基于ADS1298與FPGA的高性能腦電信號采集系統(tǒng)

　　本文利用ADS1298芯片的高精度，以FPGA為主控制芯片，通過將工頻陷波、帶通濾波等模擬部分轉(zhuǎn)移到數(shù)字側(cè)，在保證性能的前提下簡化腦電信號放大與調(diào)理的模擬電路，實現(xiàn)便攜式腦電信號的采集。

　　0 引言

　　腦電信號(EEG)是一種典型的生物電信號，是大腦皮層腦神經(jīng)細(xì)胞電活動的總體反映，其中包含了大量的生理和病理信息，是臨床檢測的重要生理參數(shù)之一，也是認(rèn)知科學(xué)、腦機(jī)接口和警覺度等領(lǐng)域研究的重要手段。由于傳統(tǒng)腦電信號采集設(shè)備都比較龐大，不便于腦電信號的適時獲取，因此研究便攜式腦電信號采集設(shè)備具有重要意義。

　　腦電信號采集系統(tǒng)主要包括信號放大與調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理與傳輸?shù)?。由于人體的阻抗高且變化大，腦電信號又很微弱，外部環(huán)境的干擾很大，因此腦電信號采集系統(tǒng)的放大與調(diào)理電路比較復(fù)雜，通常要包括高輸入阻抗和高共模抑制比的前級放大、帶通濾波、工頻陷波、多級放大等，導(dǎo)致體積大功耗高。模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和速率也決定了腦電信號采集系統(tǒng)的性能，采用10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，或者采用ADI公司最高采樣率1.25 MBPS的12位AD1671芯片，或者采用16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。采用單片機(jī)、ARM和DSP作為控制器件的系統(tǒng)中，一般只能完成數(shù)據(jù)采集和處理較為單一的功能，其中以DSP的數(shù)據(jù)處理能力最強。相比之下，采用FPGA 作為主控芯片通過硬件描述語言編程可以靈活地進(jìn)行配置，實現(xiàn)對多通道數(shù)據(jù)的并行處理，同時能將多個功能在單芯片上實現(xiàn)，基于FGPA和ADS1258設(shè)計了集成有視覺、聽覺和體感刺激信號源與16通道腦電信號采集功能的誘發(fā)電位儀。腦電信號傳輸?shù)氖侄我訮CI總線、USB等有線方式為主，無線方式傳輸速率較低，但更易于便攜式設(shè)計，因此可以針對特定的應(yīng)用。

　　ADS1298是TI公司近年推出的一款針對心電和腦電信號采集的24位專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，本文利用該芯片的高精度，以FPGA為主控制芯片，通過將工頻陷波、帶通濾波等模擬部分轉(zhuǎn)移到數(shù)字側(cè)，在保證性能的前提下簡化腦電信號放大與調(diào)理的模擬電路，實現(xiàn)便攜式腦電信號的采集。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文提出的腦電信號采集系統(tǒng)包括信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸三個部分。腦電信號采集系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

　　預(yù)處理電路包含RC低通濾波和過壓保護(hù)電路，對腦電極采集到的信號進(jìn)行低通濾波和過壓保護(hù)后直接送入到ADS1298模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。右腿驅(qū)動電路主要是用來抑制共模干擾，由ADS1298 內(nèi)部的RLD電路以及外部的電容電阻構(gòu)成的反向放大濾波電路組成。

　　系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片，利用硬件描述性語言來編寫配置I/O 口成通用串行SPI接口，與高精度多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1298 的SPI 接口相連實現(xiàn)通信，從而控制ADS1298 將腦電極采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過濾波陷波處理后存儲在SDRAM中，作為采集數(shù)據(jù)的緩沖部分，以便為后續(xù)的傳輸模塊做準(zhǔn)備。

　　數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是采用FPGA配置I/O口作為以太網(wǎng)接口芯片DM9000A的控制接口，并與DM9000A的控制接口串聯(lián)，實現(xiàn)其邏輯控制;采用UDP 協(xié)議將從SDRAM中讀取的數(shù)據(jù)打包，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。8個通道1 kHz的采樣率，理論上需要192 Kb/s的傳輸速率，以太網(wǎng)口10/100M的傳輸速率完全能滿足需要。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 腦電信號采集預(yù)處理電路

　　人體自發(fā)的腦電信號的幅值很小，一般為5~100 μV，而誘發(fā)腦電信號的幅值更小，只為2 μV左右。

　　TI的ADS1298是24位、8通道差分輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，最大共模抑制比可達(dá)115 dB，直流輸入阻抗1 GΩ，在內(nèi)部增益設(shè)置為12 倍和參考電壓VREF =2.4 V 的條件下，信號分辨率為：

　　因此，將腦電信號不經(jīng)過放大和調(diào)理直接經(jīng)過簡單的低通濾波后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換仍可以滿足需要，故預(yù)處理電路設(shè)計如圖2所示，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：