摘要：為了實現對人體腦電信號的實時采集，設計了一種基于ADS1298與WiFi的無線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對腦電信號進行24位高精度的模／數轉換，并通過SPI發(fā)送給MSP430進行分析處理，最后發(fā)送至GS1011進行打包，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，又運用成熟的WiFi無線傳輸技術，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。
關鍵詞：腦電信號；信號采集；無線傳輸；WiFi
0 引言
腦電信號(EEG)是由腦神經活動產生的一種電活動，含有豐富的大腦活動信息，廣泛應用于人的醫(yī)學病理診斷，尤其近年來在疲勞駕駛實時檢測、腦機接口(BCI)等領域的研究引起了越來越多的國內外學者的關注。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方式，不便用于采集條件和環(huán)境經常變化的場合。因此，便攜式無線腦電采集與傳輸系統成為一種研究熱點。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，因此要求便攜式無線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行模／數轉換。在無線數據傳輸方面，文獻中采用無線收發(fā)模塊CC2500，但其兼容性不強；文獻中采用無線收發(fā)器ADF 7020，但其為低IFISM頻段收發(fā)器，適用于無線遙感技術；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直接對腦電信號進行放大及模／數轉換的同時，又采用Gain Span公司的超低功耗無線芯片GS1011對腦電信號進行遠距離WiFi無線傳輸，不僅減小了系統的體積，還能最大限度的降低功耗。
1 系統技術指標及硬件設計
1．1 系統技術指標
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
從本質上講，本文設計的腦電信號無線采集與傳輸系統是一個網絡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行打包處理，并選擇相應的網絡傳輸協議，將數據包發(fā)送給附近的AP，再由AP發(fā)送給控制臺進行分析處理。
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160 Hz，可通過電壓幅值范圍為±700 mV。
ADS1298芯片是TI公司設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)串行外設接口(SPI)-兼容串口；
(6)內置右腿驅動放大器，檢測，WCT，PACE檢測，測試信號。
ADS1298的主要功能是通過控制其內部寄存器來實現的，如信號輸入模式、采樣速率、放大倍數等。在本系統中，ADS1298通過SPI與外部處理器進行通信，實現數據的同步收發(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，所以在信號進入ADS1298之前不需要再經過放大處理，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。在本系統中，MSP430F5529利用SPI對ADS1298及GS1011進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。
1．5 GS1011處理器模塊
系統選用超低功耗片上系統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和一個應用處理器，全部在單一封裝內。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)負責網絡數據的WI-FI收發(fā)，另外一個為應用處理器(Application CPU)，負責面向用戶的應用程序設計。GS1011的芯片結構如圖4所示。
GS1011芯片內部集成有2．45 GHz射頻發(fā)射器，通信范圍室內為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種不同的模式即內部功率放大器和外部功率放大器，考慮到能耗和總體設計的復雜性等方面，本設計運用內部功率放大器來驅動射頻對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。
2 系統軟件設計
該系統軟件設計包括GS1011內部ARM7處理器的應用程序和MSP430的控制程序。
2．1 GS1011模塊控制應用程序設計
GS1011模塊提供了通過SPI口傳輸控制命令和數據的接口協議，其內部應用程序是基于Green Hills公司開發(fā)的μVelOSity多任務實時操作系統并結合Gain Span公司提供的GS1011芯片功能接口軟件庫實現的，其內部應用程序流程圖如圖5所示。
GS1011啟動后，首先判斷是否與指定的AP關聯，若未關聯，則重新對周圍的AP進行掃描、連接、認證。若已與指定的AP關聯，則開始讀取來自MSP430的腦電信號，并對其進行打包處理，然后通過UDP協議發(fā)送給AP。
2．2 MSP430的控制程序設計
MSP430F5529的控制程序設計包括2部分：
(1)對ADS1298進行控制，完成對腦電信號的模／數轉換；
(2)對GS1011進行控制，完成對腦電信號的無線發(fā)送。
MSP430F5529程序流程圖如圖6所示。
MSP430F5529啟動后，首先對時鐘進行配置，使其滿足SPI通信的要求，該系統中將SPI通信時鐘設置為2 MHz；然后對SPI模塊的接口進行配置，其中，GS1011與USCI A中的SPI接口配對，MSP430F5529與USCI_B中的SPI接口配對；對ADS1298的初始化是通過設置其寄存器來實現的，在本系統中，VREFP設定為2．4 V，PGA設定為2，采樣轉換速率為8 KSPS，8通道差分輸入信號；喚醒GS1011，使其與指定的AP關聯，然后等待接收數據；啟動ADS1298并打開中斷，當數據轉換完成之后，產生一個中斷給MSP430F5529，MSP430F5529便通過SPI讀取ADS1298寄存器中的數據，再通過SPI將數據發(fā)送給GS1011，然后等待下一個中斷的到來。
3 結語
本文設計并實現了一種體積小、接入方便、超低功耗的腦電信號采集與無線傳輸系統，選用MSP430系列單片機MSP430F5529作為主控制器，利用其自身的2個SPI模塊分別對ADS1298，GS1011進行控制，實現腦電信號的高精度采集及遠距離的WiFi無線傳輸。本系統具有可復用、便攜、低功耗、高集成度的特點，適用于采集環(huán)境和條件經常變化的場合，具有較高的應用價值。
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