腦電信號(hào)EEG(Electroencephalogram)是大腦神經(jīng)產(chǎn)生的一種電位活動(dòng)，含有豐富的大腦活動(dòng)信息，是診斷腦部疾患的主要生理指標(biāo)依據(jù)，也是目前腦機(jī)接口研究的主要信號(hào)源，在人的警覺(jué)度檢測(cè)和認(rèn)知能力識(shí)別研究中也有應(yīng)用。傳統(tǒng)腦電信號(hào)采集設(shè)備都比較龐大，不便于腦電信號(hào)的實(shí)時(shí)獲取[1]。因此研究便攜式的腦電信號(hào)采集設(shè)備無(wú)論對(duì)理論研究還是病人的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)都有重要意義[2]。

    由于人體的阻抗高而且變化很大，腦電信號(hào)又很微弱，外部環(huán)境的干擾很大，因此一般對(duì)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的放大和預(yù)處理電路部分的要求很高，電路一般比較復(fù)雜，因而體積大功耗高。如在參考文獻(xiàn)[3]中給出的腦電信號(hào)調(diào)理電路包括了用分離元件設(shè)計(jì)的前置放大器、陷波濾波電路、主放大電路和信號(hào)隔離電路；參考文獻(xiàn)[4]和[5]采用儀用放大器作為信號(hào)輸入前端，采用壓控電壓源50 Hz陷波電路和二階有源濾波電路來(lái)濾除噪聲，并應(yīng)用右腿驅(qū)動(dòng)浮地技術(shù)來(lái)抑制共模干擾；參考文獻(xiàn)[6]采用兩個(gè)儀用放大器來(lái)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行二級(jí)差分放大作為前端放大電路；參考文獻(xiàn)[7]也采用與參考文獻(xiàn)[4]和[5]相似的結(jié)構(gòu)并用八階開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片MAX291來(lái)做抗混低通濾波;參考文獻(xiàn)[8]采用了常規(guī)的儀用放大器信號(hào)輸入前端、陷波電路、二階有源濾波電路，并采用具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的MSP430F169作為MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸；參考文獻(xiàn)[9]針對(duì)疲勞駕駛檢測(cè)設(shè)計(jì)僅包含儀用放大器前端、高通濾波、二級(jí)信號(hào)放大電路，并采用八階Bessel開(kāi)關(guān)電容濾波器芯片MAX7405作為低通抗混濾波器，結(jié)合MSP430F169和CC2500實(shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)的采集與無(wú)線傳輸。以上腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的精度都比較低，因此要求信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)較高才能保證足夠的信號(hào)分辨率，而采用分離元件實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的調(diào)理電路則使得電路體積大功耗大，不宜實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的便攜式采集。TI公司新推出的芯片ADS1298專(zhuān)門(mén)為生理信號(hào)采集而設(shè)計(jì)，為改變這種現(xiàn)狀提供了技術(shù)保障，如參考文獻(xiàn)[10]采用ADS1298和STM32F103微處理器實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)采集，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)前端的設(shè)計(jì)。

    本文以TI公司的ADS1298芯片為基礎(chǔ)，結(jié)合腦電信號(hào)采集的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可用于超低功耗和微型化的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)的采集前端，與ARM、FPGA、DSP等微處理器以及USB或Wi-Fi等芯片集成可設(shè)計(jì)出便攜式可穿戴的腦電信號(hào)采集設(shè)備。

1 EEG信號(hào)的特點(diǎn)及采集要求
    由于EEG的輸入信噪比很低而且幅值屬于微伏數(shù)量級(jí)，所以EEG檢測(cè)應(yīng)視為微弱信號(hào)檢測(cè)的一種。EEG檢測(cè)的主要特點(diǎn)有：
    (1) EEG過(guò)于微弱,幅值只有5 μV～200 μV，如果信號(hào)放大倍數(shù)不夠,就需要系統(tǒng)有較高的電壓分辨率。如果系統(tǒng)電壓分辨率不夠,則一般要對(duì)信號(hào)放大20 000倍左右。
    (2) 人體大腦的信號(hào)源阻抗高，腦電信號(hào)頭皮與顱骨通常有幾千歐姆的電阻，所以要求前置部分有很高的輸入阻抗，以提高腦電信號(hào)索取能力，一般輸入阻抗要大于10 MΩ。
    (3) EEG信號(hào)頻率較低，一般在30 Hz以下。EEG信號(hào)采集時(shí)，高頻干擾影響很大，同時(shí)，50 Hz市電電網(wǎng)信號(hào)會(huì)以共模干擾和差模干擾兩種方式混入電路，幅值在毫伏數(shù)量級(jí),所以要求放大器具有很高的共模抑制比CMRR(Common-Mode Rejection Ratio),一般要大于100 dB。在沒(méi)有屏蔽措施的環(huán)境下，CMRR對(duì)能否提取到EEG有著重要的影響。
    (4) 電極和皮膚接觸阻抗不對(duì)稱(chēng)等因素會(huì)在電極與頭皮接觸的部位產(chǎn)生電位差，稱(chēng)為極化電壓。它一般影響信號(hào)的偏置，如果在前端不做處理，會(huì)對(duì)信號(hào)的提取造成很大困難。
    TI公司近年推出的ADS1298模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是專(zhuān)門(mén)針對(duì)ECG和EEG等生理信號(hào)采集而設(shè)計(jì)的，其集成了8個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，單個(gè)通道的最高采樣速率可達(dá)32 kS/s，在采樣率不超過(guò)8 kS/s時(shí)具有24位的轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)還集成了8個(gè)程控差分輸入放大器、右腿驅(qū)動(dòng)、Wilson電阻網(wǎng)絡(luò)等，通過(guò)結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換和將基線漂移、工頻干擾等噪聲處理放到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字處理部分，可以大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)便攜式低功耗的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。

2 ADS1298轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介[11]
2.1 功能特點(diǎn)
    ADS1298是TI公司推出的一款24位8路差分輸入的高精度、高輸入阻抗、高共模抑制比、高轉(zhuǎn)換速率、低功耗的∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要特性有：
    (1) 8通道24位ADC轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部有8個(gè)低噪聲可編程增益放大器(PGA)；8個(gè)高分辨率同步采樣ADC；其采樣頻率可工作在250 S/s~32 kS/s。
    (2) 各通道含低噪聲可編程增益放大器(PGA)，其放大倍數(shù)在1～12倍可調(diào);工頻共模抑制比CMRR最小為105 dB，典型值為115 dB；直流輸入阻抗為1 000 MΩ；兼容的SPI通信方式，可對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和輸出數(shù)據(jù)。
    (3) 內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)集成型放大器；針對(duì)威爾遜中心終端WCT(Wilson Center Terminal)與戈德伯格終端GCT(Goldberger Terminals)的集成型放大器。
    (4) 數(shù)字計(jì)步(digital pace detection)功能；持續(xù)啟動(dòng)檢測(cè)(lead-off detection)功能。
    (5) 板載振蕩器與內(nèi)部參考電壓可實(shí)現(xiàn)更小尺寸的低功耗應(yīng)用；靈活的掉電、待機(jī)模式。
    (6) ADS1298每通道功耗0.75 mW，與獨(dú)立式實(shí)施方案相比，功耗降低達(dá)95%，從而可提高設(shè)備的便攜性與患者監(jiān)護(hù)移動(dòng)性。
    (7) 其4-uVpp典型值輸入?yún)⒖荚肼曔h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了IEC60601-2-27/51標(biāo)準(zhǔn)的限度，從而可提高便攜式設(shè)備以及高密度高端ECG與EEG設(shè)備的測(cè)量精度。
　　ADS1298的以上這些特點(diǎn)，集成了ECG與EEG前端所需的常見(jiàn)特性，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并節(jié)省板級(jí)空間，使得組件的使用量銳降95%。
2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
　　ADS1298內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其內(nèi)部集成了8路并行的PGA與ADC、監(jiān)測(cè)電路和數(shù)字濾波電路，采用SPI串行通信方式設(shè)置內(nèi)部控制用寄存器并輸出數(shù)字信號(hào)。根據(jù)心電模式或腦電模式的具體應(yīng)用，通過(guò)單片機(jī)配置多路選擇器(MUX)內(nèi)部各個(gè)輸入端(INXX,RLD)的通斷，可編程放大器(A1～A8)的放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC1～ADC2)的采樣頻率。當(dāng)芯片完成一次轉(zhuǎn)換，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖?，通知MCU通過(guò)SPI總線讀取數(shù)據(jù)。

    該芯片內(nèi)部電路可分為數(shù)字和模擬兩大部分，數(shù)字部分供電范圍為：1.6～3.6 V，模擬部分既可采用單極性供電（2.7～5.25 V)，也可采用雙極性供電(±2.5 V)。當(dāng)模擬部分采用單極性供電時(shí)，其輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0～5.25 V；當(dāng)模擬部分采用雙極性供電時(shí)，其允許輸入信號(hào)的范圍為-2.5～2.5 V。使用時(shí)，既可以使用片內(nèi)參考電壓，也可以用片外參考電壓。A/D時(shí)鐘電路的配置也一樣，既可使用片內(nèi)時(shí)鐘電路，也可使用片外時(shí)鐘電路,若選用片內(nèi)時(shí)鐘電路，AD還可向外提供時(shí)鐘信號(hào)。
3 前端硬件電路設(shè)計(jì)
    對(duì)于一個(gè)腦電信號(hào)采集系統(tǒng)而言，硬件電路的設(shè)計(jì)主要在于信號(hào)的調(diào)理部分以及如何把微弱的模擬腦電信號(hào)變成適合分析的數(shù)字化腦電信號(hào)，其設(shè)計(jì)將決定整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，是系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。由于ADS1298芯片為差分輸入方式，其輸入工頻共模抑制比典型值達(dá)到了115 dB，且直流輸入阻抗達(dá)到了1 000 MΩ，再考慮其24位的采樣精度，因此在輸入端只作簡(jiǎn)單的一階低通和高通濾波以及限幅設(shè)計(jì)，同時(shí)再配合右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（如圖2所示），這樣輸入端電路就可以大大簡(jiǎn)化，而模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)分辨率也保證了經(jīng)過(guò)后期數(shù)字信號(hào)處理得到高質(zhì)量的腦電信號(hào)。

3.1 濾波限幅電路
　    腦電信號(hào)屬于微弱的低頻生物信號(hào)，其有用頻率在0.5～100 Hz的頻帶內(nèi)，另外從抑制基線漂移和帶外噪聲以及保護(hù)器件考慮，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅與濾波，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其電路的限幅原理是取二極管的單向?qū)ㄌ匦?，而電路的低通濾波采用傳統(tǒng)的無(wú)源一階低通，高通濾波采用了傳統(tǒng)的阻容濾波，電路的頻率響應(yīng)函數(shù)如式(2)所示，通帶截止頻率可由電路的頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算得到：
    

3.3 ADS1298多芯片級(jí)聯(lián)
    在常見(jiàn)的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)中，一般都是16、32、64或更多通道，由于ADS1298是一種8通道的生物信號(hào)處理芯片，在高于8通道的采集系統(tǒng)中就需要級(jí)聯(lián)幾塊芯片來(lái)解決多通道的問(wèn)題，圖5給出了兩片芯片的16通道級(jí)聯(lián)模式的結(jié)構(gòu)。

    由圖可以看出，芯片共用啟動(dòng)信號(hào)START和時(shí)鐘信號(hào)CLK，在SPI接口連接中復(fù)用SCLK、DIN、DOUT信號(hào)線。ADS1298每個(gè)設(shè)備都有自己獨(dú)立的片選信號(hào)CS線，通過(guò)拉高相應(yīng)的CS信號(hào)線，其相應(yīng)的設(shè)備DOUT輸出為高阻態(tài)。這種結(jié)構(gòu)允許其他設(shè)備控制這個(gè)DOUT總線，這種配置方法適合于大部分場(chǎng)合的應(yīng)用要求。
    本文所介紹的新型腦電信號(hào)采集前端充分利用了近年來(lái)發(fā)展迅猛的半導(dǎo)體技術(shù)，以超低功耗、高精度、高集成度的ADS1298轉(zhuǎn)換器為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,采集的精度、速度及可靠性能夠滿(mǎn)足要求。利用了其24位的高精度,結(jié)合芯片內(nèi)部的PGA可編程增益放大器及右腿驅(qū)動(dòng)電路，大大降低了前置信號(hào)調(diào)理電路的規(guī)模，其能夠很好地對(duì)人體腦電信號(hào)進(jìn)行精確采集，為新時(shí)代便攜式的腦部醫(yī)療保健和實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了高性能的、便攜式、可佩帶的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)。
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