摘 要： 設計了一種基于單片機、無線芯片nRF24L01和TFT液晶顯示屏的便攜式腦電無線采集系統(tǒng)，系統(tǒng)控制器采用STC12C5A60S2單片機。發(fā)送端的單片機對預處理后的腦電信號進行采集和存儲，通過nRF24L01芯片進行無線傳輸，接收端單片機再將信號波形送至液晶顯示屏顯示并進行進一步的分析。該系統(tǒng)不需要采用PC機，因此具有體積小、輕便、功耗低等特點。
關鍵詞： 腦電信號；單片機；無線傳輸；TFT液晶顯示
0 引言
腦電信號 EEG（Electroencephalogram）是一種微弱的低頻生理信號。它由腦部神經(jīng)活動產(chǎn)生的自發(fā)性電位活動，含有非常豐富的大腦活動信息，通過對腦電信號進行記錄，可為腦疾病的診斷提供數(shù)據(jù)分析和依據(jù)。癲癇是由大腦異常放電引起的，是一種慢性疾病和綜合病癥，以腦部神經(jīng)元過度放電所致的突然出現(xiàn)和短暫的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征[1]。目前通過腦電圖檢查發(fā)現(xiàn)的癇樣放電，仍是癲癇病診斷和癲癇灶定位的主要客觀依據(jù)。
由于受條件的限制，人體癲癇腦電數(shù)據(jù)的樣本收集比較困難，而且數(shù)據(jù)易受外界環(huán)境和患者運動的干擾。目前一些便攜式腦電采集儀的思路大多是采集的腦電信號經(jīng)過前置放大，通過無線模塊傳輸傳遞給PC機，在PC機中進行處理與存儲等工作，而PC機端多采用臺式機在Windows系統(tǒng)下運行。這種系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)能力好、性能穩(wěn)定、可長時間記錄。但是整個系統(tǒng)一般都需要外接電源，體積比較龐大，一般是放置在專業(yè)機構和醫(yī)院中使用，沒有真正實現(xiàn)便攜使用，相對一些醫(yī)療資源不足的貧困山區(qū)，這種難以便攜移動的醫(yī)療設備導致這些地區(qū)的基本醫(yī)療需求無法得到滿足。
因此，怎樣使腦電采集儀在使用時更加靈活和方便，開始得到了廣泛關注。設計一款體積小、功耗低、能夠真正便攜使用的腦電信號采集儀具有重要的實際意義和應用價值。
1 便攜式腦電無線采集系統(tǒng)總體結構
本文提出基于STC12C5A60S2單片機、無線芯片nRF24L01、真彩液晶顯示器TFT6448BS-5.7的腦電信號無線采集系統(tǒng)。其中發(fā)送端的STC12C5A60S2單片機負責數(shù)據(jù)采集與預處理，nRF24L01模塊負責數(shù)據(jù)收發(fā)傳輸，接收端STC12C5A60S2單片機將接收到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示器TFT6448BS-5.7進行波形顯示。具體系統(tǒng)組成如圖1所示。根據(jù)便攜式腦電采集系統(tǒng)的應用特點要求盡量地減少其體積和重量，實現(xiàn)真正的便攜。
1.1 腦電信號的前端采集
由于人體腦電信號的主要頻率范圍為0.05~100 Hz，幅度約為10~200 ?滋V，信號十分微弱。同時腦電信號中通?；祀s有其他生物電信號，再加上50 Hz的工頻干擾，使得腦電信號的測量條件非常復雜。傳統(tǒng)采集前端通常通過模擬抗混濾波器、多級放大電路和陷波電路等來提高信號的信噪比，這會導致系統(tǒng)體積較大、操作不便和功耗高等缺點[2]。為了精確地監(jiān)測出有臨床意義的腦電信號，本文采用參考文獻[3]中的方法，其前端采集模塊選用TI公司的ADC1299芯片。
1.2 單片機控制模塊
本系統(tǒng)的單片機控制模塊包括發(fā)送端的單片機和接收端單片機。發(fā)送端單片機須具有片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換器，接收端的單片機須外接LCD。因此均選用功能強大的STC12C5A60S2單片機[4]。該單片機是宏晶科技新一代的8051單片機，采用宏晶最新第六代加密技術的STC12C5A60S2系列單片機無法解密，具有很強的抗干擾能力，內(nèi)部集成有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)中用到了A/D轉(zhuǎn)換功能，使系統(tǒng)不需外加A/D轉(zhuǎn)換芯片，同時，該單片機速度快，精度高。
STC12C5A60S2的ADC是逐次比較型ADC，通電后，腦電信號通過8導電極采集后經(jīng)過電子開關控制進入發(fā)送端的單片機，保證一個時刻只有一導信號進入。ADC輸入通道與P1口復用，上電復位后P1口為弱上拉型I/O口，不作為ADC使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。單片機通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時控制無線模塊將腦電的數(shù)字信號發(fā)送給接收端的無線模塊，進入到接收端的單片機實現(xiàn)信號的實時顯示及存儲。
1.3 無線模塊
本系統(tǒng)采用2.4 GHz無線單片收發(fā)芯片nRF24L01，采用FSK調(diào)制，可以實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2 Mb/s。它體積小，功耗低，外設少，速率高，非常適合于無線傳輸應用系統(tǒng)。nRF24L01可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作[5]。STC12C5A60S2單片機集成了SPI控制器，可以非常方便地通過軟件設置，只收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，編程很方便。nRF24L01與單片機的連接圖如圖2所示。
1.4 顯示部分
顯示部分選用視域?qū)蔷€為5.7英寸、分辨率為640×480的真彩液晶顯示器TFT6448BS-5.7，此顯示屏工作電壓為3.3/5 V，支持256色[6]。由于是專門針對單片機用戶設計的，提供一個簡單的高速8位總線與單片機連接。此顯示屏低功耗，設計輕薄亦能滿足便攜式要求。該系統(tǒng)的程序設計包括單片機程序、液晶顯示屏驅(qū)動程序。發(fā)送端通過單片機進行A/D變換和無線傳輸，接收端由單片機通過nRF24L01接收數(shù)據(jù)，送至液晶顯示器進行顯示。
接收端單片機接收到腦電數(shù)據(jù)之后傳送到液晶顯示器進行顯示，顯示屏中每個點影射顯示存儲器中的一個字節(jié)，顯示屏上的X、Y坐標與顯示存儲器的地址一一對應。因此，只需輸入X、Y坐標便可直接讀寫相應點數(shù)據(jù)，不用計算像素點在顯示存儲器中的地址。寫入數(shù)據(jù)后X坐標自動加1，寫滿一行后自動換行，也可實現(xiàn)Y坐標自動加1。單片機與液晶顯示屏的連接如圖3所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機與nRF24L01無線收發(fā)芯片構成的發(fā)送端和接收端組成。發(fā)送端通過單片機進行A/D變換和無線傳輸，接收端通過nRF24L01接收數(shù)據(jù)，再送至STC12C5A60S2單片機進行顯示與分析。無線模塊nRF24L01所有配置工作都是通過SPI完成，共有30 B的配置字。一般采用Enhanced Shock Burst TM收發(fā)模式，這種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單，并且穩(wěn)定性也會更高。Enhanced Shock Burst TM的配置字使nRF24L01能夠處理射頻協(xié)議，配置完成后，在nRF24L01工作的過程中，只需改變其最低一個字節(jié)中的內(nèi)容就可以實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。數(shù)據(jù)流程如圖4所示。
3 結論
本文設計了一種基于單片機的體積小、輕便、功耗低的腦電信號采集與無線傳輸系統(tǒng)。選用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，利用其自身的2個SPI模塊分別對nRF24L01、TFT6448BS-5.7進行控制，實現(xiàn)腦電信號的WiFi無線傳輸和波形顯示。本系統(tǒng)不需要采用PC機，控制和顯示都用單片機來完成，由于容易攜帶、高集成度的特點，能為醫(yī)療資源不足的貧困山區(qū)的腦電疾病的診斷提供一套可行方案。
參考文獻
[1] 王春梅，癲癇腦電信號特征提取與自動檢測方法研究[D].上海：華東理工大學，2010.
[2] LIN C T. Development of wireless brain computer interface with embedded multitask scheduling and its application on real-time drivercs drowsiness detection and warning[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2008，55（5）： 1582-1591.
[3] 謝宏，李亞男，夏冰，等.基于ADS1299的可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端[J].電子技術應用，2014，40（3）：86-89.
[4] 謝宏，葛棋棋，姚楠，等.腦電信號無線采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010，18（329）：21-24.
[5] 李才光，裴正憲，蔣洪波.基于nRF24L01的無線心音遙測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機科學，2013，40（8）：59-62.
[6] 張志霞，苑璐，郭帥.基于單片機控制的液晶彩屏TF顯示原理及應用[J]，計算機應用，2013，33（9）：33-37.