基于藍(lán)牙4.0的微型低功耗眼電圖(EOG)系統(tǒng)

朱益輝

(南通江海電容器股份有限公司，江蘇南通226001)

0 引言

近年來ISCEV(國際臨床視覺電生理學(xué)會)持續(xù)研究眼電信號的測量和研究并頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，眼電信號的電壓與周圍環(huán)境的亮度，睜眼與閉眼都有密切的聯(lián)系[1].在亮度較高的環(huán)境下，眼電電壓較高.眼睛睜著的時候眼電電壓明顯高于閉眼情況.

Thomas J.Sulliva開發(fā)出的電容式眼電信號傳感器，這種傳感器可以將人體的眼電信號完整地記錄下來.電容式結(jié)構(gòu)避免了老式傳感器需要接觸皮膚保持濕潤的缺點[2].Yu M.Chi研發(fā)了另一款硬幣大小的微型眼電信號傳感器[3]，方便人體佩戴并可以隨時監(jiān)控眼電信號.隨著無線技術(shù)的進(jìn)步，一些微型無線傳感器也被開發(fā)出來，Min Lin開發(fā)出了一款基于Zigbee技術(shù)的無線人機接口[4].人體可以直接使用眼珠來控制輪椅的移動，這方便了行動不便者.

本文實現(xiàn)了一種面積小，功耗低，四通道的無線藍(lán)牙眼電檢測系統(tǒng).藍(lán)牙4.0的優(yōu)點在于距離長，功率小.因此非常適合應(yīng)用與眼電信號的實時測量中.在高達(dá)100 m的有效距離中，探測到的數(shù)據(jù)可以實施傳輸給上位機(電腦或智能手機)并同步顯示.當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時可以及時提醒用戶及時就醫(yī).

1 硬件電路的設(shè)計

1.1 硬件電路的設(shè)計思路

圖1是整個電路的結(jié)構(gòu)框圖.硬件電路最重要的功能有以下兩點:1)將人體的生物電信號放大并抑制噪聲的影響;2)利用藍(lán)牙BLE技術(shù)與上位機無線連接.這兩點分別由電路的模擬和數(shù)字部分實現(xiàn).

人體的生物電信號十分微弱，頻率低，并且人體是一個高內(nèi)阻信號源[5-6].為了減小噪聲，放大電路需要一個較高的CMRR值以及輸入阻抗.儀表放大器具有很高的輸入阻抗，它在生物電探測方面被廣泛應(yīng)用[7].考慮到實際的使用情況，電壓應(yīng)該小于3 V并且功耗應(yīng)該越小越好.這樣才延長系統(tǒng)的實際使用時間.

圖1 硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 模擬濾波器的設(shè)計

為了減小噪聲對于測試結(jié)果的影響，放大電路中需要加入帶通濾波器[8].為了簡化電路，高通濾波器和低通濾波器都采用模擬RC濾波器.RC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，面積小而且無須供電的優(yōu)點.但是RC濾波器的性能非常容易受到電路中其他原件的影響.為了降低這種影響，高通濾波器放置在放大器之前，而低通濾波器放置在放大器之后.高通濾波器可以降低生物電的直流部分而低通濾波器可以減小頻率較高的噪聲的影響.

由于ADC的輸入阻抗只有179 KΩ并且放大電路的輸出阻抗沒有足夠大，所以在ADC和放大電路中間需要加一級緩沖器.我們使用運放TLV2471，它的功耗只有100 mW，適合應(yīng)用在此處.完整的放大電路如圖2所示.

圖2 模擬部分的完整電路

2 在CC2540中的軟件編程

在本文中CC2540最主要的應(yīng)用是基于藍(lán)牙BLE技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸.程序主要實現(xiàn)兩個功能:1)數(shù)據(jù)采樣，將模擬部分傳輸?shù)哪M信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;2)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收.

在ADC的采樣應(yīng)用中，采樣頻率高達(dá)1 kHz.那么時間間隔應(yīng)該等于或小于1 ms.但是在BLE中時間間隔的范圍是7.5 ms～4 s.所以每一次連接的時候必須傳輸多個采樣數(shù)據(jù).考慮到一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長度限制，最后確定的時間間隔是10 ms，每次連接傳輸10個采樣數(shù)據(jù).程序的流程圖如圖3所示.

由于之前Timer的設(shè)置，每隔1 ms會調(diào)用一次heartRate-MeasNotify()函數(shù)進(jìn)行采樣.采樣函數(shù)為HalAdcRead().在本次應(yīng)用中，采樣的精度為12-bit，而BLE數(shù)據(jù)傳輸是以8-bit為最小單位，所以需要將一個結(jié)果分為兩個8-bit數(shù)據(jù)傳輸.由于BLE傳輸協(xié)議的限制，數(shù)組heartRateMeas.Value的有效數(shù)據(jù)長度是20個8-bit數(shù)據(jù).所以每十個采樣數(shù)據(jù)會調(diào)用函數(shù)HeartRate-MeasNotify()發(fā)送一次數(shù)據(jù)給上位機.具體程序如下:

圖3 程序流程圖

3 結(jié)果分析

3.1 心電信號測試

使用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生心電信號，測試的結(jié)果如圖4所示.可以看出系統(tǒng)可以正常工作.

圖4 心電信號的測試結(jié)果

3.2 幅值測試

在幅值測試中，輸入信號為正弦波，其幅值的變化范圍是從20 mV到10 μV而頻率保持10 Hz.每次幅值變化的間隔是5 s.具體的測試流程如表1所示.

表1 幅值測試過程

在圖5中可以看到，區(qū)域B和C中信號被正確采集到，其幅值變化和時間間隔符合表1的描述.區(qū)域A中，因為輸入信號幅值過大，導(dǎo)致放大電路的輸出電壓超過其有效變化范圍，信號截至.在D中，可以看出輸入信號降到了10 μV，這證實了該系統(tǒng)可以探測到最小的眼電信號.

3.3 頻率測試

在頻率測試中，輸入正弦信號，其頻率變化范圍是0.1～70 Hz，幅值保持為1 mV.測試流程如表2所示.

從圖6中可以看出頻率隨著時間而增加.在區(qū)域A和B，B和C之間可以看出明顯的截至頻率.在A中，當(dāng)頻率低于1 Hz，幅值由于高通濾波器急速下降.在C中，當(dāng)信號高于50 Hz，幅值由于低通濾波器急速下降.濾波器可以正常工作.

表2 頻率測試過程

圖5 幅值測試結(jié)果

圖6 頻率測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種面積小，功耗低，四通道的無線藍(lán)牙眼電檢測系統(tǒng).它可以探測的信號的幅值范圍是10 μV～4 mV，頻率范圍是0.1～50 Hz.它由數(shù)字和模擬兩部分構(gòu)成.模擬部分包括放大器，濾波器和緩沖器.模擬部分探測人體的電信號并傳遞給ADC.模擬部分的功耗是每條通道9 mW.數(shù)字部分主要是德州儀器的CC2540.它包含增強型8051單片機，DMA和八通道的可調(diào)分辨率ADC.基于CC2540的藍(lán)牙傳輸速度為16 kps，數(shù)字部分的平均功耗為26.7 mW，當(dāng)傳輸停止時，功耗僅為3.7 μW.經(jīng)過測試，可以證明該系統(tǒng)的有效性.

[1] Marmor M F，Brigell M G，McCulloch D L.Iscev standard for clinical electro-oculography[J].Documenta ophthalmologica，2011，122(5):1-7.

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