ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统

摘要：介绍了一种便携式多功能生理信号采集装置，用户通过简单设置及选择相应电极，可分别进行脑电和心电数据的实时采集，并能对数据进行显示和存储。它具有精度高、体积小、功耗低等特点。该系统下位机主要由ST公司的STM32单片机STM32F103和TI公司的ADS1298模拟前端IC构成，省去了大量的外围电路。下位机通过USB2．0协议与上位机进行数据传输。上位机USB驱动由NI-VISA实现，软件用LabVIEW开发。
关键词：生理电信号；24位ADC；USB；LabVIEW

引言
    生理电信号在医疗诊断和科学研究方面有着重要的意义。目前，生理电信号采集装置通常针对某种特定的信号设计，如脑电图机、心电图机等。通常精度高的仪器，由于各个通道均需要独立的模拟放大、滤波等模块，故其体积往往较大，限制了仪器的应用环境。而脑电的幅频特性“0．001～0．1 mV、0．5～40 Hz”与心电的幅频特性“1～5 mV、0．05～100 Hz”具有相似性。本文运用24位ADC技术，直接采集生理电信号，进行数字滤波和放大，设计一种能通过简单配置，能分别采集脑电和心电的生理信号采集系统。该系统具有可复用、便携、功耗低等特点，为生理信号的采集提供一种新方案。

1 总体设计
    考虑到整个系统的精度、体积、成本以及电子技术的发展趋势，提出以下设计方案。为减小系统体积，提升精度，系统利用24位A／D转换芯片和低数值基准电压源，得到高分辨率的数字信号(μV／bit级)，传送至单片机。单片机根据具体的应用(脑电或心电)配置A／D芯片，并进行数据的采集、存储。由于数据量较大，系统上／下位机之间采用USB协议进行数据传输。为防止人体触电、减少信号干扰，USB数据链路采用ADuM4160芯片进行隔离。上位机采用LabVIEW软件实现USB驱动、数据处理和界面的设计。图1为系统的原理框图。

2 硬件设计
2．1 预处理电路
    图2为预处理部分电路。该部分由二阶无源低通滤波和限幅电路组成，起到消除高频干扰和过压保护的作用。其中，低通截止频率为30 kHz，可通过电压幅值范围为±700mV。

2．2 基准电平
    虽然ADS1298中集成了精度为0．2％的2．4V和4．0 V的基准电平，但为了减小前端放大器的放大倍数，本设计中的ADC部分采用REF3112提供的1．25 V(0．2％)作为基准电平。该电平通过OPA211组成的电压跟随器进一步稳定，输入至ADS1298的VREF。
2．3 模拟前端ADS1298
    本系统的模拟前端采用TI公司的ADS1298芯片。其内部原理框图如图3所示。

    ADS1298主要特性为：
    ①8通道24位ADC转换芯片，其采样频率可工作在250sps～32ksps。
    ②各通道含可编程放大器，其放大倍数在1～12倍可调；CMRR>100 dB时，输入阻抗约为10MΩ。
    ③内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端。
    根据心电模式或脑电模式的具体应用，通过单片机配置多路选择器(MUX)内部各个输入端(INPUTS、RLD)的通断，可编程放大器(A1～A8)的放大倍数和AD转换器(ADC1～ADC8)的采样频率。当芯片完成一次转换，Data Ready引脚变为低电平，通知MCU通过SPI总线读取数据。
2．4 MCU控制部分
    选用STM32F103芯片作为系统的MCU。该芯片具有高性能(72 MHz工作频率、具有单周期乘法指令和硬件除法指令)，低功耗(0．19 mW／  MHz)和丰富外设(SPI及USB等)等特点。对于模拟前端ADS1298，MCU作为主机，采用SPI协议进行通信。系统上电时，设置ADS1298的相应寄存器；在检测到ADS1298的Data Ready信号后，读取ADC的转换结果。对于上位机，MCU作为从机，采用USB协议和上位机进行通信。MCU在连接上位机时，完成USB枚举等初始化动作；当接收到ADS1298的数据后，打包成USB数据包，传送给上位机。
2．5 USB隔离
    为保护人体安全，本设计中采用ADuM4160芯片进行上下位机隔离，下位机采用电池供电。ADuM4160芯片是ADI公司推出的专用USB隔离芯片，具有透明、易于配置、兼容USB2．0协议、可隔离5 000 V电压等优点。图4为USB隔离部分框图。芯片左侧VBUS1、DD+、DD-和GND1分别连接上位机的5 V、USB正端、USB负端和地线；芯片右侧VBUS2、DD+、DD-和PIN分别连接MCU的电源、USB正端(PA12口)、USB负端(PA11口)、I ／O口(PA10口)，其中PIN为使能端。

2．6 电源部分
    本系统需要3路电源供电：数字部分供电电压3．3 V、模拟正端供电电压3 V、模拟负端供电电压-3 V。其中，3．3 V由AMS1117-3．3芯片从电池电压转换得到，3V由TPS73230芯片从电池芯片转换得到，-3V由TPS60403芯片从3V电压转换得到。

3 上位机程序设计
3．1 USB驱动部分
    采用LabVIEW的NI-VISA子程序控件来实现USB驱动。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一个用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口(API)。运用该API，可使用NI-VISA方便地实现USB的读写功能。
    基于NI-VISA的USB驱动配置过程如下：
    ①使用驱动程序开发向导(Driver Development Wizard，DDW)创建INF文档。安装NI-VISA软件(3．0或后续版本)，打开DDW，选择USB，在相应栏里面填入USB设备的VID、PIE)、制造商名称和型号名称，最后点击“完成”按钮即可生成*．INF驱动文件。
    ②安装INF文档，并安装使用INF文档的USB设备。将*．INF文件复制到系统盘的Windows文件夹下，在右键菜单中点击安装即可。当PC机检测到本系统的下位机接入后，会根据INF配置文件加载NI-VISA作为底层驱动。
3．2 软件编程部分
    在LabVIEW开发环境中，使用“VISA打开”模块打开USB设备，在“VISA启用事件”模块中使能USB中断，在“VISA等待事件”模块中设置超时时间。设置完成后，可在“VISA获取USB中断数据”模块中得到USB数据。实现USB通信的LabVIEW代码如图5所示。

    LabVIEW开发环境中，集成了多种信号处理模块、数据显示模块和数据保存函数，可方便地对USB中得到的数据进行处理。本设计心电应用中，带通频率设置为0．5～50 Hz、50～100Hz；脑电应用中，带通频率设置为0．5～40Hz。经过滤波的数据一方面在“Waveformcharts”  中显示，另一方面应用“Open／Create／Replace File”函数和“Write To Spreadsheet File”函数保存至硬盘，供后续分析。

4 测试结果
    在室内常温环境下，被测人体的身体自然放松，大脑清醒；系统下位机由电池供电，分别进行心电和脑电采集，采样频率为1 kHz，心电测试图和脑电测试图如图6、图7所示。

    心电测试中，侦测电极位于锁骨中线和第五肋间的交点，参考地位于右边腋中线；脑电测试中，侦测电极位于10～20电极放置法的FP1点位，参考地位于右耳根部。

结语
    生理电信号大多具有信号内阻高、幅度低的特点，往往淹没在环境噪声当中。本文基于24位ADC技术的采集系统，能够对模拟信号进行高分辨率采样，对转化后的数字信号进行数字滤波、放大处理。一方面，简化了硬件电路；另一方面，由于数字滤波器的参数可通过软件方式方便的调节，故可实现仪器复用，采集多种生理电信号。
    对样机的测试表明，系统能够正常工作，适用于脑电、心电的采集。