ADS1298模擬前端的便攜式生理信號(hào)采集系統(tǒng)
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摘要:介紹了一種便攜式多功能生理信號(hào)采集裝置,用戶通過簡單設(shè)置及選擇相應(yīng)電極,可分別進(jìn)行腦電和心電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。它具有精度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)。該系統(tǒng)下位機(jī)主要由ST公司的STM32單片機(jī)STM32F103和TI公司的ADS1298模擬前端IC構(gòu)成,省去了大量的外圍電路。下位機(jī)通過USB2.0協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)USB驅(qū)動(dòng)由NI-VISA實(shí)現(xiàn),軟件用LabVIEW開發(fā)。
關(guān)鍵詞:生理電信號(hào);24位ADC;USB;LabVIEW
引言
生理電信號(hào)在醫(yī)療診斷和科學(xué)研究方面有著重要的意義。目前,生理電信號(hào)采集裝置通常針對(duì)某種特定的信號(hào)設(shè)計(jì),如腦電圖機(jī)、心電圖機(jī)等。通常精度高的儀器,由于各個(gè)通道均需要獨(dú)立的模擬放大、濾波等模塊,故其體積往往較大,限制了儀器的應(yīng)用環(huán)境。而腦電的幅頻特性“0.001~0.1 mV、0.5~40 Hz”與心電的幅頻特性“1~5 mV、0.05~100 Hz”具有相似性。本文運(yùn)用24位ADC技術(shù),直接采集生理電信號(hào),進(jìn)行數(shù)字濾波和放大,設(shè)計(jì)一種能通過簡單配置,能分別采集腦電和心電的生理信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有可復(fù)用、便攜、功耗低等特點(diǎn),為生理信號(hào)的采集提供一種新方案。
1 總體設(shè)計(jì)
考慮到整個(gè)系統(tǒng)的精度、體積、成本以及電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),提出以下設(shè)計(jì)方案。為減小系統(tǒng)體積,提升精度,系統(tǒng)利用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片和低數(shù)值基準(zhǔn)電壓源,得到高分辨率的數(shù)字信號(hào)(μV/bit級(jí)),傳送至單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)具體的應(yīng)用(腦電或心電)配置A/D芯片,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)。由于數(shù)據(jù)量較大,系統(tǒng)上/下位機(jī)之間采用USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為防止人體觸電、減少信號(hào)干擾,USB數(shù)據(jù)鏈路采用ADuM4160芯片進(jìn)行隔離。上位機(jī)采用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)USB驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理和界面的設(shè)計(jì)。圖1為系統(tǒng)的原理框圖。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 預(yù)處理電路
圖2為預(yù)處理部分電路。該部分由二階無源低通濾波和限幅電路組成,起到消除高頻干擾和過壓保護(hù)的作用。其中,低通截止頻率為30 kHz,可通過電壓幅值范圍為±700mV。
2.2 基準(zhǔn)電平
雖然ADS1298中集成了精度為0.2%的2.4V和4.0 V的基準(zhǔn)電平,但為了減小前端放大器的放大倍數(shù),本設(shè)計(jì)中的ADC部分采用REF3112提供的1.25 V(0.2%)作為基準(zhǔn)電平。該電平通過OPA211組成的電壓跟隨器進(jìn)一步穩(wěn)定,輸入至ADS1298的VREF。
2.3 模擬前端ADS1298
本系統(tǒng)的模擬前端采用TI公司的ADS1298芯片。其內(nèi)部原理框圖如圖3所示。
ADS1298主要特性為:
①8通道24位ADC轉(zhuǎn)換芯片,其采樣頻率可工作在250sps~32ksps。
②各通道含可編程放大器,其放大倍數(shù)在1~12倍可調(diào);CMRR>100 dB時(shí),輸入阻抗約為10MΩ。
③內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)放大器和威爾遜中心電端。
根據(jù)心電模式或腦電模式的具體應(yīng)用,通過單片機(jī)配置多路選擇器(MUX)內(nèi)部各個(gè)輸入端(INPUTS、RLD)的通斷,可編程放大器(A1~A8)的放大倍數(shù)和AD轉(zhuǎn)換器(ADC1~ADC8)的采樣頻率。當(dāng)芯片完成一次轉(zhuǎn)換,Data Ready引腳變?yōu)榈碗娖?,通知MCU通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)。
2.4 MCU控制部分
選用STM32F103芯片作為系統(tǒng)的MCU。該芯片具有高性能(72 MHz工作頻率、具有單周期乘法指令和硬件除法指令),低功耗(0.19 mW/ MHz)和豐富外設(shè)(SPI及USB等)等特點(diǎn)。對(duì)于模擬前端ADS1298,MCU作為主機(jī),采用SPI協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電時(shí),設(shè)置ADS1298的相應(yīng)寄存器;在檢測到ADS1298的Data Ready信號(hào)后,讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于上位機(jī),MCU作為從機(jī),采用USB協(xié)議和上位機(jī)進(jìn)行通信。MCU在連接上位機(jī)時(shí),完成USB枚舉等初始化動(dòng)作;當(dāng)接收到ADS1298的數(shù)據(jù)后,打包成USB數(shù)據(jù)包,傳送給上位機(jī)。
2.5 USB隔離
為保護(hù)人體安全,本設(shè)計(jì)中采用ADuM4160芯片進(jìn)行上下位機(jī)隔離,下位機(jī)采用電池供電。ADuM4160芯片是ADI公司推出的專用USB隔離芯片,具有透明、易于配置、兼容USB2.0協(xié)議、可隔離5 000 V電壓等優(yōu)點(diǎn)。圖4為USB隔離部分框圖。芯片左側(cè)VBUS1、DD+、DD-和GND1分別連接上位機(jī)的5 V、USB正端、USB負(fù)端和地線;芯片右側(cè)VBUS2、DD+、DD-和PIN分別連接MCU的電源、USB正端(PA12口)、USB負(fù)端(PA11口)、I /O口(PA10口),其中PIN為使能端。
2.6 電源部分
本系統(tǒng)需要3路電源供電:數(shù)字部分供電電壓3.3 V、模擬正端供電電壓3 V、模擬負(fù)端供電電壓-3 V。其中,3.3 V由AMS1117-3.3芯片從電池電壓轉(zhuǎn)換得到,3V由TPS73230芯片從電池芯片轉(zhuǎn)換得到,-3V由TPS60403芯片從3V電壓轉(zhuǎn)換得到。
3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
3.1 USB驅(qū)動(dòng)部分
采用LabVIEW的NI-VISA子程序控件來實(shí)現(xiàn)USB驅(qū)動(dòng)。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)。運(yùn)用該API,可使用NI-VISA方便地實(shí)現(xiàn)USB的讀寫功能。
基于NI-VISA的USB驅(qū)動(dòng)配置過程如下:
①使用驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)向?qū)?Driver Development Wizard,DDW)創(chuàng)建INF文檔。安裝NI-VISA軟件(3.0或后續(xù)版本),打開DDW,選擇USB,在相應(yīng)欄里面填入U(xiǎn)SB設(shè)備的VID、PIE)、制造商名稱和型號(hào)名稱,最后點(diǎn)擊“完成”按鈕即可生成*.INF驅(qū)動(dòng)文件。
②安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備。將*.INF文件復(fù)制到系統(tǒng)盤的Windows文件夾下,在右鍵菜單中點(diǎn)擊安裝即可。當(dāng)PC機(jī)檢測到本系統(tǒng)的下位機(jī)接入后,會(huì)根據(jù)INF配置文件加載NI-VISA作為底層驅(qū)動(dòng)。
3.2 軟件編程部分
在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中,使用“VISA打開”模塊打開USB設(shè)備,在“VISA啟用事件”模塊中使能USB中斷,在“VISA等待事件”模塊中設(shè)置超時(shí)時(shí)間。設(shè)置完成后,可在“VISA獲取USB中斷數(shù)據(jù)”模塊中得到USB數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)USB通信的LabVIEW代碼如圖5所示。
LabVIEW開發(fā)環(huán)境中,集成了多種信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存函數(shù),可方便地對(duì)USB中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)心電應(yīng)用中,帶通頻率設(shè)置為0.5~50 Hz、50~100Hz;腦電應(yīng)用中,帶通頻率設(shè)置為0.5~40Hz。經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)一方面在“Waveformcharts” 中顯示,另一方面應(yīng)用“Open/Create/Replace File”函數(shù)和“Write To Spreadsheet File”函數(shù)保存至硬盤,供后續(xù)分析。
4 測試結(jié)果
在室內(nèi)常溫環(huán)境下,被測人體的身體自然放松,大腦清醒;系統(tǒng)下位機(jī)由電池供電,分別進(jìn)行心電和腦電采集,采樣頻率為1 kHz,心電測試圖和腦電測試圖如圖6、圖7所示。
心電測試中,偵測電極位于鎖骨中線和第五肋間的交點(diǎn),參考地位于右邊腋中線;腦電測試中,偵測電極位于10~20電極放置法的FP1點(diǎn)位,參考地位于右耳根部。
結(jié)語
生理電信號(hào)大多具有信號(hào)內(nèi)阻高、幅度低的特點(diǎn),往往淹沒在環(huán)境噪聲當(dāng)中。本文基于24位ADC技術(shù)的采集系統(tǒng),能夠?qū)δM信號(hào)進(jìn)行高分辨率采樣,對(duì)轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、放大處理。一方面,簡化了硬件電路;另一方面,由于數(shù)字濾波器的參數(shù)可通過軟件方式方便的調(diào)節(jié),故可實(shí)現(xiàn)儀器復(fù)用,采集多種生理電信號(hào)。
對(duì)樣機(jī)的測試表明,系統(tǒng)能夠正常工作,適用于腦電、心電的采集。