基于ADS 1的脑电信号采集硬件设计。 2。ninet

2019-03-13 11:02 佚名

作者 /冯兆康泰医疗系统(秦皇岛)公司研发中心。有限公司。 (河北秦皇岛066004 )

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摘要 本文设计了一种 脑电图信号 采集硬件电路,主要由TI公司推出的ADS1299前端模拟芯片和意法半导体公司推出的ARM单片机组成。 ADS1299是一款用于EEG采集的8通道低噪声24位ADC芯片,它解决了离散硬件设计中的许多技术问题。该电路具有精度高、体积小、功耗低等特点。这是提高产品性能、降低系统功耗和成本的理想选择。

介绍

   脑电图的原理是生物电现象。脑电图( EEG )是大脑活跃时大脑皮层细胞群之间形成的电位差,因此在大脑皮层细胞外产生电流。脑电图记录大脑活动期间的电波变化,这是大脑皮层或头皮表面脑神经细胞电生理活动的总体反映。 脑电图信号 它包含丰富的大脑活动信息,是脑部疾病生理研究和临床诊断的重要手段。一般来说,EEG采集是通过相对独立的通道独立的模拟放大、滤波和ADC操作来实现的,这导致体积大、一致性差、功耗高等问题,并且容易引入大量干扰。考虑到上述问题,本文以前端采集模拟芯片ADS1299为基础,采用STM32F103VCT6进行数据处理,实现了高性能、低噪声和低功耗 低功耗 基于DSP的脑电采集硬件电路设计。

1总体设计

   脑电图信号 它非常弱,主频带为0。5Hz ~ 100 Hz,信号幅度范围为5 μ v ~ 100 μ v,因此极易受到其他信号的干扰。由于人体的分布电容、肌肉活动以及外部电磁环境对电子元件的影响,EEG信号通常携带多种干扰信号,如基线漂移、工频干扰、肌电图干扰等。因此,EEG前端采集的模拟电路设计对整个EEG采集系统尤为重要。

   该电路的总体原理框图如图1所示。1。在本设计中,EEG信号经过低通滤波预处理,然后进入ADS1299集成芯片。通过ADS1299集成芯片对信号进行滤波、放大和模数转换后,采用SPI协议将信号传输到STM32F103VCT6单片机。单芯片处理数据。处理后的数据通过SDIO协议存储在SD卡中。回放数据时,SD卡中的数据通过读卡芯片传输给PC,PC上可以进行数据分析和处理。

2模块化设计

  2 。1前置级保护和滤波电路

   为了防止静电的引入和对器件的损坏,前一级的输入端具有快速响应速度、200 V的导通电压和1000的通量 气体放电管。为了消除高频干扰,在气体放电管之后增加了RC无源低通滤波电路。滤波器电路的截止频率为16 kHz,电阻电容选择为10kω和1 NF,前级的保护电路和滤波电路如图所示。2。

  2。2前端工频滤波电路

   该设计采用带正反馈的双T带阻滤波器,示意图如图3所示。

   传递函数为:

基于ADS1299公式1.jpg

基于ADS1299公式2.jpg

   根据产品标准的要求,设计应满足以下要求:设计陷波频率为f0 =50 Hz,通带电压增益设置为1。在2内,30 Hz的衰减不超过3 DB,并且要求尽可能小地阻塞频率范围。使用具有正反馈的双T结构,可以任意设置参数R和C之一,以满足公司现有材料或便于采购。考虑到部件在低频下的抗噪声性能以及超低频陷波滤波器的精度和稳定性,电阻器被设计成具有高精度(< 1%) and the capacitor is also designed to be of high accuracy (< 2%)。similarly, amplifiers with high 标准时间ability and low noise should also be used。

   基于上述要求,所选电阻为68Kω,电容为47 nF,Rf为1.5kω,R1为10kω,放大器为TLC2254,电路图如图。4 。

   R和C主要用于确定陷波中心频率的值。Rf和R1用于控制陷波滤波器的滤波特性,包括频带宽度和Q值。放大器形成具有放大和电压跟随的电压反馈电路,输出端避免自激振荡。

   陷阱的模拟博德图如下。示波器显示,此时陷波电路可以很好地抑制50 Hz工频信号。波德图显示陷阱的中心频率为50。099赫兹,理论值为49 。798 赫兹差0。301 Hz,感知误差为0。0060 %,这近似等于理论和仿真,从而表明所设计的滤波器是一个高Q值的窄带滤波器,能够准确滤除设定频率。

   50岁 Hz陷波器的主要功能电路由增益为1的放大器、RC双T网络和确定电路Q值的正释放网络组成。该电路具有良好的陷阱深度和高Q值,满足设计要求,为后续阶段收集纯脑电波形状提供了有力保障。

  2。3模拟芯片ADS1299电路

   根据人体EEG信号的特点,前端模拟信号采集要求具有高输入阻抗和共模抑制能力、高采样精度和低噪声。因此,TI公司推出了ADS1299芯片,该芯片具有可编程增益放大器、24位ADC、内部基准电压源和车载振荡器,以满足EEG采集应用所需的所有常见功能。内部原理框图如图所示。6。主要特点是: 8通道低噪声PGA,24位高精度ADC。1.0 μVPP具有非常低的输入参考噪声,功耗仅为5 mW/通道,CMRR为-110 dB,等等。

   在本设计中,ADS1299用于采集8路EEG信号。在设计中,人类头部电极( FP1、FP2、C3、C4、O1、O2、T3、T4 )和耳朵电极( A1和A2 )采集的信号经过保护和滤波电路后分别与ADS1299的IN1P~IN8P和IN1N~IN8N连接。ADS1299内部集成有驱动电路。在该设计中,选择前电极的驱动器将前电极A与RLDOUT连接,前电极A通过保护和滤波电路与RLDINV连接。ADS1299芯片和单片机采用SPI通信方式。示意图如图1所示。7。。

   ADS1299具有超低噪声的最大优势。输入参考噪声仅为1 μVPP (带宽为70 与TI的同类产品ADS1298和由分立器件构建的电路相比,Hz具有更大的优势。ADS1298的噪声只能达到3 μVPP,而由分立器件构成的电路的噪声只能达到5μVPP μVPP。

  2。4数据处理和存储电路

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   本设计选用STM32F103VCT6微控制器作为MCU,具有高性能和丰富的外围功能。MCU使用SPI接口与ADS1299通信,并对获得的原始数据进行工频滤波,以消除工频干扰。之后,处理后的数据通过SDIO协议存储在SD卡中,供PC进行后续分析和处理。本设计使用两个TS3V340PWR和一个GL823来实现SD卡和MCU或USB之间的选择性通信。该示意图如图1所示。8。通过GL823芯片,SD卡中的数据被传输到USB协议,并上传到PC,以便在PC上分析和处理EEG信号,输出频谱和地形图,发现疾病状况,确定疾病状况,为脑部疾病争取时间,并提供正确的治疗。

  2。5电源管理电路

   此设计使用3。7 V锂电池供电,整个供电电路可以提供+ 3。3伏和5伏用品,3.3 V至单片机和SD卡电路,5V至ADS1299采集芯片。首先,电池电源分为两路,其中一路来自3路。7伏升至5伏。5V,然后使用5 V LDO来获得稳定的5 ADS1299的电压;另一方面,MCP1603T-330直接用于将血压降低到3。3伏用于单片机和SD卡。示意图如图1所示。9。

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3测试结果

   室内测试:在常温常压环境下,受试者自然放松,并使用国际通用的10 - 20导向传输仪佩戴。每个通道的收集数据波形如图所示。10。

结论

   本文设计的基于ADS1299芯片的脑电信号采集电路能够对脑电信号进行高精度、低噪声的采集和数字处理。它不仅简化了早期分立元件的大量电路,而且提高了其性能和可靠性。它方便实用。它适用于8导联及以上的所有EEG信号采集要求。这对于脑电信号的研究以及与脑电信号相关的医疗设备的研发具有重要意义。

   参考资料:

  [1]TI,ADS 1299蓝冠平台主管数据表[OL]。[ 2012 - 08 ]。http : / /焦点。全音阶的第七音。通讯器。cn / cn / lit / ds /符号链接/ads1299。pdf格式。

  [ 2 ]STM32F 103 VCT6数据表。https : / / www。st。com /资源/ en /数据表/stm32f103vc。pdf格式

  [ 3 ]孙广金。基于ADS1299[ J的新型脑电采集系统的设计。科学和技术信息: 2014年第1期

  [ 4 ]俞薛飞,现代医疗电子仪器与设计,华南理工大学出版社:第二版

   这篇文章来自第52页,不。2018年12月,电子产品世界。欢迎你在写论文时引用它,并指出它的出处。