魏厚杰，官金安，方浩

（1.中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074；2.武漢東湖學(xué)院）

魏厚杰（碩士研究生），研究方向為信號檢測與處理。

引 言

生理電信號在醫(yī)療診斷和科學(xué)研究方面有著重要的意義。目前，生理電信號采集裝置通常針對某種特定的信號設(shè)計，如腦電圖機、心電圖機等。通常精度高的儀器，由于各個通道均需要獨立的模擬放大、濾波等模塊，故其體積往往較大［1］，限制了儀器的應(yīng)用環(huán)境。而腦電的幅頻特性“0.001～0.1mV、0.5～40Hz”與心電的幅頻特性“1～5mV、0.05～100Hz”具有相似性。本文運用24位ADC技術(shù)，直接采集生理電信號，進行數(shù)字濾波和放大，設(shè)計一種能通過簡單配置，能分別采集腦電和心電的生理信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可復(fù)用、便攜、功耗低等特點，為生理信號的采集提供一種新方案。

1 總體設(shè)計

考慮到整個系統(tǒng)的精度、體積、成本以及電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出以下設(shè)計方案。為減小系統(tǒng)體積，提升精度，系統(tǒng)利用24位A／D轉(zhuǎn)換芯片和低數(shù)值基準(zhǔn)電壓源，得到高分辨率的數(shù)字信號（μV／bit級），傳送至單片機。單片機根據(jù)具體的應(yīng)用（腦電或心電）配置A／D芯片，并進行數(shù)據(jù)的采集、存儲。由于數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)上／下位機之間采用USB協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。為防止人體觸電、減少信號干擾，USB數(shù)據(jù)鏈路采用ADuM4160芯片進行隔離。上位機采用Lab－VIEW軟件實現(xiàn)USB驅(qū)動、數(shù)據(jù)處理和界面的設(shè)計。圖1為系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 預(yù)處理電路

圖2為預(yù)處理部分電路。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30kHz，可通過電壓幅值范圍為±700mV。

圖2 預(yù)處理部分電路

2.2 基準(zhǔn)電平

雖然ADS1298中集成了精度為0.2%的2.4V和4.0V的基準(zhǔn)電平，但為了減小前端放大器的放大倍數(shù)，本設(shè)計中的ADC部分采用REF3112提供的1.25V（0.2%）作為基準(zhǔn)電平。該電平通過OPA211組成的電壓跟隨器進一步穩(wěn)定，輸入至ADS1298的VREF。

2.3 模擬前端ADS1298

本系統(tǒng)的模擬前端采用TI公司的ADS1298芯片。其內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

圖3 ADS1298內(nèi)部原理框圖

ADS1298主要特性為：

①8通道24位ADC轉(zhuǎn)換芯片，其采樣頻率可工作在250sps～32ksps。

② 各通道含可編程放大器，其放大倍數(shù)在1～12倍可調(diào)；CMRR＞100dB時，輸入阻抗約為10MΩ。

③ 內(nèi)置右腿驅(qū)動放大器和威爾遜中心電端［2］。

根據(jù)心電模式或腦電模式的具體應(yīng)用，通過單片機配置多路選擇器（MUX）內(nèi)部各個輸入端（INPUTS、RLD）的通斷，可編程放大器（A1～A8）的放大倍數(shù)和AD轉(zhuǎn)換器（ADC1～ADC8）的采樣頻率。當(dāng)芯片完成一次轉(zhuǎn)換，Data Ready引腳變?yōu)榈碗娖?，通知MCU通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)。

2.4 MCU控制部分

選用STM32F103芯片作為系統(tǒng)的MCU。該芯片具有高性能（72MHz工作頻率、具有單周期乘法指令和硬件除法指令），低功耗（0.19mW／MHz）和豐富外設(shè)（SPI及USB等）等特點［3］。對于模擬前端ADS1298，MCU作為主機，采用SPI協(xié)議進行通信。系統(tǒng)上電時，設(shè)置ADS1298的相應(yīng)寄存器；在檢測到ADS1298的Data Ready信號后，讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于上位機，MCU作為從機，采用USB協(xié)議和上位機進行通信。MCU在連接上位機時，完成USB枚舉等初始化動作；當(dāng)接收到ADS1298的數(shù)據(jù)后，打包成USB數(shù)據(jù)包，傳送給上位機。

2.5 USB隔離

為保護人體安全，本設(shè)計中采用ADuM4160芯片進行上下位機隔離，下位機采用電池供電。ADuM4160芯片是ADI公司推出的專用USB隔離芯片，具有透明、易于配置、兼容USB2.0協(xié)議、可隔離5 000V電壓等優(yōu)點。圖4為USB隔離部分框圖。芯片左側(cè)VBUS1、DD＋、DD－和GND1分別連接上位機的5V、USB正端、USB負(fù)端和地線；芯片右側(cè)VBUS2、DD＋、DD－和PIN分別連接MCU的電源、USB正端（PA12口）、USB負(fù)端（PA11口）、I／O 口（PA10口），其中PIN為使能端。

圖4 USB隔離部分框圖

2.6 電源部分

本系統(tǒng)需要3路電源供電：數(shù)字部分供電電壓3.3V、模擬正端供電電壓3V、模擬負(fù)端供電電壓－3V。其中，3.3V 由 AMS1117－3.3芯片從電池電壓轉(zhuǎn)換得到，3V由TPS73230芯片從電池芯片轉(zhuǎn)換得到，－3V由TPS60403芯片從3V電壓轉(zhuǎn)換得到。

3 上位機程序設(shè)計

3.1 USB驅(qū)動部分

采用LabVIEW 的 NI－VISA子程序控件來實現(xiàn)USB驅(qū)動。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口（API）。運用該API，可使用NI－VISA方便地實現(xiàn)USB的讀寫功能。

基于NI－VISA的USB驅(qū)動配置過程如下［4］：

① 使用驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)В―river Development Wizard，DDW）創(chuàng)建INF文檔。安裝 NI－VISA軟件（3.0或后續(xù)版本），打開DDW，選擇USB，在相應(yīng)欄里面填入USB設(shè)備的VID、PID、制造商名稱和型號名稱，最后點擊“完成”按鈕即可生成＊.INF驅(qū)動文件。

② 安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備。將＊.INF文件復(fù)制到系統(tǒng)盤的Windows文件夾下，在右鍵菜單中點擊安裝即可。當(dāng)PC機檢測到本系統(tǒng)的下位機接入后，會根據(jù)INF配置文件加載NI－VISA作為底層驅(qū)動。

3.2 軟件編程部分

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，使用“VISA打開”模塊打開USB設(shè)備，在“VISA啟用事件”模塊中使能USB中斷，在“VISA等待事件”模塊中設(shè)置超時時間。設(shè)置完成后，可在“VISA獲取USB中斷數(shù)據(jù)”模塊中得到USB數(shù)據(jù)。實現(xiàn)USB通信的LabVIEW代碼如圖5所示。

圖5 實現(xiàn)USB通信的LabVIEW代碼

LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，集成了多種信號處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存函數(shù)，可方便地對USB中得到的數(shù)據(jù)進行處理。本設(shè)計心電應(yīng)用中，帶通頻率設(shè)置為0.5～50Hz、50～100Hz；腦電應(yīng)用中，帶通頻率設(shè)置為0.5～40Hz。經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)一方面在“Waveform charts”中顯示，另一方面應(yīng)用“Open／Create／Replace File”函數(shù)和“Write To Spreadsheet File”函數(shù)保存至硬盤，供后續(xù)分析。

4 測試結(jié)果

在室內(nèi)常溫環(huán)境下，被測人體的身體自然放松，大腦清醒；系統(tǒng)下位機由電池供電，分別進行心電和腦電采集，采樣頻率為1kHz，心電測試圖和腦電測試圖如圖6、圖7所示。

心電測試中，偵測電極位于鎖骨中線和第五肋間的交點，參考地位于右邊腋中線；腦電測試中，偵測電極位于10～20電極放置法的FP1點位，參考地位于右耳根部。

結(jié) 語

生理電信號大多具有信號內(nèi)阻高、幅度低的特點，往往淹沒在環(huán)境噪聲當(dāng)中。本文基于24位ADC技術(shù)的采集系統(tǒng)，能夠?qū)δM信號進行高分辨率采樣，對轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進行數(shù)字濾波、放大處理。一方面，簡化了硬件電路；另一方面，由于數(shù)字濾波器的參數(shù)可通過軟件方式方便的調(diào)節(jié)，故可實現(xiàn)儀器復(fù)用，采集多種生理電信號。

圖6 心電測試圖

圖7 腦電測試圖

對樣機的測試表明，系統(tǒng)能夠正常工作，適用于腦電、心電的采集。

［1］馬世偉，關(guān)俊強，楊幫華，等.用于BCI的腦電信號檢測電路的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2009，28（6）：28－30.

［2］TI.ADS1298Datasheet［EB／OL］.［2011－08］.http：／／focus.ti.com.cn／cn／lit／ds／symlink／ads1298.pdf.

［3］李寧.基于 MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］NI.使用NIVISA軟件控制USB設(shè)備［EB／OL］.［2011－08］.http：／／digital. ni. com／worldwide／china. nsf／web／all／90FE2718C3CC05D748256EF5000B849F.