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

ADS1298芯片是TI公司設(shè)計的專門用于生物電位測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。與普通的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片相比，ADS1298更多的優(yōu)勢在于其便攜性、緊湊性、低功耗性。該芯片的集成特性包括8路獨立的PGA和24 b ADC，右腿驅(qū)動電路以及電極檢測等，這些功能極大地方便了腦電信號和心電信號等生理信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，使其所占用的組件數(shù)量與電路板尺寸比分立器件相比要降低95％，功耗也比分立器件降低95％左有，3 V供電時其最大功耗僅為9．5 mW。
ADS1298主要特性為：
(1)8個低噪音PGA和8個高分辨率ADC；
(2)采樣頻率為250 SPS～32 KSPS；
(3)可編程增益：1，2，3，4，6，8或者12；
(4)低功耗：每通道0．75 mW；
(5)串行外設(shè)接口(SPI)-兼容串口；
(6)內(nèi)置右腿驅(qū)動放大器，檢測，WCT，PACE檢測，測試信號。
ADS1298的主要功能是通過控制其內(nèi)部寄存器來實現(xiàn)的，如信號輸入模式、采樣速率、放大倍數(shù)等。在本系統(tǒng)中，ADS1298通過SPI與外部處理器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步收發(fā)。ADS1298的參考電壓可設(shè)置為2．4 V或4 V，因為它的分辨率為24 b，所以最低可分辨的電壓分別為0．286μF、0．477μF。而腦電信號的幅度一般為0．001～0．1 mV，所以在信號進入ADS1298之前不需要再經(jīng)過放大處理，其自帶的放大模塊就能滿足要求，這樣就大大簡化了信號調(diào)理電路，極大地縮小了整體信號采集電路的面積和體積。
1．4 MSP430主控制模塊
系統(tǒng)選用MSP430F5529系列單片機作為主控制器。MSP430F5529具有比較豐富的片內(nèi)外設(shè)，各個模塊運行完全是獨立的，包括定時器、輸入／輸出端口、看門狗、UART等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。
MSP430F5529含有2個通用串行通信接口(USCI)模塊，支持多種串行通信模式，如UART，IrDA，SPI，I2C。在本系統(tǒng)中，MSP430F5529利用SPI對ADS1298及GS1011進行控制以及數(shù)據(jù)的傳輸，控制電路如圖3所示。其中，MSP430工作于主模式下，ADS1298，GS1011均工作于從模式下。

1．5 GS1011處理器模塊
系統(tǒng)選用超低功耗片上系統(tǒng)GS1011作為腦電信號的處理與發(fā)送模塊。GS1011是美國GainSpan公司生產(chǎn)的一款高集成度，超低功耗無線SoC芯片，它包括一個無線802．11、媒體訪問控制器(MAC)、基帶處理器、片上閃存，SRAM和一個應(yīng)用處理器，全部在單一封裝內(nèi)。GS1011芯片中包括2個32 b的ARM7處理器，其中一個為WLAN處理器(WLAN CPU)負責網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的WI-FI收發(fā)，另外一個為應(yīng)用處理器(Application CPU)，負責面向用戶的應(yīng)用程序設(shè)計。GS1011的芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。
GS1011芯片內(nèi)部集成有2．45 GHz射頻發(fā)射器，通信范圍室內(nèi)為50～70 m，室外大于200 m，射頻功率為9 dBm。該射頻發(fā)射器有2種不同的模式即內(nèi)部功率放大器和外部功率放大器，考慮到能耗和總體設(shè)計的復(fù)雜性等方面，本設(shè)計運用內(nèi)部功率放大器來驅(qū)動射頻對RF信號進行發(fā)送，這樣可以有效地減少無線通信對外部器件的需求量。