ADS1298模擬前端的便攜式生理信號采集系統(tǒng)

摘要：介紹了一種便攜式多功能生理信號采集裝置，用戶通過簡單設置及選擇相應電極，可分別進行腦電和心電數(shù)據(jù)的實時采集，并能對數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。它具有精度高、體積小、功耗低等特點。該系統(tǒng)下位機主要由ST公司的STM32單片機STM32F103和TI公司的ADS1298模擬前端IC構成，省去了大量的外圍電路。下位機通過USB2．0協(xié)議與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機USB驅動由NI-VISA實現(xiàn)，軟件用LabVIEW開發(fā)。
關鍵詞：生理電信號；24位ADC；USB；LabVIEW

引言
    生理電信號在醫(yī)療診斷和科學研究方面有著重要的意義。目前，生理電信號采集裝置通常針對某種特定的信號設計，如腦電圖機、心電圖機等。通常精度高的儀器，由于各個通道均需要獨立的模擬放大、濾波等模塊，故其體積往往較大，限制了儀器的應用環(huán)境。而腦電的幅頻特性“0．001～0．1 mV、0．5～40 Hz”與心電的幅頻特性“1～5 mV、0．05～100 Hz”具有相似性。本文運用24位ADC技術，直接采集生理電信號，進行數(shù)字濾波和放大，設計一種能通過簡單配置，能分別采集腦電和心電的生理信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可復用、便攜、功耗低等特點，為生理信號的采集提供一種新方案。

1 總體設計
    考慮到整個系統(tǒng)的精度、體積、成本以及電子技術的發(fā)展趨勢，提出以下設計方案。為減小系統(tǒng)體積，提升精度，系統(tǒng)利用24位A／D轉換芯片和低數(shù)值基準電壓源，得到高分辨率的數(shù)字信號(μV／bit級)，傳送至單片機。單片機根據(jù)具體的應用(腦電或心電)配置A／D芯片，并進行數(shù)據(jù)的采集、存儲。由于數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)上／下位機之間采用USB協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。為防止人體觸電、減少信號干擾，USB數(shù)據(jù)鏈路采用ADuM4160芯片進行隔離。上位機采用LabVIEW軟件實現(xiàn)USB驅動、數(shù)據(jù)處理和界面的設計。圖1為系統(tǒng)的原理框圖。

2 硬件設計
2．1 預處理電路
    圖2為預處理部分電路。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的作用。其中，低通截止頻率為30 kHz，可通過電壓幅值范圍為±700mV。

2．2 基準電平
    雖然ADS1298中集成了精度為0．2％的2．4V和4．0 V的基準電平，但為了減小前端放大器的放大倍數(shù)，本設計中的ADC部分采用REF3112提供的1．25 V(0．2％)作為基準電平。該電平通過OPA211組成的電壓跟隨器進一步穩(wěn)定，輸入至ADS1298的VREF。
2．3 模擬前端ADS1298
    本系統(tǒng)的模擬前端采用TI公司的ADS1298芯片。其內部原理框圖如圖3所示。

    ADS1298主要特性為：
    ①8通道24位ADC轉換芯片，其采樣頻率可工作在250sps～32ksps。
    ②各通道含可編程放大器，其放大倍數(shù)在1～12倍可調；CMRR>100 dB時，輸入阻抗約為10MΩ。
    ③內置右腿驅動放大器和威爾遜中心電端。
    根據(jù)心電模式或腦電模式的具體應用，通過單片機配置多路選擇器(MUX)內部各個輸入端(INPUTS、RLD)的通斷，可編程放大器(A1～A8)的放大倍數(shù)和AD轉換器(ADC1～ADC8)的采樣頻率。當芯片完成一次轉換，Data Ready引腳變?yōu)榈碗娖?，通知MCU通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)。
2．4 MCU控制部分
    選用STM32F103芯片作為系統(tǒng)的MCU。該芯片具有高性能(72 MHz工作頻率、具有單周期乘法指令和硬件除法指令)，低功耗(0．19 mW／  MHz)和豐富外設(SPI及USB等)等特點。對于模擬前端ADS1298，MCU作為主機，采用SPI協(xié)議進行通信。系統(tǒng)上電時，設置ADS1298的相應寄存器；在檢測到ADS1298的Data Ready信號后，讀取ADC的轉換結果。對于上位機，MCU作為從機，采用USB協(xié)議和上位機進行通信。MCU在連接上位機時，完成USB枚舉等初始化動作；當接收到ADS1298的數(shù)據(jù)后，打包成USB數(shù)據(jù)包，傳送給上位機。
2．5 USB隔離
    為保護人體安全，本設計中采用ADuM4160芯片進行上下位機隔離，下位機采用電池供電。ADuM4160芯片是ADI公司推出的專用USB隔離芯片，具有透明、易于配置、兼容USB2．0協(xié)議、可隔離5 000 V電壓等優(yōu)點。圖4為USB隔離部分框圖。芯片左側VBUS1、DD+、DD-和GND1分別連接上位機的5 V、USB正端、USB負端和地線；芯片右側VBUS2、DD+、DD-和PIN分別連接MCU的電源、USB正端(PA12口)、USB負端(PA11口)、I ／O口(PA10口)，其中PIN為使能端。

2．6 電源部分
    本系統(tǒng)需要3路電源供電：數(shù)字部分供電電壓3．3 V、模擬正端供電電壓3 V、模擬負端供電電壓-3 V。其中，3．3 V由AMS1117-3．3芯片從電池電壓轉換得到，3V由TPS73230芯片從電池芯片轉換得到，-3V由TPS60403芯片從3V電壓轉換得到。

3 上位機程序設計
3．1 USB驅動部分
    采用LabVIEW的NI-VISA子程序控件來實現(xiàn)USB驅動。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口(API)。運用該API，可使用NI-VISA方便地實現(xiàn)USB的讀寫功能。
    基于NI-VISA的USB驅動配置過程如下：
    ①使用驅動程序開發(fā)向導(Driver Development Wizard，DDW)創(chuàng)建INF文檔。安裝NI-VISA軟件(3．0或后續(xù)版本)，打開DDW，選擇USB，在相應欄里面填入USB設備的VID、PIE)、制造商名稱和型號名稱，最后點擊“完成”按鈕即可生成*．INF驅動文件。
    ②安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設備。將*．INF文件復制到系統(tǒng)盤的Windows文件夾下，在右鍵菜單中點擊安裝即可。當PC機檢測到本系統(tǒng)的下位機接入后，會根據(jù)INF配置文件加載NI-VISA作為底層驅動。
3．2 軟件編程部分
    在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，使用“VISA打開”模塊打開USB設備，在“VISA啟用事件”模塊中使能USB中斷，在“VISA等待事件”模塊中設置超時時間。設置完成后，可在“VISA獲取USB中斷數(shù)據(jù)”模塊中得到USB數(shù)據(jù)。實現(xiàn)USB通信的LabVIEW代碼如圖5所示。

    LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，集成了多種信號處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存函數(shù)，可方便地對USB中得到的數(shù)據(jù)進行處理。本設計心電應用中，帶通頻率設置為0．5～50 Hz、50～100Hz；腦電應用中，帶通頻率設置為0．5～40Hz。經過濾波的數(shù)據(jù)一方面在“Waveformcharts”  中顯示，另一方面應用“Open／Create／Replace File”函數(shù)和“Write To Spreadsheet File”函數(shù)保存至硬盤，供后續(xù)分析。

4 測試結果
    在室內常溫環(huán)境下，被測人體的身體自然放松，大腦清醒；系統(tǒng)下位機由電池供電，分別進行心電和腦電采集，采樣頻率為1 kHz，心電測試圖和腦電測試圖如圖6、圖7所示。

    心電測試中，偵測電極位于鎖骨中線和第五肋間的交點，參考地位于右邊腋中線；腦電測試中，偵測電極位于10～20電極放置法的FP1點位，參考地位于右耳根部。

結語
    生理電信號大多具有信號內阻高、幅度低的特點，往往淹沒在環(huán)境噪聲當中。本文基于24位ADC技術的采集系統(tǒng)，能夠對模擬信號進行高分辨率采樣，對轉化后的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波、放大處理。一方面，簡化了硬件電路；另一方面，由于數(shù)字濾波器的參數(shù)可通過軟件方式方便的調節(jié)，故可實現(xiàn)儀器復用，采集多種生理電信號。
    對樣機的測試表明，系統(tǒng)能夠正常工作，適用于腦電、心電的采集。