基于ADS1298與WiFi的腦電信號采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對人體腦電信號的實(shí)時采集，設(shè)計了一種基于ADS1298與WiFi的無線腦電信號采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由ADS1298信號采集模塊、MSP430主控制模塊、GS1011處理發(fā)送模塊3部分組成。ADS1298對腦電信號進(jìn)行24位高精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過SPI發(fā)送給MSP430進(jìn)行分析處理，最后發(fā)送至GS1011進(jìn)行打包，并由WiFi發(fā)送給遠(yuǎn)方的控制臺。在提高腦電信號采集精度的同時，又運(yùn)用成熟的WiFi無線傳輸技術(shù)，提高了傳輸速率和傳輸距離。該系統(tǒng)還具有體積小、便攜、超低功耗等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：腦電信號；信號采集；無線傳輸；WiFi

0 引言
腦電信號(EEG)是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的一種電活動，含有豐富的大腦活動信息，廣泛應(yīng)用于人的醫(yī)學(xué)病理診斷，尤其近年來在疲勞駕駛實(shí)時檢測、腦機(jī)接口(BCI)等領(lǐng)域的研究引起了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前商用的腦電信號采集設(shè)備雖然功能豐富，但是體積和功耗等一般比較大，而且數(shù)據(jù)傳輸大多采用有線方式，不便用于采集條件和環(huán)境經(jīng)常變化的場合。因此，便攜式無線腦電采集與傳輸系統(tǒng)成為一種研究熱點(diǎn)。由于腦電信號非常微弱，而且多通道的腦電波形數(shù)據(jù)量一般比較大，因此要求便攜式無線腦電信號采集與傳輸系統(tǒng)既要有很高的信號分辨靈敏度，又要有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且功耗高低也是制約其應(yīng)用的重要指標(biāo)。目前提高腦電信號分辨靈敏度的技術(shù)方案主要有
2種：采用精密放大濾波電路提高信號增益并抑制外界干擾，如文獻(xiàn)中采用三級放大電路、低通濾波器、高通濾波器和50 Hz雙T工頻濾波器對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理，但是系統(tǒng)的功耗與體積均較大；采用高分辨率A／D轉(zhuǎn)換器，以降低對預(yù)處理電路的要求，如文獻(xiàn)中采用高精度的ADS12 58轉(zhuǎn)換器對腦電信號進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。在無線數(shù)據(jù)傳輸方面，文獻(xiàn)中采用無線收發(fā)模塊CC2500，但其兼容性不強(qiáng)；文獻(xiàn)中采用無線收發(fā)器ADF 7020，但其為低IFISM頻段收發(fā)器，適用于無線遙感技術(shù)；文獻(xiàn)中采用藍(lán)牙模塊，但其通信速率較低，且傳輸距離較短。
本文設(shè)計的腦電信號采集與傳輸系統(tǒng)，在采用TI公司的一款高精度、低功耗、低噪聲的8通道24位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1298直接對腦電信號進(jìn)行放大及模／數(shù)轉(zhuǎn)換的同時，又采用Gain Span公司的超低功耗無線芯片GS1011對腦電信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離WiFi無線傳輸，不僅減小了系統(tǒng)的體積，還能最大限度的降低功耗。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
腦電信號是一種非常微弱的生理信號，其幅度一般為0．001～0．1 mV，頻率一般為0．5～40 Hz，被電極引出時還會帶有很多的噪聲，如肌電干擾、50 Hz工頻干擾等。所以要求系統(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗，還能抑制工頻信號。
本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下所示：
(1)采樣通道數(shù)目：8通道差分輸入；
(2)每通道A／D轉(zhuǎn)換速率：8 KSPS；
(3)ADC分辨率：24 b；
(4)傳輸速度>1 Mb／s。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從本質(zhì)上講，本文設(shè)計的腦電信號無線采集與傳輸系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是由MSP430主控制模塊、GS1011處理發(fā)送模塊、ADS1298信號采集模塊3部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從上圖可以看出，MSP430主控制模塊負(fù)責(zé)整個信號采集與傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行與操作，并且存儲和處理接收到的數(shù)據(jù)；信號采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)腦電信號的濾波及模／數(shù)轉(zhuǎn)換；GS1011處理發(fā)送模塊負(fù)責(zé)對數(shù)字化的腦電信號進(jìn)行打包處理，并選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給附近的AP，再由AP發(fā)送給控制臺進(jìn)行分析處理。