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

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，設(shè)計(jì)了一種基于ADS1298與WiFi的無線腦電信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由ADS1298信號(hào)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(duì)腦電信號(hào)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(tái)。在提高腦電信號(hào)采集精度的同時(shí)，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)。
關(guān)鍵詞：腦電信號(hào)；信號(hào)采集；無線傳輸；WiFi

0 引言
    腦電信號(hào)(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(yīng)用于人的醫(yī)學(xué)病理診斷，尤其近年來在疲勞駕駛實(shí)時(shí)檢測(cè)、腦機(jī)接口(BCI)等領(lǐng)域的研究引起了越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前商用的腦電信號(hào)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(chǎng)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(hào)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(hào)采集與傳輸系統(tǒng)既要有很高的信號(hào)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(hào)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(hào)增益并抑制外界干擾，如文獻(xiàn)中采用三級(jí)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(duì)腦電信號(hào)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(duì)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(duì)腦電信號(hào)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(jì)的腦電信號(hào)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(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大及模／數(shù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，又采用Gain Span公司的超低功耗無線芯片GS1011對(duì)腦電信號(hào)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(jì)
1．1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
    腦電信號(hào)是一種非常微弱的生理信號(hào)，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(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗，還能抑制工頻信號(hào)。
    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(jì)的腦電信號(hào)無線采集與傳輸系統(tǒng)是一個(gè)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(hào)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(gè)信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行與操作，并且存儲(chǔ)和處理接收到的數(shù)據(jù)；信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的濾波及模／數(shù)轉(zhuǎn)換；GS1011處理發(fā)送模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字化的腦電信號(hào)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(tái)進(jìn)行分析處理。
1．3 信號(hào)采集模塊
    信號(hào)采集模塊由信號(hào)調(diào)理電路和ADS1298組成。圖2為信號(hào)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(jì)的專門用于生物電位測(cè)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(shì)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(dòng)電路以及電極檢測(cè)等，這些功能極大地方便了腦電信號(hào)和心電信號(hào)等生理信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(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(shè)接口(SPI)-兼容串口；
    (6)內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器，檢測(cè)，WCT，PACE檢測(cè)，測(cè)試信號(hào)。
    ADS1298的主要功能是通過控制其內(nèi)部寄存器來實(shí)現(xiàn)的，如信號(hào)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(shí)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?yàn)樗姆直媛蕿?4 b，所以最低可分辨的電壓分別為0．286μF、0．477μF。而腦電信號(hào)的幅度一般為0．001～0．1 mV，所以在信號(hào)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(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路，極大地縮小了整體信號(hào)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(gè)模塊運(yùn)行完全是獨(dú)立的，包括定時(shí)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(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(tǒng)中，MSP430F5529利用SPI對(duì)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。

1．5 GS1011處理器模塊
    系統(tǒng)選用超低功耗片上系統(tǒng)GS1011作為腦電信號(hào)的處理與發(fā)送模塊。GS1011是美國(guó)GainSpan公司生產(chǎn)的一款高集成度，超低功耗無線SoC芯片，它包括一個(gè)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(gè)應(yīng)用處理器，全部在單一封裝內(nèi)。GS1011芯片中包括2個(gè)32 b的ARM7處理器，其中一個(gè)為WLAN處理器(WLAN CPU)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的WI-FI收發(fā)，另外一個(gè)為應(yīng)用處理器(Application CPU)，負(fù)責(zé)面向用戶的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。GS1011的芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。
    GS1011芯片內(nèi)部集成有2．45 GHz射頻發(fā)射器，通信范圍室內(nèi)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(nèi)部功率放大器和外部功率放大器，考慮到能耗和總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等方面，本設(shè)計(jì)運(yùn)用內(nèi)部功率放大器來驅(qū)動(dòng)射頻對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行發(fā)送，這樣可以有效地減少無線通信對(duì)外部器件的需求量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括GS1011內(nèi)部ARM7處理器的應(yīng)用程序和MSP430的控制程序。
2．1 GS1011模塊控制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    GS1011模塊提供了通過SPI口傳輸控制命令和數(shù)據(jù)的接口協(xié)議，其內(nèi)部應(yīng)用程序是基于Green Hills公司開發(fā)的μVelOSity多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并結(jié)合Gain Span公司提供的GS1011芯片功能接口軟件庫實(shí)現(xiàn)的，其內(nèi)部應(yīng)用程序流程圖如圖5所示。

    GS1011啟動(dòng)后，首先判斷是否與指定的AP關(guān)聯(lián)，若未關(guān)聯(lián)，則重新對(duì)周圍的AP進(jìn)行掃描、連接、認(rèn)證。若已與指定的AP關(guān)聯(lián)，則開始讀取來自MSP430的腦電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行打包處理，然后通過UDP協(xié)議發(fā)送給AP。
2．2 MSP430的控制程序設(shè)計(jì)
    MSP430F5529的控制程序設(shè)計(jì)包括2部分：
    (1)對(duì)ADS1298進(jìn)行控制，完成對(duì)腦電信號(hào)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換；
    (2)對(duì)GS1011進(jìn)行控制，完成對(duì)腦電信號(hào)的無線發(fā)送。
    MSP430F5529程序流程圖如圖6所示。

    MSP430F5529啟動(dòng)后，首先對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行配置，使其滿足SPI通信的要求，該系統(tǒng)中將SPI通信時(shí)鐘設(shè)置為2 MHz；然后對(duì)SPI模塊的接口進(jìn)行配置，其中，GS1011與USCI A中的SPI接口配對(duì)，MSP430F5529與USCI_B中的SPI接口配對(duì)；對(duì)ADS1298的初始化是通過設(shè)置其寄存器來實(shí)現(xiàn)的，在本系統(tǒng)中，VREFP設(shè)定為2．4 V，PGA設(shè)定為2，采樣轉(zhuǎn)換速率為8 KSPS，8通道差分輸入信號(hào)；喚醒GS1011，使其與指定的AP關(guān)聯(lián)，然后等待接收數(shù)據(jù)；啟動(dòng)ADS1298并打開中斷，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，產(chǎn)生一個(gè)中斷給MSP430F5529，MSP430F5529便通過SPI讀取ADS1298寄存器中的數(shù)據(jù)，再通過SPI將數(shù)據(jù)發(fā)送給GS1011，然后等待下一個(gè)中斷的到來。

3 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種體積小、接入方便、超低功耗的腦電信號(hào)采集與無線傳輸系統(tǒng)，選用MSP430系列單片機(jī)MSP430F5529作為主控制器，利用其自身的2個(gè)SPI模塊分別對(duì)ADS1298，GS1011進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的高精度采集及遠(yuǎn)距離的WiFi無線傳輸。本系統(tǒng)具有可復(fù)用、便攜、低功耗、高集成度的特點(diǎn)，適用于采集環(huán)境和條件經(jīng)常變化的場(chǎng)合，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。