基于A(yíng)DS1298與WiFi的腦電信號采集與傳輸系統設計

　　為了實(shí)現對人體腦電信號的實(shí)時(shí)采集，設計了一種基于ADS1298與WiFi的無(wú)線(xiàn)腦電信號采集與傳輸系統。該系統主要由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/數轉換，并通過(guò)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)送給遠方的控制臺。在提高腦電信號采集精度的同時(shí)，又運用成熟的WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，提高了傳輸速率和傳輸距離。該系統還具有體積小、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(dòng)產(chǎn)生的一種電活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)信息，廣泛應用于人的醫學(xué)病理診斷，尤其近年來(lái)在疲勞駕駛實(shí)時(shí)檢測、腦機接口(BCI)等領(lǐng)域的研究引起了越來(lái)越多的國內外學(xué)者的關(guān)注。目前商用的腦電信號采集設備雖然功能豐富，但是體積和功耗等一般比較大，而且數據傳輸大多采用有線(xiàn)方式，不便用于采集條件和環(huán)境經(jīng)常變化的場(chǎng)合。因此，便攜式無(wú)線(xiàn)腦電采集與傳輸系統成為一種研究熱點(diǎn)。由于腦電信號非常微弱，而且多通道的腦電波形數據量一般比較大，因此要求便攜式無(wú)線(xiàn)腦電信號采集與傳輸系統既要有很高的信號分辨靈敏度，又要有較高的數據傳輸速度，而且功耗高低也是制約其應用的重要指標。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)行預處理，但是系統的功耗與體積均較大;采用高分辨率A/D轉換器，以降低對預處理電路的要求，如文獻中采用高精度的ADS12 58轉換器對腦電信號進(jìn)行模/數轉換。在無(wú)線(xiàn)數據傳輸方面，文獻中采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2500，但其兼容性不強;文獻中采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)器ADF 7020，但其為低IFISM頻段收發(fā)器，適用于無(wú)線(xiàn)遙感技術(shù);文獻中采用藍牙模塊，但其通信速率較低，且傳輸距離較短。

　　本文設計的腦電信號采集與傳輸系統，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/數轉換器ADS1298直接對腦電信號進(jìn)行放大及模/數轉換的同時(shí)，又采用Gain Span公司的超低功耗無(wú)線(xiàn)芯片GS1011對腦電信號進(jìn)行遠距離WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸，不僅減小了系統的體積，還能最大限度的降低功耗。

　　1系統技術(shù)指標及硬件設計

　　1.1系統技術(shù)指標

　　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(shí)還會(huì )帶有很多的噪聲，如肌電干擾、50 Hz工頻干擾等。所以要求系統具有高共模抑制比、高輸入阻抗，還能抑制工頻信號。

　　本系統的技術(shù)指標如下所示：

　　(1)采樣通道數目：8通道差分輸入;

　　(2)每通道A/D轉換速率：8 KSPS;

　　(3)ADC分辨率：24 b;

　　(4)傳輸速度>1 Mb/s.

　　1.2系統結構

　　從本質(zhì)上講，本文設計的腦電信號無(wú)線(xiàn)采集與傳輸系統是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )化的分布式嵌入式系統。該系統主要是由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，其體系結構如圖1所示。

　　從上圖可以看出，MSP430主控制模塊負責整個(gè)信號采集與傳輸系統的運行與操作，并且存儲和處理接收到的數據;信號采集模塊負責實(shí)現腦電信號的濾波及模/數轉換;GS1011處理發(fā)送模塊負責對數字化的腦電信號進(jìn)行打包處理，并選擇相應的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議，將數據包發(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理電路和ADS1298組成。圖2為信號調理電路，該部分由二階無(wú)源低通濾波和限幅電路組成，起到消除高頻干擾和過(guò)壓保護的作用。其中低通截止頻率為160 Hz，可通過(guò)電壓幅值范圍為±700 mV.

　　ADS1298芯片是TI公司設計的專(zhuān)門(mén)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/數轉換芯片相比，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，右腿驅動(dòng)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的設計，使其所占用的組件數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(shí)其最大功耗僅為9.5 mW. ADS1298主要特性為：(1)8個(gè)低噪音PGA和8個(gè)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)串行外設接口(SPI)-兼容串口;(6)內置右腿驅動(dòng)放大器，檢測，WCT，PACE檢測，測試信號。

　　ADS1298的主要功能是通過(guò)控制其內部寄存器來(lái)實(shí)現的，如信號輸入模式、采樣速率、放大倍數等。在本系統中，ADS1298通過(guò)SPI與外部處理器進(jìn)行通信，實(shí)現數據的同步收發(fā)。ADS1298的參考電壓可設置為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(guò)放大處理，其自帶的放大模塊就能滿(mǎn)足要求，這樣就大大簡(jiǎn)化了信號調理電路，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

　　系統選用MSP430F5529系列單片機作為主控制器。MSP430F5529具有比較豐富的片內外設，各個(gè)模塊運行完全是獨立的，包括定時(shí)器、輸入/輸出端口、看門(mén)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(gè)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.在本系統中，MSP430F5529利用SPI對ADS1298及GS1011進(jìn)行控制以及數據的傳輸，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。