李畢鵬，謝宏，夏斌，姚楠，楊文璐

　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

       摘要：設(shè)計(jì)了一套新型便攜式腦功能近紅外信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)。根據(jù)功能近紅外光譜技術(shù)（functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）檢測(cè)腦血氧濃度原理，使用雙波長(zhǎng)的LED和光電傳感器作為探頭，可以對(duì)腦功能近紅外信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存。該系統(tǒng)下位機(jī)采用STM32F407單片機(jī)和TI公司的ADS1299模擬前端集成構(gòu)成，體積小，功耗低，精度高，通過USB HID協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便快速，避免了驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。上位機(jī)程序利用VS2010進(jìn)行開發(fā)，調(diào)用與USB HID設(shè)備相關(guān)的Windows API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

　　關(guān)鍵詞：腦功能近紅外信號(hào)；功能近紅外光譜技術(shù)；STM32F407；ADS1299；USB HID協(xié)議

0引言

　　功能近紅外光譜技術(shù)（functional Nearinfrared Spectroscopy,fNIRS）作為一種非侵入式腦功能成像技術(shù)，不僅具有安全、體積小、易于與其他設(shè)備集成等特點(diǎn)，還具有較高的時(shí)間、空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)腦血氧進(jìn)行無損、實(shí)時(shí)、連續(xù)的檢測(cè)，在醫(yī)療、康復(fù)、運(yùn)動(dòng)生理等領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越受到重視［12］。

　　信號(hào)采集傳輸模塊是便攜式fNIRS系統(tǒng)的重要組成部分，藍(lán)牙、ZigBee、WiFi、RF等無線數(shù)字傳輸技術(shù)被廣泛采用。如美國(guó)fNIR Devices公司的fNIR 1100W系統(tǒng)采用的是ZigBee技術(shù)日本日立公司2009年發(fā)布的11通道WOT系統(tǒng)采用的是802.11b無線局域網(wǎng)，日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)了雙通道與單通道設(shè)備［2］。參考文獻(xiàn)［3］與［4］分別基于無線射頻(RF)技術(shù)(工作最高速率僅20 kb/s)與GPRS技術(shù)針對(duì)肌氧檢測(cè)的便攜式設(shè)備進(jìn)行了研制。參考文獻(xiàn)［5］的設(shè)計(jì)中采用低功耗的集成有802.11協(xié)議(WiFi)的無線傳輸芯片GS1011對(duì)信號(hào)進(jìn)行無線傳輸。然而，對(duì)于多通道系統(tǒng)應(yīng)用以上無線傳輸技術(shù)的速率都有一定的瓶頸，例如采用802.11協(xié)議的WiFi速率為2 Mb/s，而其他的都不超過1 Mb/s，相比而言有線傳輸技術(shù)如USB2.0就更有優(yōu)勢(shì)［6］。

　　作為對(duì)參考文獻(xiàn)［5］中研究系統(tǒng)的補(bǔ)充，本文采用USB2.0作為有線數(shù)據(jù)傳輸方式。由于其最高傳輸速率可達(dá)480 Mb/s，可滿足多通道系統(tǒng)的需要，結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299可提高便攜式fNIRS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。

1系統(tǒng)總框架

　　本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選用760 nm、850 nm波長(zhǎng)的近紅外LED作為發(fā)射光源，為提高抗干擾性分別采用頻率為0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波作為調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)的頻分復(fù)用。由于腦功能近紅外光探頭獲取的信號(hào)比較微弱，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前一般需要放大濾波等環(huán)節(jié)，本文設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換采用TI公司的低功耗ADS1299芯片，一方面其最大采樣率可達(dá)到16 kS/s，滿足對(duì)0.8 kHz和1.2 kHz調(diào)制信號(hào)采樣率的要求；另一方面該芯片各通道內(nèi)置有可編程增益放大器（PGA），最高放大倍數(shù)可達(dá)到24倍，結(jié)合24 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，其電壓分辨率達(dá)到0.119 μV，這樣可以省去對(duì)信號(hào)的放大濾波環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低復(fù)雜性。控制模塊采用STM32F407，可以通過SPI總線對(duì)ADS1299進(jìn)行控制，同時(shí)將采集到的數(shù)字信號(hào)通過USB接口高速傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)接收并存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步處理分析。完整的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1模擬前端ADS1299

　　本系統(tǒng)的模擬前端采用的是芯片ADS1299，其原本是為腦電信號(hào)采集應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有低噪聲、低功耗、多通道、高精度等優(yōu)點(diǎn)，主要特性參見參考文獻(xiàn)［7］。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　ADS1299與外界通信是通過SPI接口來完成的，這就需要配置主機(jī)符合從機(jī)的時(shí)序協(xié)議，圖3是ADS1299的SPI接口工作時(shí)序圖。

　　圖3中，CS是SPI接口的片選信號(hào)，SCLK是主機(jī)提供通信時(shí)鐘的信號(hào)線，DIN是數(shù)據(jù)輸入端口，DOUT是數(shù)據(jù)輸出端口。ADS1299芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出是邊沿工作方式，存在信號(hào)建立時(shí)間（setup time）和信號(hào)保持時(shí)間（hold time）。從其工作時(shí)序圖可知，ADS1299芯片在上升沿時(shí)輸出數(shù)據(jù)，下降沿時(shí)鎖存數(shù)據(jù)， SPI接口工作模式選用模式1（CPOL=0，CPHA=1）。確定ADS1299從機(jī)的SPI接口的工作模式后，相應(yīng)配置好主機(jī)的工作模式，相互之間就可以通過SPI通信。

　　2.2MCU控制實(shí)現(xiàn)

　　選用ST的STM32F407芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的MCU，該芯片是以CortexM4為內(nèi)核的32位微處理器，支持USB OTG HS/FS，高性能、具有豐富的外設(shè)。對(duì)于模擬前端ADS1299，MCU作為主機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)上電后， 芯片ADS1299通過SPI接口與主機(jī)模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送接收。該接口包含4個(gè)信號(hào)線：CS、SCLK、DIN、DOUT。在與主機(jī)通過SPI通信時(shí)，CS信號(hào)必須為低電平。由于從機(jī)ADS1299 SPI接口工作模式選用模式1，與之對(duì)應(yīng)設(shè)置好MCU工作模式，主要線路連接如圖4所示。

　　主要線路連接圖根據(jù)信號(hào)采集的具體要求，通過MCU配置ADS1299的多路選擇器各個(gè)輸入端、放大器（PGA1PGA8）的放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器（ADC1ADC8）的采樣頻率。當(dāng)一次采集完成時(shí)，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，MCU可以通過SPI接口來讀取數(shù)據(jù)。

　　而對(duì)于PC上位機(jī)，MCU作為從機(jī)，采用USB與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收到數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)化成USB數(shù)據(jù)包傳送給上位機(jī)。

3軟件程序設(shè)計(jì)

　　3.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　本采集系統(tǒng)每通道的最大采樣率為16 kS/s，采樣精度24 bit，若通道數(shù)為8，則數(shù)據(jù)傳輸速度為3 072 kb/s，采用普通的串口并不能實(shí)時(shí)有效地傳輸近紅外腦信號(hào)數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)選用USB來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與PC的通信。

　　人機(jī)接口設(shè)備（Human Interface Device，HID）是USB設(shè)備中常用的設(shè)備類型，將程序設(shè)計(jì)為HID類型，可以省去比較復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序的編寫，直接利用Windows內(nèi)置的HID驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備進(jìn)行通信。HID設(shè)備交換的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在報(bào)表（Report）的結(jié)構(gòu)體中，主機(jī)通過發(fā)送和請(qǐng)求報(bào)表來傳送和接收數(shù)據(jù)［8］。HID設(shè)備全速端點(diǎn)速度可達(dá)64 KB/s，高速端點(diǎn)速度可達(dá)24.576 MB/s，滿足系統(tǒng)傳輸速率要求。

　　下位機(jī)程序是基于ST公司提供的USB驅(qū)動(dòng)庫(kù)中的HID例程經(jīng)修改移植到STM32F407開發(fā)板上的。將單片機(jī)描述成PC主機(jī)能識(shí)別的設(shè)備，待設(shè)備通過USB連接到PC主機(jī)后，主機(jī)會(huì)發(fā)送Get_Descriptor請(qǐng)求讀取HID設(shè)備的描述符。枚舉完成后，初始化ADS1299，將采集到的數(shù)據(jù)首先放在USB緩沖區(qū)，通過使能USB端點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，基本流程如圖5所示。

　　3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)程序設(shè)計(jì)使用VS2010開發(fā)，通過調(diào)用Windows API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與HID設(shè)備的通信。Windows系統(tǒng)提供有幾千個(gè)API函數(shù)，作為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的接口，與HID相關(guān)的API函數(shù)被封裝在hid.dll、setuppapi.dll文件中［8］。上位機(jī)程序的開發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸，包含數(shù)據(jù)發(fā)送、顯示等功能，其基本流程如圖6所示。

　　程序流程中，打開USB，查找特定的HID設(shè)備具體過程如下：（1）調(diào)用HidD_GetHidGuid函數(shù)，獲得USB設(shè)備的GUID；（2）調(diào)用SetupDiGet ClassDevs函數(shù),獲得全部的HID信息；（3）調(diào)用SetupDiEnum DeviceInterfaces函數(shù)，識(shí)別特定的HID設(shè)備接口；（4）調(diào)用SetupDiEnumDeviceInterfaceDetail函數(shù)，獲取一個(gè)指向該設(shè)備的路徑名；（5）調(diào)用CreateFile，獲取設(shè)備句柄；（6）調(diào)用HidD_GetAttributes函數(shù)，獲取特定HID的廠商ID、產(chǎn)品ID。

4數(shù)據(jù)抓取測(cè)試

　　系統(tǒng)搭建完成后，可以利用BusHound對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，它是一款專用于各種總線數(shù)據(jù)包監(jiān)視和控制的軟件，可以采集到數(shù)據(jù)發(fā)送過程。經(jīng)測(cè)試上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采集指令，下位機(jī)可以通過USB端點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。BusHound數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖7所示。

　　以上數(shù)據(jù)抓取測(cè)試，說明數(shù)據(jù)可以傳輸成功。待數(shù)據(jù)傳輸完成后，點(diǎn)擊BusHound界面上Save保存為TXT格式至硬盤，供后續(xù)分析。

　5結(jié)論

　　腦功能近紅外信號(hào)極其微弱，是不容易被檢測(cè)到的［9］。本文基于ADS1299的模擬前端24位ADC技術(shù)，能夠?qū)δM信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確高分辨采樣?？刂破鱏TM32F407能夠通過SPI實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1299的控制，并將前端采集到的腦功能近紅外信號(hào)通過USB2.0快速傳送到上位機(jī)PC端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、顯示，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性、便攜性，在便攜式醫(yī)療設(shè)備中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

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