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

　　為了實現(xiàn)對人體腦電信號的實時采集，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)。

　　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。

　　1.3信號采集模塊

　　信號采集模塊由信號調(diào)理電路和ADS1298組成。圖2為信號調(diào)理電路，該部分由二階無源低通濾波和限幅電路組成，起到消除高頻干擾和過壓保護(hù)的作用。其中低通截止頻率為160 Hz，可通過電壓幅值范圍為±700 mV.

　　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(dú)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(yùn)行完全是獨(dú)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(dú)立運(yùn)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(jìn)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。