腦電信號(hào)EEG(Electroencephalogram)是大腦神經(jīng)元細(xì)胞體生理活動(dòng)所產(chǎn)生的電位綜合，具有豐富的大腦活動(dòng)信息[1]，廣泛應(yīng)用于腦部疾病的醫(yī)療診斷、功能康復(fù)、疲勞駕駛腦電活動(dòng)監(jiān)測(cè)、腦-機(jī)接口(BCI)及其他腦科學(xué)方面的研究。對(duì)于腦電信號(hào)的研究必然離不開腦電信號(hào)的采集獲取，而腦電信號(hào)的獲取都是通過腦電采集系統(tǒng)來完成的。傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)雖然在采集精度上能夠很好地滿足醫(yī)療和研究的要求，但是其體積較大、操作不便、功耗高等缺點(diǎn)限制了其研究和應(yīng)用的范圍。因此設(shè)計(jì)出一款體積小、功耗低、便于操作的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。

　　由于腦電信號(hào)非常微弱，加之人體阻抗的特殊性、外界和內(nèi)部干擾等原因，傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)通過復(fù)雜的放大濾波電路設(shè)計(jì)，以滿足腦電信號(hào)采集的要求[3]，但是這樣會(huì)導(dǎo)致電路板體積過大、功耗高，不利于設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)的便攜化。為了實(shí)現(xiàn)腦電采集系統(tǒng)的小型化，人們常采用針對(duì)特殊應(yīng)用和特殊設(shè)計(jì)來簡(jiǎn)化腦電信號(hào)調(diào)理電路，如參考文獻(xiàn)[4]為實(shí)現(xiàn)6通道腦電信號(hào)的便攜式采集，將調(diào)理電路分成主動(dòng)電極端和后端兩部分，通過這樣特殊的設(shè)計(jì)使得整個(gè)系統(tǒng)的體積大為減小，但體積仍然偏大使用不便。參考文獻(xiàn)[5]針對(duì)駕駛疲勞檢測(cè)研制了6通道的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)，采集前端基于多層電路板模塊，該設(shè)計(jì)雖然大大地縮小了采集前端的體積，但對(duì)便攜式應(yīng)用體積仍然偏大。通過抑制腦電信號(hào)源中共模干擾成分可以降低對(duì)濾波和陷波電路的要求，而右腿驅(qū)動(dòng)電路是常用的有效手段[6]，在提高系統(tǒng)對(duì)共模干擾抑制能力的同時(shí)可以減小系統(tǒng)的體積[3,7-8]。參考文獻(xiàn)[9]將采集前端中各種元器件包括放大器、濾波器、控制器等都集成到一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)上，以達(dá)到減小系統(tǒng)體積和功耗的目的，這種方案對(duì)開發(fā)工具和技術(shù)水平要求都非常高，成本高難度大。參考文獻(xiàn)[7]利用TI公司的ADS1298芯片的高精度作為保證，通過在數(shù)字側(cè)實(shí)現(xiàn)濾波和陷波來簡(jiǎn)化采集前端模擬部分的設(shè)計(jì)，由于該芯片是針對(duì)心電信號(hào)采集設(shè)計(jì)的，其漂移和模數(shù)轉(zhuǎn)換速率等性能仍然有一定的局限性，當(dāng)用于腦電信號(hào)采集時(shí)該芯片內(nèi)的一些性能無法得到充分利用。

　　近年來TI公司繼ADS1298之后又推出了專門用于腦電信號(hào)采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299,本文以高精度、便攜式、低功耗的腦電采集系統(tǒng)研制為背景，嘗試采用該款芯片作為核心器件設(shè)計(jì)出可穿戴式腦電信號(hào)采集系統(tǒng)前端。

1 可穿戴式腦電采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本文研制的腦電信號(hào)采集系統(tǒng)由干電極、采集前端、GS1011控制模塊(集成有 WiFi和ARM)、電源模塊和上位機(jī)接收控制組成,系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　該系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，GS1011通過其WiFi模塊與上位機(jī)通信，根據(jù)上位機(jī)指令控制ADS1299進(jìn)行腦電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)通過設(shè)置的無線WiFi發(fā)送到指定的IP地址上位機(jī)上。該系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)在時(shí)間和空間上的局限性，滿足了腦電采集所需要的便攜式、可移動(dòng)、低功耗以及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。

　　該系統(tǒng)中模擬前端部分是保障系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵，其中采用TI公司的ADS1299為核心器件，主要是考慮到該芯片是專門為腦電信號(hào)采集而設(shè)計(jì)的，其具有如下突出的特性：

　　(1)具有8個(gè)低噪聲可編程放大器(PGA，放大倍數(shù)1～24倍可調(diào))與8個(gè)同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換速率介于250 S/s~16 kS/s之間，不超過8 kS/s時(shí)其精度為24 bit；

　　(2)每個(gè)通道的功耗僅有5 mW，共模抑制比(CMRR)高達(dá)-110 dB，直流輸入阻抗高達(dá)1 000 MΩ；

　　(3)內(nèi)置偏置驅(qū)動(dòng)放大器和持續(xù)斷電檢測(cè)(LEAD-OFFDetection)功能。

　　這些特性保證了加入很少的元器件即可搭建腦電信號(hào)模擬采集前端。

2 ADS1299內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ADS1299芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。ADS1299輸入端使用的是差分方式輸入，并且每個(gè)輸入端都集成有EMI濾波器，能有效地抑制外部射頻干擾；具有靈活的路由交換器(MUX),可以將任何輸入連接到放大器(PGA)的輸入端；集成有持續(xù)斷電檢測(cè)(Lead Off)電路，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)電極是否斷開；內(nèi)部集成了8路并行的PGA和ADC，可以提供很高的采集轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)部還集成有偏置驅(qū)動(dòng)放大器，可以有效抑制共模干擾噪聲；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)，當(dāng)芯片完成一次采集時(shí)，芯片會(huì)拉低引腳來通知外部GS1011可以通過SPI讀取數(shù)據(jù)。

3采集前端總體設(shè)計(jì)

　　針對(duì)腦電信號(hào)十分微弱(0.5 ?滋V～100 ?滋V)的特點(diǎn),傳統(tǒng)采集前端通常由模擬抗混濾波器、多級(jí)放大電路和陷波電路等來提高信號(hào)的信噪比，這也是導(dǎo)致其體積大不利于實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)計(jì)的主要原因。由于TI公司的ADS1299在采樣頻率不超過8 kHz時(shí)模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位,再結(jié)合其集成的具有高共模抑制比的差分輸入可編程增益放大器(PGA)，因此本文在前端設(shè)計(jì)的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路。而基線漂移、陷波等處理根據(jù)應(yīng)用需要在數(shù)字側(cè)實(shí)現(xiàn)，而且基于過采樣技術(shù)采用二階無源RC濾波電路實(shí)現(xiàn)抗混濾波，大大簡(jiǎn)化前端電路設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　ADS1299為差分輸入，其共模抑制比(CMRR)高達(dá)110 dB，且其直流輸入阻抗高達(dá)1 000 MΩ，再配合閉環(huán)偏置驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，能夠很好地保證系統(tǒng)的抗干擾要求；ADS1299內(nèi)部含有8個(gè)低噪聲的可編程增益放大器(PGA)和8個(gè)同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，A/D轉(zhuǎn)換精度高達(dá)24 bit，當(dāng)VREF=4.5 V時(shí)其信號(hào)電壓的分辨率為：

　　如果再將PGA可編程增益控制考慮進(jìn)去則其信號(hào)電壓分辨率可以達(dá)到0.053 6 V。

4 預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

　　由于腦電信號(hào)頻率只有0.5～100 Hz，實(shí)驗(yàn)分析的有效范圍一般在0.5～30 Hz，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前必須經(jīng)過低通抗混濾波的預(yù)處理，為此本文針對(duì)每個(gè)通道設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路，如圖4所示。

　　該電路由二階無源RC低通濾波和限幅電路組成，其中二階無源RC低通濾波電路的頻率響應(yīng)函數(shù)如式(2)所示：

　　從該幅頻特性曲線可以看出,當(dāng)選取8 kHz的采樣頻率時(shí)，可知頻率在4 kHz處衰減達(dá)到67 dB。因此該二階無源RC低通濾波器具有較好抗頻率混疊效果，通過過采樣技術(shù)可以使該濾波器滿足性能要求。

　　限幅電路則是由兩個(gè)二極管組成，其單向?qū)ㄌ匦钥梢詫㈦妷悍点Q制在±700 mV以內(nèi)。

5 基準(zhǔn)電壓電路

　　對(duì)于ADC的基準(zhǔn)電壓選擇,既可以選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，也可以選擇外部基準(zhǔn)電壓。為了減小電路規(guī)模， 選擇ADS1299內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF=4.5 V。圖6是ADS1299內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的簡(jiǎn)化框圖。

　　圖中基準(zhǔn)電壓是將VREFN與AVSS連接起來并加上限頻電容由AVSS產(chǎn)生的，限頻電容的作用是使基準(zhǔn)電壓的輸入噪聲不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使得頻率帶寬至少限制在10 Hz以內(nèi)。

6 偏置驅(qū)動(dòng)電路

　　通過右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步抑制腦電信號(hào)的共模噪聲。利用ADS1299內(nèi)置的偏置驅(qū)動(dòng)放大器加上很少的元器件就可以設(shè)計(jì)出偏置驅(qū)動(dòng)電路，該電路功能與右腿驅(qū)動(dòng)電路一樣，電路如圖7所示。

　　該電路是由ADS1299內(nèi)置偏置驅(qū)動(dòng)放大器以及外圍的RF、CF、R組成。RF為反饋電阻，電阻Res為限流電阻，通過選取合適的保護(hù)電阻阻值，可以將位移電流限制在安全的范圍內(nèi)(IEC規(guī)定流經(jīng)人體的最大單級(jí)故障電流不得超過50 A)，防止器件對(duì)人體造成電擊的危險(xiǎn)。反饋電容CF的作用是進(jìn)行相位補(bǔ)償，用來防止自激。電極A、B、C分別是采集電極、參考電極、偏置驅(qū)動(dòng)輸出電極。選擇BIAS AMP運(yùn)放的正參考端BIASREF為(AVDD+AVSS)/2即系統(tǒng)地AGND，能夠形成一個(gè)閉環(huán)回路結(jié)構(gòu)。該閉環(huán)回路電路實(shí)際上就是一個(gè)對(duì)消驅(qū)動(dòng)電路，共模信號(hào)Vc通過該反饋電路可以在人體上產(chǎn)生一個(gè)極性相反的共模信號(hào)Vcf，將共模干擾噪聲限制在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，該范圍大小取決于該環(huán)路的增益A：

　　通過選取合適的RF、RCM、CF值，可以使得Vcf=-VC，這樣絕大部分共模干擾信號(hào)可以被抵消掉，從而在輸入端實(shí)現(xiàn)對(duì)共模噪聲信號(hào)的抑制，大大提高了整個(gè)電路的信噪比。

　　EEG信號(hào)采集是一種強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)的采集，這對(duì)于EEG信號(hào)的采集前端電路設(shè)計(jì)提出了很高的技術(shù)要求。本文提出一種使用高性能生理信號(hào)采集芯片ADS1299為核心的可穿戴式腦電采集系統(tǒng)前端。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該采集前端采集精度、采集速度、電氣安全和抗干擾能力都能夠滿足要求。利用ADS1299內(nèi)部集成的各種特有EEG功能可以大幅簡(jiǎn)化采集前端設(shè)計(jì)的電路規(guī)模。為設(shè)計(jì)出新一代的便攜式、低功耗、高性能的實(shí)時(shí)穿戴式腦電采集系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

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