基于ADS1298與WiFi的腦電信號采集與傳輸系統設計

摘要：為了實現對人體腦電信號的實時采集，設計了一種基于ADS1298與WiFi的無線腦電信號采集與傳輸系統。該系統主要由ADS1298信號采集模塊、MSP430主控制模塊、GS1011處理發送模塊3部分組成。ADS1298對腦電信號進行24位高精度的模／數轉換，并通過SPI發送給MSP430進行分析處理，最后發送至GS1011進行打包，并由WiFi發送給遠方的控制臺。在提高腦電信號采集精度的同時，又運用成熟的WiFi無線傳輸技術，提高了傳輸速率和傳輸距離。該系統還具有體積小、便攜、超低功耗等特點。
關鍵詞：腦電信號；信號采集；無線傳輸；WiFi

0 引言
腦電信號(EEG)是由腦神經活動產生的一種電活動，含有豐富的大腦活動信息，廣泛應用于人的醫學病理診斷，尤其近年來在疲勞駕駛實時檢測、腦機接口(BCI)等領域的研究引起了越來越多的國內外學者的關注。目前商用的腦電信號采集設備雖然功能豐富，但是體積和功耗等一般比較大，而且數據傳輸大多采用有線方式，不便用于采集條件和環境經常變化的場合。因此，便攜式無線腦電采集與傳輸系統成為一種研究熱點。由于腦電信號非常微弱，而且多通道的腦電波形數據量一般比較大，因此要求便攜式無線腦電信號采集與傳輸系統既要有很高的信號分辨靈敏度，又要有較高的數據傳輸速度，而且功耗高低也是制約其應用的重要指標。目前提高腦電信號分辨靈敏度的技術方案主要有
2種：采用精密放大濾波電路提高信號增益并抑制外界干擾，如文獻中采用三級放大電路、低通濾波器、高通濾波器和50 Hz雙T工頻濾波器對腦電信號進行預處理，但是系統的功耗與體積均較大；采用高分辨率A／D轉換器，以降低對預處理電路的要求，如文獻中采用高精度的ADS12 58轉換器對腦電信號進行模／數轉換。在無線數據傳輸方面，文獻中采用無線收發模塊CC2500，但其兼容性不強；文獻中采用無線收發器ADF 7020，但其為低IFISM頻段收發器，適用于無線遙感技術；文獻中采用藍牙模塊，但其通信速率較低，且傳輸距離較短。
本文設計的腦電信號采集與傳輸系統，在采用TI公司的一款高精度、低功耗、低噪聲的8通道24位模／數轉換器ADS1298直接對腦電信號進行放大及模／數轉換的同時，又采用Gain Span公司的超低功耗無線芯片GS1011對腦電信號進行遠距離WiFi無線傳輸，不僅減小了系統的體積，還能最大限度的降低功耗。

1 系統技術指標及硬件設計
1．1 系統技術指標
腦電信號是一種非常微弱的生理信號，其幅度一般為0．001～0．1 mV，頻率一般為0．5～40 Hz，被電極引出時還會帶有很多的噪聲，如肌電干擾、50 Hz工頻干擾等。所以要求系統具有高共模抑制比、高輸入阻抗，還能抑制工頻信號。
本系統的技術指標如下所示：
(1)采樣通道數目：8通道差分輸入；
(2)每通道A／D轉換速率：8 KSPS；
(3)ADC分辨率：24 b；
(4)傳輸速度>1 Mb／s。
1．2 系統結構
從本質上講，本文設計的腦電信號無線采集與傳輸系統是一個網絡化的分布式嵌入式系統。該系統主要是由MSP430主控制模塊、GS1011處理發送模塊、ADS1298信號采集模塊3部分組成，其體系結構如圖1所示。

從上圖可以看出，MSP430主控制模塊負責整個信號采集與傳輸系統的運行與操作，并且存儲和處理接收到的數據；信號采集模塊負責實現腦電信號的濾波及模／數轉換；GS1011處理發送模塊負責對數字化的腦電信號進行打包處理，并選擇相應的網絡傳輸協議，將數據包發送給附近的AP，再由AP發送給控制臺進行分析處理。