基于ADS1299腦電信號采集硬件設(shè)計(jì)

作者 / 馮釗 康泰醫(yī)學(xué)系統(tǒng)(秦皇島)股份有限公司研發(fā)中心(河北 秦皇島 066004 )

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種腦電信號采集硬件電路，此電路主要由TI公司推出的ADS1299前端模擬芯片和意法半導(dǎo)體推出的ARM單片機(jī)構(gòu)成，ADS1299是針對腦電采集的八通道低噪聲、24位ADC芯片，解決了分立式硬件設(shè)計(jì)中的很多技術(shù)難題。此電路具有高精度、體積小、功耗低等特點(diǎn)，是提高產(chǎn)品性能、降低系統(tǒng)功耗和成本的理想選擇。

0 引言

　　腦電圖實(shí)施的原理是生物電現(xiàn)象。腦電波(EEG)是大腦在活動時(shí)，腦皮質(zhì)細(xì)胞群之間形成電位差，從而在大腦皮質(zhì)的細(xì)胞外產(chǎn)生電流。腦電圖記錄大腦活動時(shí)的電波變化，是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。腦電信號含有豐富的大腦活動信息，是生理研究和臨床腦疾病診斷的重要手段。通常的腦電采集是由相對獨(dú)立的各通道單獨(dú)進(jìn)行模擬放大、濾波、ADC運(yùn)算，所以造成體積大、一致性差、功耗高等問題，且易引入大量干擾。顧及到以上問題，本文基于前端采集模擬芯片ADS1299，并利用STM32F103VCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了高性能、低噪聲和低功耗的腦電采集硬件電路的設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

　　腦電信號極其微弱，其主要頻段在0.5 Hz～100 Hz，信號幅值范圍為5μV～100μV，所以極易受到其他信號的干擾，由于人體的分布電容、肌肉活動以及電子元器件受外界電磁環(huán)境影響等原因，腦電信號通常都帶有多種干擾信號，如基線漂移、工頻干擾、肌電干擾等等。因此腦電信號前端采集的模擬電路設(shè)計(jì)對于整體腦電采集系統(tǒng)尤為重要。

　　電路的總體原理框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)使腦電信號經(jīng)過低通濾波預(yù)處理后，進(jìn)入ADS1299集成芯片，通過ADS1299集成芯片對信號進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再采取SPI協(xié)議傳給STM32F103VCT6單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過SDIO協(xié)議存儲到SD卡中，回放數(shù)據(jù)時(shí)通過讀卡芯片將SD卡中的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)上，在PC上可進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。

2 模塊化設(shè)計(jì)

　　2.1 前級保護(hù)和濾波電路

　　為了防止靜電引入，造成器件的損傷，前級輸入端使用響應(yīng)速度較快、導(dǎo)通電壓為200 V、通流量為1000 A的氣體放電管。為了消除高頻的干擾，在氣體放電管之后增加RC無源低通濾波電路，濾波電路的截至頻率為16 kHz，阻容選擇為10 KΩ和1 nF，前級的防護(hù)電路和濾波電路如圖2所示。

　　2.2 前端工頻濾波電路

　　本設(shè)計(jì)采用了具有正反饋的雙T帶阻濾波器，原理圖如圖3下。

　　傳遞函數(shù)為：

　　根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：設(shè)計(jì)的陷波頻率為f₀=50 Hz，通帶電壓增益設(shè)定在1.2以內(nèi)，30 Hz處衰減不大于3 dB，并要求阻斷的頻率范圍盡量小。使用帶正反饋的雙T結(jié)構(gòu)，R和C當(dāng)中的一個參數(shù)可以任意設(shè)定，滿足公司現(xiàn)有物料或方便采購?？紤]到元件在低頻下的抗噪聲性能，以及對該超低頻陷波器在精度和穩(wěn)定性能方面的考慮，電阻設(shè)計(jì)為高精度(<1%)，電容亦設(shè)計(jì)為高精度(<2%)，同樣，也應(yīng)該采用高穩(wěn)定性、低噪聲的放大器。

　　基于以上要求，選定電阻為68 kΩ，電容為47 nF，Rf為1.5 kΩ，R1為10 kΩ，放大器選用TLC2254，電路圖如圖4。

　　R和C主要用于確定陷波的中心頻率的值，Rf和R1用于控制陷波器的濾波特性，包括頻帶寬度和Q值的高低。放大器用與放大和電壓跟隨，與輸出端組成電壓反饋電路，免于出現(xiàn)自激震蕩。

　　陷波器的仿真波特圖如下，示波器顯示此時(shí)的陷波器電路能很好地抑制50 Hz的工頻信號，波特圖顯示陷波器中心頻率為50.099 Hz，與理論值49.798 Hz相差0.301 Hz，覺得誤差0.0060%，理論與仿真近似相等，由此說明本次設(shè)計(jì)的濾波器為窄帶濾波器，有很高的Q值，能準(zhǔn)確地對制定頻率進(jìn)行濾除。

　　本設(shè)計(jì)的50 Hz陷波器的主要功能電路是有增益為1的放大器和RC雙T網(wǎng)絡(luò)以及決定電路Q值的正放開網(wǎng)絡(luò)組成，電路具有很好的陷波深度和很高的Q值，滿足設(shè)計(jì)需求，為后級采集純凈的腦電波形有力保障。

　　2.3 模擬芯片ADS1299電路

　　基于人體腦電信號的特點(diǎn)，需前端模擬信號采集有高輸入阻抗和共模抑制能力、較高的采樣精度和低噪聲。因此采用TI公司推出了ADS1299芯片，該芯片具有可編程增益放大器、24位ADC、內(nèi)部基準(zhǔn)以及板載振蕩器，滿足腦電采集應(yīng)用所需的全部常用功能。其內(nèi)部原理框圖如圖6所示。主要特點(diǎn)為：8通道低噪聲PGA、24位高精度ADC。1.0 μVPP的極低輸入?yún)⒖荚肼?、功耗僅為5 mW/通道、CMRR為-110 dB等。

　　本設(shè)計(jì)使用一片ADS1299，采集8通道腦電信號，設(shè)計(jì)時(shí)將人體頭部電極(FP1、FP2、C3、C4、O1、O2、T3、T4)和耳電極(A1和A2)所采集的信號經(jīng)保護(hù)和濾波電路后分別與ADS1299的IN1P～I(xiàn)N8P和IN1N～I(xiàn)N8N相連接。ADS1299內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，本設(shè)計(jì)選取額電極的驅(qū)動，將額電極A與RLDOUT相連，額電極A經(jīng)保護(hù)和濾波電路后與RLDINV相連。ADS1299芯片與單片機(jī)采用SPI通訊方式。原理圖如圖7所示。

　　ADS1299最大的優(yōu)勢是超低噪聲，輸入的參考噪聲僅為1 μVPP(帶寬為70 Hz)，相比TI公司同類型產(chǎn)品ADS1298和分立器件搭建的電路有著較大的優(yōu)勢。ADS1298的噪聲只能做到3 μVPP，而分立器件搭建的電路的噪聲只能到5 μVPP。

　　2.4 數(shù)據(jù)的處理及存儲電路

　　本設(shè)計(jì)選用STM32F103VCT6單片機(jī)作為MCU，此單片機(jī)具有高性能和豐富的外設(shè)功能。MCU采用SPI接口與ADS1299進(jìn)行通訊，將得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行工頻濾波處理，消除因工頻產(chǎn)生的干擾。后將處理過的數(shù)據(jù)通過SDIO協(xié)議存儲到SD卡中，以便后期使用PC機(jī)進(jìn)行分析和處理。本設(shè)計(jì)使用兩片TS3V340PWR和一片GL823實(shí)現(xiàn)SD卡與單片機(jī)或USB的選擇通訊，原理圖如圖8所示。通過GL823芯片，將SD卡中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)USB協(xié)議上傳至PC機(jī)，這樣就可以在PC機(jī)上對腦電信號進(jìn)行分析及處理，輸出頻譜及地形圖，發(fā)現(xiàn)病情，判定病情，為腦疾病爭取時(shí)間，對癥下藥。

　　2.5 電源管理電路

　　本設(shè)計(jì)使用3.7 V鋰電池供電，整個電源電路可提供+3.3 V和5 V兩個電源，3.3 V供給單片機(jī)和SD卡電路，5V供給ADS1299采集芯片。先將電池電源分為兩路，其一從3.7 V升壓至5.5 V，后使用5V的LDO得到穩(wěn)定的5 V電壓，供ADS1299使用;另一路直接選用MCP1603T-330降壓至3.3 V，為單片機(jī)和SD卡供電。原理圖如圖9所示。

3 測試結(jié)果

　　室內(nèi)測試，常溫常壓環(huán)境下，被測試人自然放松，采用國際通用10-20導(dǎo)聯(lián)發(fā)進(jìn)行佩戴，采集得到各通道數(shù)據(jù)波形如圖10所示。

4 結(jié)束語

　　本文基于ADS1299芯片設(shè)計(jì)的腦電信號采集電路，能對腦電信號進(jìn)行高精度、低噪聲的采集和數(shù)字處理，不僅簡化了早期分立元器件大量的電路，而且提高其性能及可靠性，方便實(shí)用，適合8導(dǎo)及以上全部腦電信號采集需求，對腦電信號的研究與腦電相關(guān)醫(yī)療器械的研發(fā)具有較大的意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]TI,ADS1299Datasheet[OL].[2012-08].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1299.pdf.

　　[2]STM32F103VCT6Datasheet.https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103vc.pdf

　　[3]孫廣金.基于ADS1299的新型腦電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)【J】《科技信息》：2014年1期

　　[4]余學(xué)飛，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器與設(shè)計(jì)，華南理工大學(xué)出版社：第2版

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第52頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。