作者 / 冯钊 康泰医学体系(秦皇岛)股份有限公司研制中心(河北 秦皇岛 066004 )
摘要：本文规划了一种脑电信号收集硬件电路，此电路首要由TI公司推出的ADS1299前端模仿芯片和意法半导体推出的ARM单片机构成，ADS1299是针对脑电收集的八通道低噪声、24位ADC芯片，处理了分立式硬件规划中的许多技能难题。此电路具有高精度、体积小、功耗低一级特色，是进步产品功用、下降体系功耗和本钱的抱负挑选。
0 导言
脑电图施行的原理是生物电现象。脑电波(EEG)是大脑在活动时，脑皮质细胞群之间构成电位差，从而在大脑皮质的细胞外发生电流。脑电图记载大脑活动时的电波改变，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮外表的全体反映。脑电信号含有丰厚的大脑活动信息，是生理研讨和临床脑疾病诊断的重要手法。一般的脑电收集是由相对独立的各通道独自进行模仿扩大、滤波、ADC运算，所以形成体积大、一致性差、功耗高级问题，且易引进很多搅扰。顾及到以上问题，本文依据前端收集模仿芯片ADS1299，并运用STM32F103VCT6进行数据处理，完成了高功用、低噪声和低功耗的脑电收集硬件电路的规划。
1 全体规划
脑电信号极端弱小，其首要频段在0.5 Hz～100
Hz，信号幅值规模为5μV～100μV，所以极易遭到其他信号的搅扰，因为人体的分布电容、肌肉活动以及电子元器材受外界电磁环境影响等原因，脑电信号一般都带有多种搅扰信号，如基线漂移、工频搅扰、肌电搅扰等等。因而脑电信号前端收集的模仿电路规划关于全体脑电收集体系尤为重要。
电路的全体原理框图如图1所示，本规划使脑电信号经过低通滤波预处理后，进入ADS1299集成芯片，经过ADS1299集成芯片对信号进行滤波、扩大、模数转化后，再采纳SPI协议传给STM32F103VCT6单片机，单片机对数据进行处理，处理后的数据经过SDIO协议存储到SD卡中，回放数据时经过读卡芯片将SD卡中的数据传输至PC机上，在PC上可进行数据的剖析和处理。
2 模块化规划
2.1 前级维护和滤波电路
为了避免静电引进，形成器材的损害，前级输入端运用响应速度较快、导通电压为200 V、通流量为1000
A的气体放电管。为了消除高频的搅扰，在气体放电管之后添加RC无源低通滤波电路，滤波电路的到频率为16 kHz，阻容挑选为10 KΩ和1
nF，前级的防护电路和滤波电路如图2所示。
2.2 前端工频滤波电路
本规划选用了具有正反应的双T带阻滤波器，原理图如图3下。
传递函数为：
依据产品规范要求，规划应满意：规划的陷波频率为f0=50 Hz，通带电压增益设定在1.2以内，30 Hz处衰减不大于3
dB，并要求阻断的频率规模尽量小。运用带正反应的双T结构，R和C傍边的一个参数能够恣意设定，满意公司现有物料或便利收购。考虑到元件在低频下的抗噪声功用，以及对该超低频陷波器在精度和安稳功用方面的考虑，电阻规划为高精度(<1%)，电容亦规划为高精度(<2%)，相同，也应该选用高安稳性、低噪声的扩大器。
依据以上要求，选定电阻为68 kΩ，电容为47 nF，Rf为1.5 kΩ，R1为10 kΩ，扩大器选用TLC2254，电路图如图4。
R和C首要用于确认陷波的中心频率的值，Rf和R1用于操控陷波器的滤波特性，包含频带宽度和Q值的凹凸。扩大器用与扩大和电压跟从，与输出端组成电压反应电路，免于呈现自激震动。
陷波器的仿真波特图如下，示波器显现此刻的陷波器电路能很好地按捺50 Hz的工频信号，波特图显现陷波器中心频率为50.099 Hz，与理论值49.798
Hz相差0.301 Hz，觉得差错0.0060%，理论与仿真近似持平，由此阐明本次规划的滤波器为窄带滤波器，有很高的Q值，能精确地对拟定频率进行滤除。
本规划的50
Hz陷波器的首要功用电路是有增益为1的扩大器和RC双T网络以及决议电路Q值的正铺开网络组成，电路具有很好的陷波深度和很高的Q值，满意规划需求，为后级收集纯洁的脑电波形有力保证。
2.3 模仿芯片ADS1299电路
依据人体脑电信号的特色，需前端模仿信号收集有高输入阻抗和共模按捺才能、较高的采样精度和低噪声。因而选用TI公司推出了ADS1299芯片，该芯片具有可编程增益扩大器、24位ADC、内部基准以及板载振荡器，满意脑电收集运用所需的悉数常用功用。其内部原理框图如图6所示。首要特色为：8通道低噪声PGA、24位高精度ADC。1.0
μVPP的极低输入参阅噪声、功耗仅为5 mW/通道、CMRR为-110 dB等。
本规划运用一片ADS1299，收集8通道脑电信号，规划时将人体头部电极(FP1、FP2、C3、C4、O1、O2、T3、T4)和耳电极(A1和A2)所收集的信号经维护和滤波电路后别离与ADS1299的IN1P～IN8P和IN1N～IN8N相连接。ADS1299内部集成了驱动电路，本规划选取额电极的驱动，将额电极A与RLDOUT相连，额电极A经维护和滤波电路后与RLDINV相连。ADS1299芯片与单片机选用SPI通讯方法。原理图如图7所示。
ADS1299最大的优势是超低噪声，输入的参阅噪声仅为1 μVPP(带宽为70
Hz)，比较TI公司同类型产品ADS1298和分立器材建立的电路有着较大的优势。ADS1298的噪声只能做到3 μVPP，而分立器材建立的电路的噪声只能到5
μVPP。
2.4 数据的处理及存储电路
本规划选用STM32F103VCT6单片机作为MCU，此单片机具有高功用和丰厚的外设功用。MCU选用SPI接口与ADS1299进行通讯，将得到的原始数据进行工频滤波处理，消除因工频发生的搅扰。后将处理过的数据经过SDIO协议存储到SD卡中，以便后期运用PC机进行剖析和处理。本规划运用两片TS3V340PWR和一片GL823完成SD卡与单片机或USB的挑选通讯，原理图如图8所示。经过GL823芯片，将SD卡中的数据转USB协议上传至PC机，这样就能够在PC机上对脑电信号进行剖析及处理，输出频谱及地形图，发现病况，断定病况，为脑疾病争取时间，对症下药。
2.5 电源办理电路
本规划运用3.7 V锂电池供电，整个电源电路可提供+3.3 V和5 V两个电源，3.3
V供应单片机和SD卡电路，5V供应ADS1299收集芯片。先将电池电源分为两路，其一从3.7 V升压至5.5 V，后运用5V的LDO得到安稳的5
V电压，供ADS1299运用;另一路直接选用MCP1603T-330降压至3.3 V，为单片机和SD卡供电。原理图如图9所示。
3 测验成果
室内测验，常温常压环境下，被测验人天然放松，选用世界通用10-20导联发进行佩带，收集得到各通道数据波形如图10所示。
4 结束语
本文依据ADS1299芯片规划的脑电信号收集电路，能对脑电信号进行高精度、低噪声的收集和数字处理，不只简化了前期分立元器材很多的电路，并且进步其功用及可靠性，便利有用，合适8导及以上悉数脑电信号收集需求，对脑电信号的研讨与脑电相关医疗器械的研制具有较大的含义。
参阅文献：
[1]TI,ADS1299Datasheet[OL].[2012-08].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1299.pdf.
[2]STM32F103VCT6Datasheet.https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103vc.pdf
[3]孙广金.依据ADS1299的新式脑电收集体系规划【J】《科技信息》：2014年1期
[4]余学飞，现代医学电子仪器与规划，华南理工大学出版社：第2版
本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第52页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
