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為了實現(xiàn)對人體腦電信號的實時采集，設(shè)計了一種基于ADS1298與WiFi的無線腦電信號采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(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。 0引言 腦電信號(EEG)是由腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的一種電活動，含有豐富的大腦活動信息，廣泛應(yīng)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(lǐng)域的研究引起了越來越多的國內(nèi)外學者的關(guān)注。目前商用的腦電信號采集設(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。由于腦電信號非常微弱，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采集與傳輸系統(tǒng)既要有很高的信號分辨靈敏度，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。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行預處理，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，以降低對預處理電路的要求，如文獻中采用高精度的ADS12 58轉(zhuǎn)換器對腦電信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在無線數(shù)據(jù)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(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(shè)計的腦電信號采集與傳輸系統(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直接對腦電信號進行放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的體積，還能最大限度的降低功耗。 1系統(tǒng)技術(shù)指標及硬件設(shè)計 1.1系統(tǒng)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(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗，還能抑制工頻信號。 本系統(tǒng)的技術(shù)指標如下所示： (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)計的腦電信號無線采集與傳輸系統(tǒng)是一個網(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主控制模塊負責整個信號采集與傳輸系統(tǒng)的運行與操作，并且存儲和處理接收到的數(shù)據(jù);信號采集模塊負責實現(xiàn)腦電信號的濾波及模/數(shù)轉(zhuǎn)換;GS1011處理發(fā)送模塊負責對數(shù)字化的腦電信號進行打包處理，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)送給控制臺進行分析處理。 1.3信號采集模塊 信號采集模塊由信號調(diào)理電路和ADS1298組成。圖2為信號調(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(shù)轉(zhuǎn)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(qū)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(tǒng)的設(shè)計，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(shè)接口(SPI)-兼容串口;(6)內(nèi)置右腿驅(qū)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(nèi)部寄存器來實現(xiàn)的，如信號輸入模式、采樣速率、放大倍數(shù)等。在本系統(tǒng)中，ADS1298通過SPI與外部處理器進行通信，實現(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(jīng)過放大處理，其自帶的放大模塊就能滿足要求，這樣就大大簡化了信號調(diào)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(tǒng)選用MSP430F5529系列單片機作為主控制器。MSP430F5529具有比較豐富的片內(nèi)外設(shè)，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(tǒng)中，MSP430F5529利用SPI對ADS1298及GS1011進行控制以及數(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作為腦電信號的處理與發(fā)送模塊。GS1011是美國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(yīng)用處理器，全部在單一封裝內(nèi)。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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的WI-FI收發(fā)，另外一個為應(yīng)用處理器(Application CPU)，負責面向用戶的應(yīng)用程序設(shè)計。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)計的復雜性等方面，本設(shè)計運用內(nèi)部功率放大器來驅(qū)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(tǒng)軟件設(shè)計 該系統(tǒng)軟件設(shè)計包括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 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)實時操作系統(tǒng)并結(jié)合Gain Span公司提供的GS1011芯片功能接口軟件庫實現(xiàn)的，其內(nèi)部應(yīng)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(guān)聯(lián)，若未關(guān)聯(lián)，則重新對周圍的AP進行掃描、連接、認證。若已與指定的AP關(guān)聯(lián)，則開始讀取來自MSP430的腦電信號，并對其進行打包處理，然后通過UDP協(xié)議發(fā)送給AP. 2.2 MSP430的控制程序設(shè)計MSP430F5529的控制程序設(shè)計包括2部分：(1)對ADS1298進行控制，完成對腦電信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)中將SPI通信時鐘設(shè)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(shè)置其寄存器來實現(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;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ADS1298并打開中斷，當數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，產(chǎn)生一個中斷給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，然后等待下一個中斷的到來。 3結(jié)語 本文設(shè)計并實現(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)腦電信號的高精度采集及遠距離的WiFi無線傳輸。本系統(tǒng)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(jīng)常變化的場合，具有較高的應(yīng)用價值。 |
