基于ADS1298與WiFi的腦電信號采集與傳輸系統設計

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發送給MSP430進行分析處理，最后發送至GS1011進行打包，并由WiFi發送給遠方的控制臺。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

中圖分類號： TN911?33 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0150?04

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，廣泛應用于人的醫學病理診斷，尤其近年來在疲勞駕駛實時檢測[1]、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[2]，不便用于采集條件和環境經常變化的場合。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[3]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[4]中采用高精度的ADS1258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[5]中采用無線收發模塊CC2500，但其兼容性不強；文獻[6]中采用無線收發器ADF7020，但其為低IFISM頻段收發器，適用于無線遙感技術；文獻[7]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

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[8]為±700 mV。

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。

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休眠的狀態下獨立運行。

1.5 GS1011處理器模塊

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

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送。

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，適用于采集環境和條件經常變化的場合，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 吳紹斌，高利，王劉安.基于腦電信號的駕駛疲勞檢測研究[J]. 北京理工大學學報，2009，29（12）：1072?1075.

[2] 殷罡，吳平東，彭軍強，等.可佩戴式無線腦電監護儀[J].微計算機信息，2009，25（4）：276?278.

[3] 李健.基于ARM處理器的腦電圖機系統的設計與實現[D].長春：吉林大學，2006.

[4] 薛貴挺，王彥文.ADS1258在高精度數據采集系統中的應用[J].新特器件應用，2008，10（4）：15?18.

[5] 謝宏，葛棋棋，姚楠，等.腦電信號無線采集系統設計[J].現代電子技術，2010，33（18）：21?25.

[6] 劉國立，王一丁.基于C8051F340的EEG信號采集系統的設計[J].計算機應用，2008（9）：44?48.

[7] 郜東瑞.基于FPGA的新型腦電采集報警系統設計[J].中國醫療器械信息，2011（1）：21?23.

[8] 魏厚杰，官金安，方浩.ADS1298模擬前端的便攜式生理信號采集系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（2）：36?39.

[9] 宋宇寧.基于無線傳感器網絡的室內定位節點的設計及實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[10] YAZICIOGLU Refet Girat， MERKEN Patrick， PUERS Robert. A 200 μW eight?channel EEG acquisition ASIC for ambulatory EEG systems [J]. IEEE Journal of Solid?state Circuits， 2008， 43（12）： 3025?3038.

[11] CARMO J P， DIAS N S， SILVA H R， et al. A 2.4 GHz low?power/low?voltage wireless plug?and?plug module for EEG application [J]. IEEE Sensors Journal， 2007， 11（7）：1524?1530.

[12] ENGIN Mehmet， DALBAST Tayfun， GULDUREN Merih， et al. A prototype portable system for EEG measurement [J]. Sience Direct?Measurement， 2007， 40（9/10）： 936?942.