基于51單片機的便攜式腦電系統的設計

魏琳

（河南工業和信息化職業學院，河南焦作，454150）

1　前端采集電路的設計方案

1.1　腦電采集系統的整體設計方案

本系統的預處理模塊主要包括濾波電路、放大電路和共模抑制電路三個模塊。其中的放大模塊是整個腦電放大器中最重要也是最核心的地方，其性能上的優劣很大程度上決定了設備整體的信噪比。在模擬放大部分，為了減少腦電信號有效頻帶內噪聲的干擾，提升通道減少帶來信號信噪比的下降，本文選擇差分放大的模式對腦電信號進行初級放大。信號首先通過低通濾波器，將一些低頻無用信號和直流分量濾除后再進入初級放大，信號通過放大器時，為了抵消掉我們身體因各種原因耦合進入放大器的共模噪聲，設計了共模抑制電路，該電路本質上是一個負反饋調節，通過把人體耦合進入系統的共模信號接入系統，起到消除共模的作用，盡最大可能的滿足設計指標中信噪比要求。在進入模數轉換之前，信號還需要通過工頻陷波電路和低通濾波電路濾除無用工頻噪聲信號和某些高頻噪聲信號?？刂颇K主要包括AD采集、串口和Wifi傳輸等模塊。為了降低模擬電路受控制電路干擾的可能性，減小電路板的體積，在設計之初我們就盡可能的簡化各模塊。

1.2　模擬采集電路設計

本文使用了AD620作為我們前端放大器，并利用該儀表放大器自帶的參考引腳構建了反向積分電路，從而對低頻信號進行濾除。作為一款經典的儀表放大器，它精度高、功耗小、噪聲小、建立時間小，適合作為前置放大器，并且適合多路使用。AD620成本低，可以做到每個通道都用一個儀表放大器。它的封裝較小，實現同樣的功能體積要比分立電路設計小，而且它功耗更低，比分立電路對稱性更好，因而非常適合應用在對功耗和性能要求都較高的便攜式腦電采集設備中。

1.3　濾波電路的設計

這里的濾波電路主要包括了三種，一種是右腿驅動電路，用來放大器耦合進入的共模抑制噪聲，一種是50Hz工頻陷波電路，一種是低筒濾波電路。右腿驅動電路這項技術首先應用在心電信號采集中，共模信號通過右腿驅動人體，因此叫做右腿驅動。同樣原理的技術在腦電采集和肌電采集中也有抑制干擾提高共模抑制比的效果，共模信號反饋位置不一定是右腿，但是這個電路的名字一直被叫做右腿驅動沿用下來。本文的右腿驅動電路在心電信號采集電路中為了減少共模干擾通常還加入右腿驅動電路。其原理是將差分信號的共模量放大并移相180°，通過一個保護電阻反饋至人體用于抵消人體耦合的共模噪聲。

50Hz陷波電路：本文采用了集成芯片UAF42來設計工頻陷波器。該芯片作為TI公司生產的一款狀態變量型集成濾波器芯片，其特殊的拓撲結構讓其幾乎不受外部電阻精度的影響。與傳統的陷波器相比，其設計方式簡單，只需要在外圍電路中添加高精度的電容即可。本次設計借助官方提供的輔助軟件進行了電阻值的計算，設置的參數：帶寬為10HZ，中心頻率為50HZ的巴特沃斯型濾波器，然后根據計算結果設計的最終電路圖。

低通濾波電路：信號經過四階陷波電路后濾除了大部分共模干擾，但是信號中仍含有高頻干擾，通常還需要設計低通濾波電路來濾除高頻干擾，此外低通濾波器還有類似于抗混疊濾波器的作用，能讓模數轉換器轉換的數據不失真。對于腦電信號，其頻帶為0～100Hz，因此本文將低通濾波器的通帶截至頻率設置100Hz。常用的二階有源低通濾波器有無限增益多路反饋型、壓控電壓源型和狀態變量型濾波器。無限增益多路反饋型濾波器是反相輸入低通濾波器，其會導致信號的相位發生變化；狀態變量型IC用于設計濾波器非常方便但成本太高。本文采用壓控電壓源型濾波器結構來設計有源低通濾波器。

2　數字處理電路設計方案

系統需要多個設備一起使用，而且有時候可能會要求使用較高的采樣率采集腦電數據，所以數據速率可能會很大，通過比較，藍牙和Zigbee通信都不適合本系統使用，而WIFI通信連接更方便而且通信數據速率更高，非常適合本系統。首先，系統使用WIFI建立無線局域網，將所有設備加入無線局域網當中，多個設備可以通過TCP/IP協議進行通信。同時系統使用USB接口作為輔助通信手段。使系統在網絡環境很差的地方也可以正常使用。WIFI通信和USB通信可以在一次實驗中同時存在。

2.1　程序流程設計

系統的主控制器STM32F205RGT6為STM32家族的互聯型微控制器，它的1Mbytes的非易失性程序存儲器(Flash)為1Mbytes，靜態隨機存取存儲器(SRAM)為128Kbytes，不用外部擴展存儲器也可以滿足系統的功能要求，同時STM32F205RGT6也增強了網絡功能。系統主要通過USB和WIFI兩種通信方式來傳輸。

2.2　WIFI通信程序設計

下位機部分使用的EWM3162模塊提供了基于TCP/IP協議棧、WIFI射頻驅動的嵌入式WIFI網絡運行庫mxchip WNet Library。該軟件庫采用標準BSD socketAPI函數。TCP和UDP是運輸層的兩種協議，TCP協議在傳輸數據的時候需要等待對方的應答之后才能傳送下一幀數據，否則會被阻塞在當前進程當中，然而UDP協議不需要知道對方是否接收到了，不管是否發送成功，就可以進行下一幀的發送。為了確保能收到完全沒有出現錯誤的數據，系統采用TCP數據傳輸協議。需要由PC主機端的采集分析軟件發起連接下位機的請求，然后腦電采集設備響應這個請求，因此下位機部分作為TCP協議的服務器端。嘗試連接到無線路由器時，將下位機WIFI模塊配置成Station模式，啟用DHCP，成功連接到無線路由器，無線路由器會自動給設備分配一個IP。

2.3　USB通信程序設計

本系統除了使用無線 WIFI 進行數據通信之外，還使用 USB作為輔助通信手段，以此適應一些不適合使用無線 WIFI 的場合。本腦電采集設備的 USB 通信采用的硬件解決方案是 STM32的片上 USB2.0 控制器。此方案需要配合 STM32 官方的 USB 外圍設備庫使用。USB2.0 有同步、中斷、批量和控制傳輸等方式。本系統需要的數據傳輸速度要求不高， 但是需要較低的傳輸延遲和可靠的傳輸，所以我們采用中斷傳輸的方式，將 STM32 作為USB 自定義人體輸入學設備(Human Interface Device, HID)設備，這樣可以免去自己開發專用 USB 驅動程序的麻煩。

3　結論

本文提出的無線群體腦電采集系統是由多個腦電采集設備組成的無線便攜設備，同時提供 USB 通信接口，可以實現同時采集多人腦電的功能。