詳解便攜式腦電無線信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

腦電信號(hào)EEG（Electroencephalogram） 是一種微弱的低頻生理信號(hào)。它由腦部神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的自發(fā)性電位活動(dòng)， 含有非常豐富的大腦活動(dòng)信息， 通過對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行記錄，可為腦疾病的診斷提供數(shù)據(jù)分析和依據(jù)。癲癇是由大腦異常放電引起的，是一種慢性疾病和綜合病癥，以腦部神經(jīng)元過度放電所致的突然出現(xiàn)和短暫的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征［1］。目前通過腦電圖檢查發(fā)現(xiàn)的癇樣放電，仍是癲癇病診斷和癲癇灶定位的主要客觀依據(jù)。

由于受條件的限制， 人體癲癇腦電數(shù)據(jù)的樣本收集比較困難， 而且數(shù)據(jù)易受外界環(huán)境和患者運(yùn)動(dòng)的干擾。目前一些便攜式腦電采集儀的思路大多是采集的腦電信號(hào)經(jīng)過前置放大， 通過無線模塊傳輸傳遞給PC 機(jī)， 在PC 機(jī)中進(jìn)行處理與存儲(chǔ)等工作， 而PC 機(jī)端多采用臺(tái)式機(jī)在Windows 系統(tǒng)下運(yùn)行。這種系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)能力好、性能穩(wěn)定、可長時(shí)間記錄。但是整個(gè)系統(tǒng)一般都需要外接電源， 體積比較龐大， 一般是放置在專業(yè)機(jī)構(gòu)和醫(yī)院中使用， 沒有真正實(shí)現(xiàn)便攜使用， 相對(duì)一些醫(yī)療資源不足的貧困山區(qū)， 這種難以便攜移動(dòng)的醫(yī)療設(shè)備導(dǎo)致這些地區(qū)的基本醫(yī)療需求無法得到滿足。

因此， 怎樣使腦電采集儀在使用時(shí)更加靈活和方便， 開始得到了廣泛關(guān)注。設(shè)計(jì)一款體積小、功耗低、能夠真正便攜使用的腦電信號(hào)采集儀具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文提出基于STC12C5A60S2 單片機(jī)、無線芯片nRF24L01 、真彩液晶顯示器TFT6448BS-5.7 的腦電信號(hào)無線采集系統(tǒng)。其中發(fā)送端的STC12C5A60S2 單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理， nRF24L01 模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸， 接收端STC12C5A60S2 單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示器TFT6448BS - 5.7 進(jìn)行波形顯示。具體系統(tǒng)組成如圖1 所示。根據(jù)便攜式腦電采集系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)要求盡量地減少其體積和重量，實(shí)現(xiàn)真正的便攜。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

由于人體腦電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05~100Hz，幅度約為10~200μV，信號(hào)十分微弱。同時(shí)腦電信號(hào)中

通常混雜有其他生物電信號(hào)，再加上50Hz的工頻干擾，使得腦電信號(hào)的測(cè)量條件非常復(fù)雜。傳統(tǒng)采集前端通常通過模擬抗混濾波器、多級(jí)放大電路和波電路等來提高信號(hào)的信噪比，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大、操作不便和功耗高等缺點(diǎn)。為了精確地監(jiān)測(cè)出有臨床意義的腦電信號(hào)，本文采用參考文獻(xiàn)中的方法，其前端采集模塊選用TI公司的ADC1299芯片。

本系統(tǒng)的單片機(jī)控制模塊包括發(fā)送端的單片機(jī)和接收端單片機(jī)。發(fā)送端單片機(jī)須具有片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換器，接收端的單片機(jī)須外接LCD。因此均選用功能強(qiáng)大的STC12C5A60S2單片機(jī)。該單片機(jī)是宏晶科技新一代的8051單片機(jī)，采用宏晶最新第六代加密技術(shù)的STC12C5A60S2系列單片機(jī)無法解密，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)部集成有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)中用到了A/D轉(zhuǎn)換功能，使系統(tǒng)不需外加A/D轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)，該單片機(jī)速度快，精度高。

STC12C5A60S2的ADC是逐次比較型ADC，通電后，腦電信號(hào)通過8導(dǎo)電極采集后經(jīng)過電子開關(guān)控制進(jìn)入發(fā)送端的單片機(jī)，保證一個(gè)時(shí)刻只有一導(dǎo)信號(hào)進(jìn)入。ADC輸入通道與P1口復(fù)用，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，不作為ADC使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。單片機(jī)通過ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)控制無線模塊將腦電的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給接收端的無線模塊，進(jìn)入到接收端的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)采用2.4GHz無線單片收發(fā)芯片nRF24L01，采用FSK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1對(duì)6的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2Mb/s。它體積小，功耗低，外設(shè)少，速率高，非常適合于無線傳輸應(yīng)用系統(tǒng)。nRF24L01可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。STC12C5A60S2單片機(jī)集成了SPI控制器，可以非常方便地通過軟件設(shè)置，只收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，編程很方便。nRF24L01與單片機(jī)的連接圖如圖2所示。

圖2 STC12C5A60S2 與nRF24L01 的連接圖

顯示部分選用視域?qū)蔷€為5.7英寸、分辨率為640&TImes;480的真彩液晶顯示器TFT6448BS-5.7，此顯示屏工作電壓為3.3/5V，支持256色。由于是專門針對(duì)單片機(jī)用戶設(shè)計(jì)的，提供一個(gè)簡單的高速8位總線與單片機(jī)連接。此顯示屏低功耗，設(shè)計(jì)輕薄亦能滿足便攜式要求。該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序、液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)程序。發(fā)送端通過單片機(jī)進(jìn)行A/D變換和無線傳輸，接收端由單片機(jī)通過nRF24L01接收數(shù)據(jù)，送至液晶顯示器進(jìn)行顯示。

接收端單片機(jī)接收到腦電數(shù)據(jù)之后傳送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，顯示屏中每個(gè)點(diǎn)影射顯示存儲(chǔ)器中的一個(gè)字節(jié)，顯示屏上的X、Y坐標(biāo)與顯示存儲(chǔ)器的地址一一對(duì)應(yīng)。因此，只需輸入X、Y坐標(biāo)便可直接讀寫相應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，不用計(jì)算像素點(diǎn)在顯示存儲(chǔ)器中的地址。寫入數(shù)據(jù)后X坐標(biāo)自動(dòng)加1，寫滿一行后自動(dòng)換行，也可實(shí)現(xiàn)Y坐標(biāo)自動(dòng)加1。單片機(jī)與液晶顯示屏的連接如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與TFT 液晶顯示屏連接圖

本系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)與nRF24L01無線收發(fā)芯片構(gòu)成的發(fā)送端和接收端組成。發(fā)送端通過單片機(jī)進(jìn)行A/D變換和無線傳輸，接收端通過nRF24L01接收數(shù)據(jù)，再送至STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行顯示與分析。無線模塊nRF24L01所有配置工作都是通過SPI完成，共有30B的配置字。一般采用Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式，這種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高。Enhanced Shock BurstTM的配置字使nRF24L01能夠處理射頻協(xié)議，配置完成后，在nRF24L01工作的過程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容就可以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的體積小、輕便、功耗低的腦電信號(hào)采集與無線傳輸系統(tǒng)。選用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控制器， 利用其自身的2個(gè)SPI 模塊分別對(duì)nRF24L01 、TFT6448BS -5.7 進(jìn)行控制， 實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的WiFi 無線傳輸和波形顯示。本系統(tǒng)不需要采用PC 機(jī)， 控制和顯示都用單片機(jī)來完成， 由于容易攜帶、高集成度的特點(diǎn)， 能為醫(yī)療資源不足的貧困山區(qū)的腦電疾病的診斷提供一套可行方案。