樂設(shè)計的重點就是調(diào)幅波的產(chǎn)生。設(shè)計中沒有調(diào)用正弦函數(shù)直接產(chǎn)生正弦波數(shù)據(jù)，而是先對正弦波進行采樣得到正弦波數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)固化在ROM中。因為系
統(tǒng)采用8位單片機，一個字節(jié)存儲最大數(shù)為255，所以對采樣值的范圍選為0～255。
    下面對調(diào)幅波的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)進行分別介紹：
    (1)調(diào)幅波的產(chǎn)生
    因為單片機無法輸出負(fù)數(shù)，所以本設(shè)計的中調(diào)制信號為式(1)：

   
    單片機分別取調(diào)制信號和載波信號的采樣點然后相乘取結(jié)果的高8位作為輸出則得到信號為式(3)：

    
    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)：

   
    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。