基于ADS1298與FPGA的高性能腦電信號采集系統

　　本文利用ADS1298芯片的高精度，以FPGA為主控制芯片，通過將工頻陷波、帶通濾波等模擬部分轉移到數字側，在保證性能的前提下簡化腦電信號放大與調理的模擬電路，實現便攜式腦電信號的采集。

　　0 引言

　　腦電信號(EEG)是一種典型的生物電信號，是大腦皮層腦神經細胞電活動的總體反映，其中包含了大量的生理和病理信息，是臨床檢測的重要生理參數之一，也是認知科學、腦機接口和警覺度等領域研究的重要手段。由于傳統腦電信號采集設備都比較龐大，不便于腦電信號的適時獲取，因此研究便攜式腦電信號采集設備具有重要意義。

　　腦電信號采集系統主要包括信號放大與調理、模數轉換、信號處理與傳輸等。由于人體的阻抗高且變化大，腦電信號又很微弱，外部環境的干擾很大，因此腦電信號采集系統的放大與調理電路比較復雜，通常要包括高輸入阻抗和高共模抑制比的前級放大、帶通濾波、工頻陷波、多級放大等，導致體積大功耗高。模數轉換的精度和速率也決定了腦電信號采集系統的性能，采用10位的模數轉換芯片，或者采用ADI公司最高采樣率1.25 MBPS的12位AD1671芯片，或者采用16位模/數轉換芯片。采用單片機、ARM和DSP作為控制器件的系統中，一般只能完成數據采集和處理較為單一的功能，其中以DSP的數據處理能力最強。相比之下，采用FPGA 作為主控芯片通過硬件描述語言編程可以靈活地進行配置，實現對多通道數據的并行處理，同時能將多個功能在單芯片上實現，基于FGPA和ADS1258設計了集成有視覺、聽覺和體感刺激信號源與16通道腦電信號采集功能的誘發電位儀。腦電信號傳輸的手段以PCI總線、USB等有線方式為主，無線方式傳輸速率較低，但更易于便攜式設計，因此可以針對特定的應用。

　　ADS1298是TI公司近年推出的一款針對心電和腦電信號采集的24位專用模數轉換芯片，本文利用該芯片的高精度，以FPGA為主控制芯片，通過將工頻陷波、帶通濾波等模擬部分轉移到數字側，在保證性能的前提下簡化腦電信號放大與調理的模擬電路，實現便攜式腦電信號的采集。

　　1 系統結構

　　本文提出的腦電信號采集系統包括信號采集、模數轉換和數據傳輸三個部分。腦電信號采集系統的總體框圖如圖1所示。

　　預處理電路包含RC低通濾波和過壓保護電路，對腦電極采集到的信號進行低通濾波和過壓保護后直接送入到ADS1298模數轉換器中進行模/數轉換。右腿驅動電路主要是用來抑制共模干擾，由ADS1298 內部的RLD電路以及外部的電容電阻構成的反向放大濾波電路組成。

　　系統采用FPGA作為主控制芯片，利用硬件描述性語言來編寫配置I/O 口成通用串行SPI接口，與高精度多通道的模數轉換芯片ADS1298 的SPI 接口相連實現通信，從而控制ADS1298 將腦電極采集到的模擬信號轉換為數字信號，經過濾波陷波處理后存儲在SDRAM中，作為采集數據的緩沖部分，以便為后續的傳輸模塊做準備。

　　數據傳輸模塊主要是采用FPGA配置I/O口作為以太網接口芯片DM9000A的控制接口，并與DM9000A的控制接口串聯，實現其邏輯控制;采用UDP 協議將從SDRAM中讀取的數據打包，通過RJ45網絡接口，傳輸到上位機。8個通道1 kHz的采樣率，理論上需要192 Kb/s的傳輸速率，以太網口10/100M的傳輸速率完全能滿足需要。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 腦電信號采集預處理電路

　　人體自發的腦電信號的幅值很小，一般為5~100 μV，而誘發腦電信號的幅值更小，只為2 μV左右。

　　TI的ADS1298是24位、8通道差分輸入模/數轉換芯片，最大共模抑制比可達115 dB，直流輸入阻抗1 GΩ，在內部增益設置為12 倍和參考電壓VREF =2.4 V 的條件下，信號分辨率為：

　　因此，將腦電信號不經過放大和調理直接經過簡單的低通濾波后進行模數轉換仍可以滿足需要，故預處理電路設計如圖2所示，其頻率響應函數為：