logo
当前位置:首 页 > 硬件技术 > 查看文章

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。

来源:http://www.21ic.com/app/computer/201202/107233.htm

一个有大大梦想但是没有支撑这梦想的技术的攻城狮,大家就当这个博客是你的技术工具箱吧,我会吧我工作中遇到的问题贴在这,大家需要的记得把我放到收藏夹哦! 百度输入“子傲代码”就可以了

—— 陈子傲

admin
你可能也喜欢Related Posts
众说纷纭Comments
大眼 可爱 大笑 坏笑 害羞 发怒 折磨 快哭了 大哭 白眼 晕 流汗 困 腼腆 惊讶 憨笑 色 得意 骷髅 囧 睡觉 眨眼 亲亲 疑问 闭嘴 难过 淡定 抗议 鄙视 猪头
小提示:直接粘贴图片到输入框试试
努力发送中...
footer logo
未经许可请勿自行使用、转载、修改、复制、发行、出售、发表或以其它方式利用本网站之内容
Copyright ©ziao design Studio All Rights Reserved.沪ICP备14052271号-3