基于脑电的疲劳驾驶检测系统的设计简单介绍

前言交通事故是当前世界各国所面临的严重社会问题之一，已被公认为当今世界危害人类生命安全的第一大公害，每年因交通事故的原因至少使50万人死亡.欧美各国的交通事故统计分析表明，交通事故中80%~90%是人的因素造成的。根据美国国家公路交通安全署的统计，在美国的公路上，每年由于司机在驾驶过程中跌入睡眠状态而导致大约10万起交通事故，约有1500起直接导致人员死亡，7.1万起导致人员伤害。在欧洲的情况也大致相同，如在德国境内的高速公路上25%导致人员伤亡的交通事故，都是由疲劳驾驶引起的。根据中国交通部的统计，我国48%的车祸由驾驶员疲劳驾驶引起，直接经济损失达数十万美元。有关汽车驾驶员的疲劳检测问题,随着高速公路的发展和车速的提高，目前已成为汽车安全研究的重要一环。国外的许多国家都比较重视疲劳驾驶检测的研究工作。尤以美国的研究发展较快，目前具有代表性的有：美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统，方向盘监视装置，日本研制的DAS2000型路面警告系统，日本研制的电子“清醒带”。对于国内，我国的疲劳驾驶检测系统研究起步较晚，目前比较成型的系统很少。对于目前来说，不论国内国外，虽然研究的成果较多，但是还未见到一种方法是被大家所公认的。就现在而言，基于脑电波的疲劳驾驶检测系统被国际上视作为未来该领域的发展趋势。脑电信号是一种微弱的生物信号，并且极易受到干扰。基于脑电的疲劳驾驶检测系统的设计思想为：首先要通过脑电采集电路采集脑电信号，再对其进行小波去噪处理，去掉脑电伪迹和高频噪声，最后通过处理分析脑电信号，从而给出驾驶人员的疲劳程度。系统的基本设计思想如下图所示：


整个系统由模拟部分和数字部分组成。

模拟部分主要由信号放大电路，滤波电路，光电耦合电路以及AD6783模数转换器构成。

数字部分主要由SPI接口控制器（ADC接口），时钟管理器，小波去噪模块和分析处理模块共同组成。

第一章：模拟部分


前端信号采集电路完整实现了基于脑电的疲劳检测系统，总体放大倍数为A=100×70×1.1×2=15400，脑电信号电压为5μV—100μV,经全部采集电路放大滤波后，信号电压范围为-1.54V~+1.54V ，经电压抬升后输入AD信号范围为0.71V~3.79V，外部采用12V直流供电，内部选用7805产生5V电压。详细情况如下：

一、脑电信号采集放大部分：


（1）前置放大电路：前置放大电路是整个脑电采集仪器设计的关键，它决定了整个放大电路的共模抑制比、输入阻抗和噪声水平。

脑电测量过程中的共模干扰特别大，脑电信号的放大一般采用差动放大电路结构。前置放大电路对集成运算放大器的要求有：高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移；低输入失调电压；足够大的放大倍数及低功耗。本课题中采用AD公司的高性能仪用放大器AD620来实现前置放大。此运放有较高的技术参数，非常适合用于生理信号放大及在电池供电条件下工作的医疗仪器的应用系统。本次电路设计中，放大倍数为100倍，增益反馈电阻选为499欧姆。AD620的放大倍数G由增益电阻决定，增益：
其中为增益反馈电阻。


二级放大电路：因前置放大后的信号仍然处于比较低的电压水平上，现采用AD620设计二级放大电路，以进一步保证高共模抑制比、低噪声、低漂移等电路性能，放大倍数选择为70倍，增益反馈电阻取为715欧姆。


低通滤波电路：低通滤波采用二阶巴特沃斯滤波器，采用OP07运放，截止频率为100赫兹。


由电路，得到传递函数：

只有小于3时，即分母中S的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。

截止频率为：



（4）50赫兹陷波电路：如下图，采用典型的二阶有源带阻滤波器。


这是一种典型的二阶有源带阻滤波器，其传递函数为：
，式中A是运放增益。