ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统

参考文献(References)
[1] 谢宏, 颜林, 姚楠, 夏斌, 董洋洋. 基于ADS1298 的新型脑电信号采集前端设 计[J]. 测控技术与仪器仪表,2012,[2]:36-39. [2]马世伟，关俊强，杨帮华，等．用于ＢＣＩ的脑电信号检测电路的设计 ［Ｊ］．测控技术，２００９，２８（６）：２８－３０． [3]ＴＩ．ＡＤＳ１２９８Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／Ｌ］．［２０１１－０ ８］．ｈｔｔｐ：／／ｆｏｃｕｓ．ｔｉ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｃｎ／ｌｉｔ／ｄ ｓ／ｓｙｍｌｉｎｋ／ａｄｓ１２９８．ｐｄｆ． [4]李宁．基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器开发应用［Ｍ］．北京：北京航空航 天大学出版社，２００８． [5]ＮＩ．使用ＮＩＶＩＳＡ软件控制ＵＳＢ设备［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１ －０８］．ｈｔｔｐ：／／ｄｉｇｉｔａｌ． ｎｉ． ｃｏｍ／ｗｏｒｌｄｗｉ ｄｅ／ｃｈｉｎａ． ｎｓｆ／ｗｅｂ／ａｌｌ／９０ＦＥ２７１８Ｃ３ＣＣ０ ５Ｄ７４８２５６ＥＦ５０００Ｂ８４９Ｆ．。
前景与展望
第一种类型是反映电活动变化的生物电信号，如神经骨肉的电活动 变化、细胞内外的电活动变化以及脑电、心电的变化等。这些生物 电信号需要通过相应的电极引导、采集、输入记录仪器系统，进行 放大后才可以显示、记录出来。 第二种类型是反映压力变化的信号，如血压的变化、心脏收缩期和 舒张期的压力变化、胆囊收缩的压力变化等。这些压力变化信号首 先需要通过一个压力信号转换装置，将压力信号转换为电信号，输 入记录仪器系统，进行放大、显示、记录出来。 第三种类型是反映张力变化的信号，如离体肠管收缩、舒张的张力 变化，心室肌或者心房肌收缩等。这些张力变化信号也是需要先通 过一个张力信号转换装置，将张力信号转换为电信号，输入记录仪 器系统，进行放大、显示、记录出来。 第四种类型是反映心输出量变化和血流量变化的信号。也是需要先 将流速、流量的信号转换为电信号，输入到流量计中进行放大、计 算，最后显示、记录出来。
模拟前端ＡＤＳ１２９８
本系统的模拟前端采用ＴＩ公司的ＡＤＳ１２９ ８芯片。ＡＤＳ１２９８内部原理框图ＡＤＳ１ ２９８主要特性为： ①８通道２４位ＡＤＣ转换芯片，其采样频率可 工作在２５０ｓｐｓ～３２ｋｓｐｓ。 ② 各通道含可编程放大器，其放大倍数在１～ １２倍可调；ＣＭＲＲ＞１００ｄＢ时，输入阻 抗约为１０ＭΩ。 ③ 内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端[3]。根 据心电模式或脑电模式的具体应用，通过单片机 配置多路选择器（ＭＵＸ）内部各个输入端（Ｉ ＮＰＵＴＳ、ＲＬＤ）的通断，可编程放大器 （Ａ１～Ａ８）的放大倍数和ＡＤ转换器（ＡＤ Ｃ１～ＡＤＣ８）的采样频率。当芯片完成一次 转换，Ｄａｔａ Ｒｅａｄｙ引脚变为低电平， 通知ＭＣＵ通过ＳＰＩ总线读取数据。
ＭＣＵ控制部分
选用ＳＴＭ３２Ｆ１０３芯片作为系统的ＭＣＵ。该芯 片具有高性能（７２ＭＨｚ工作频率、具有单周期乘法 指令和硬件除法指令），低功耗（０．１９ｍＷ／ＭＨ ｚ）和丰富外设（ＳＰＩ及ＵＳＢ等）等特点。对于模 拟前端ＡＤＳ１２９８，ＭＣＵ 作为主机，采用ＳＰＩ 协议进行通信。系统上电时，设置ＡＤＳ１２９８的相 应寄存器；在检测到ＡＤＳ１２９８ 的ＤａｔａＲｅａ ｄｙ信号后，读取ＡＤＣ 的转换结果。对于上位机，Ｍ ＣＵ 作为从机，采用ＵＳＢ 协议和上位机进行通信。Ｍ ＣＵ在连接上位机时，完成ＵＳＢ枚举等初始化动作； 当接收到ＡＤＳ１２９８的数据后，打包成ＵＳＢ数据 包，传送给上位机。
电源部分
本系统需要３路电源供电：数字 部分供电电压３．３Ｖ、模拟正 端供电电压３Ｖ、模拟负端供电 电压－３Ｖ。其中，３．３Ｖ由 ＡＭＳ１１１７－３．３芯片从 电池电压转换得到，３Ｖ由ＴＰ Ｓ７３２３０芯片从电池芯片转 换得到，－３Ｖ 由ＴＰＳ６０ ４０３芯片从３Ｖ电压转换得到。
总结
生理电信号大多具有信号内阻高、幅 度低的特点，往往淹没在环境噪声当 中。本文基于２４位ＡＤＣ技术的采 集系统，能够对模拟信号进行高分辨 率采样，对转化后的数字信号进行数 字滤波、放大处理。一方面，简化了 硬件电路；另一方面，由于数字滤波 器的参数可通过软件方式方便的调节， 故可实现仪器复用，采集多种生理电 信号。对样机的测试表明，系统能够 正常工作，适用于脑电、心电的采集。
考虑到整个系统的精度、体积、成本以及电子技术的发展趋势，提出以下设计 方案。为减小系统体积，提升精度，系统利用２４位 Ａ／Ｄ转换芯片和低数值基准电压源，得到高分辨率的数字信号（μＶ／ｂｉｔ 级），传送至单片机。单片机根据具体的应用（脑电或心电）配置Ａ／Ｄ芯片， 并进行数据的采集、存储。由于数据量较大，系统上／下位机之间采用ＵＳＢ 协议进行数据传输。为防止人体触电、减少信号干扰，ＵＳＢ数据链路采用Ａ ＤｕＭ４１６０芯片进行隔离。上位机采用Ｌａｂ－ＶＩＥＷ 软件实现ＵＳＢ 驱动、数据处理和界面的设计。
ＵＳＢ隔离
为保护人体安全，本设计中采用ＡＤｕＭ４１６０芯片进行上下位机隔离， 下位机采用电池供电。ＡＤｕＭ４１６０芯片是ＡＤＩ公司推出的专用ＵＳ Ｂ隔离芯片，具有透明、易于配置、兼容ＵＳＢ２．０协议、可隔离５００ ０Ｖ电压等优点。芯片左侧ＶＢＵＳ１、ＤＤ＋、ＤＤ－和ＧＮＤ１分别连 接上位机的５Ｖ、ＵＳＢ正端、ＵＳＢ负端和地线；芯片右侧ＶＢＵＳ２、 ＤＤ＋、ＤＤ－和ＰＩＮ分别连接ＭＣＵ的电源、ＵＳＢ正端（ＰＡ１２ 口）、ＵＳＢ负端（ＰＡ１１口）、Ｉ／Ｏ（ＰＡ１０），其中ＰＩＮ为使 信号在医疗诊断和科学研究方面有着重 要的意义。目前，生理电信号采集装置通常针 对某种特定的信号设计，如脑电图机、心电图 机等。通常精度高的仪器，由于各个通道均需 要独立的模拟放大、滤波等模块，故其体积往 往较大，限制了仪器的应用环境。而脑电的幅 频特性“０．００１～０．１ｍＶ、０．５～ ４０Ｈｚ”与心电的幅频特性“１～５ｍＶ、 ０．０５～１００Ｈｚ”具有相似性。本文运 用２４位ＡＤＣ技术，直接采集生理电信号， 进行数字滤波和放大，设计一种能通过简单配 置，能分别采集脑电和心电的生理信号采集系 统。该系统具有可复用、便携、功耗低等特点， 为生理信号的采集提供一种新方案。
硬件设计
预处理电路 该部分由二阶无源低通滤波和限幅电路组成，起到消除高 频干扰和过压保护的作用。其中，低通截止频率为３０ｋ Ｈｚ，可通过电压幅值范围为±７００ｍＶ。
基准电平 虽然ＡＤＳ１２９８中集成了精度 为０．２％的２．４Ｖ 和４．０ Ｖ的基准电平，但为了减小前端放 大器的放大倍数，本设计中的ＡＤ Ｃ 部分采用ＲＥＦ３１１２ 提供 的１．２５ Ｖ（0.２％）作为基准 电平。该电平通过ＯＰＡ２１１组 成的电压跟随器进一步稳定，输入 至ＡＤＳ１２９８的ＶＲＥＦ。