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

O 引言
    依據(jù)現(xiàn)代腦電生理神經心理學的研究，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原理，采用生物信息模擬技術，用電腦模擬各種頻率的腦電波，并調制成腦波音樂信號反饋給使用者，影響調節(jié)人體的腦電活動水平及興奮水平，使大腦經常處于特定的腦波狀態(tài)。目前常用的腦波軟件產生方法有調用函數(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、按鍵等構成。系統(tǒng)可分為按鍵電路，腦波音樂產生電路，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生預設頻率的腦波音樂數(shù)字信號，此信號經數(shù)模轉換電路轉化為模擬信號，然后由模擬開關產生左右雙聲道信號，最后經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。這里鍵盤子程序調用了外部中斷，調用了定時器／計數(shù)器中斷。當檢測到有鍵盤中斷后先去抖動，然后讀取鍵值并轉到相應功能子程序。腦波音樂產生子程序在開始鍵按下后被觸發(fā)，它將調用各定時器完成腦波聲光的產生。在節(jié)目開始的同時，節(jié)目時間顯示子程序將對時間進行顯示。以下就設計中的一些重點進行分析。

2．2 腦波聲光節(jié)目產生部分
    圖l的模塊2為腦波音樂節(jié)目產生部分的硬件電路。腦波聲光節(jié)目產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制來產生音樂，所以腦波音樂設計的重點就是調幅波的產生。設計中沒有調用正弦函數(shù)直接產生正弦波數(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。
    下面對調幅波的產生、調節(jié)進行分別介紹：
    (1)調幅波的產生
    因為單片機無法輸出負數(shù)，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(jié)
    載波頻率即腦波音樂的音調，將音調調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，設計要求頻率調節(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。本設計通過改變T來調節(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。調頻過程中，首先計算所需頻率對應的時間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)調幅波的調制信號頻率調節(jié)
    在設計中，調幅波的調制信號即腦波音樂的包絡，它確定了腦波音樂的特征(尤其是治療的內容)。調制波的頻率調節(jié)是在一定的腦波頻率范圍內(1Hz～30Hz)變化，其頻率隨時間變化的時間、頻率參數(shù)已經固化在ROM中，不能任意調節(jié)。調制信號頻率調節(jié)與載波頻率調節(jié)的原理相同，可以參考公式5。本設計中調制信號隨時間的頻率變化參數(shù)已經換算成時間參數(shù)，程序運行時采用查表方式調用該時間參數(shù)來改變調制信號的頻率。
    (4)腦波音樂強度的調節(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內變化。
2．2．2 雙聲道音樂的生成
    如圖4，模擬開關的輸入口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來控制兩路開關的通斷。當使左右兩路的開關都始終打開就會產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關交替開、關就會產生左右兩路信號交替輸出。這兩路輸出信號經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用內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，當節(jié)目時間到了預定時間將調用報警子程序發(fā)出報警聲，并將節(jié)目結束標志置位。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，指示當前輸出哪個節(jié)目。

3 結果分析
    通過實驗觀察及示波器測量，設備能輸出有效頻率的腦波音樂，滿足預計的參數(shù)設置，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轉換過程中的瞬間毛刺；時鐘泄露；數(shù)字噪聲饋通；轉換速率受限等。③調制信號頻率調節(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生相位截斷誤差。
    針對以上問題，提出一些改進的方法：①應用更高位數(shù)的單片機和高性能的數(shù)模轉換器。②增大ROM容量及采樣點數(shù)，提高幅度分辨率。