基于51單片機(jī)的便攜式腦電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏琳

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南焦作，454150）

1　前端采集電路的設(shè)計(jì)方案

1.1　腦電采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的預(yù)處理模塊主要包括濾波電路、放大電路和共模抑制電路三個(gè)模塊。其中的放大模塊是整個(gè)腦電放大器中最重要也是最核心的地方，其性能上的優(yōu)劣很大程度上決定了設(shè)備整體的信噪比。在模擬放大部分，為了減少腦電信號(hào)有效頻帶內(nèi)噪聲的干擾，提升通道減少帶來信號(hào)信噪比的下降，本文選擇差分放大的模式對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大。信號(hào)首先通過低通濾波器，將一些低頻無用信號(hào)和直流分量濾除后再進(jìn)入初級(jí)放大，信號(hào)通過放大器時(shí)，為了抵消掉我們身體因各種原因耦合進(jìn)入放大器的共模噪聲，設(shè)計(jì)了共模抑制電路，該電路本質(zhì)上是一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，通過把人體耦合進(jìn)入系統(tǒng)的共模信號(hào)接入系統(tǒng)，起到消除共模的作用，盡最大可能的滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)中信噪比要求。在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，信號(hào)還需要通過工頻陷波電路和低通濾波電路濾除無用工頻噪聲信號(hào)和某些高頻噪聲信號(hào)?？刂颇K主要包括AD采集、串口和Wifi傳輸?shù)饶K。為了降低模擬電路受控制電路干擾的可能性，減小電路板的體積，在設(shè)計(jì)之初我們就盡可能的簡(jiǎn)化各模塊。

1.2　模擬采集電路設(shè)計(jì)

本文使用了AD620作為我們前端放大器，并利用該儀表放大器自帶的參考引腳構(gòu)建了反向積分電路，從而對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行濾除。作為一款經(jīng)典的儀表放大器，它精度高、功耗小、噪聲小、建立時(shí)間小，適合作為前置放大器，并且適合多路使用。AD620成本低，可以做到每個(gè)通道都用一個(gè)儀表放大器。它的封裝較小，實(shí)現(xiàn)同樣的功能體積要比分立電路設(shè)計(jì)小，而且它功耗更低，比分立電路對(duì)稱性更好，因而非常適合應(yīng)用在對(duì)功耗和性能要求都較高的便攜式腦電采集設(shè)備中。

1.3　濾波電路的設(shè)計(jì)

這里的濾波電路主要包括了三種，一種是右腿驅(qū)動(dòng)電路，用來放大器耦合進(jìn)入的共模抑制噪聲，一種是50Hz工頻陷波電路，一種是低筒濾波電路。右腿驅(qū)動(dòng)電路這項(xiàng)技術(shù)首先應(yīng)用在心電信號(hào)采集中，共模信號(hào)通過右腿驅(qū)動(dòng)人體，因此叫做右腿驅(qū)動(dòng)。同樣原理的技術(shù)在腦電采集和肌電采集中也有抑制干擾提高共模抑制比的效果，共模信號(hào)反饋位置不一定是右腿，但是這個(gè)電路的名字一直被叫做右腿驅(qū)動(dòng)沿用下來。本文的右腿驅(qū)動(dòng)電路在心電信號(hào)采集電路中為了減少共模干擾通常還加入右腿驅(qū)動(dòng)電路。其原理是將差分信號(hào)的共模量放大并移相180°，通過一個(gè)保護(hù)電阻反饋至人體用于抵消人體耦合的共模噪聲。

50Hz陷波電路：本文采用了集成芯片UAF42來設(shè)計(jì)工頻陷波器。該芯片作為TI公司生產(chǎn)的一款狀態(tài)變量型集成濾波器芯片，其特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)讓其幾乎不受外部電阻精度的影響。與傳統(tǒng)的陷波器相比，其設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)單，只需要在外圍電路中添加高精度的電容即可。本次設(shè)計(jì)借助官方提供的輔助軟件進(jìn)行了電阻值的計(jì)算，設(shè)置的參數(shù)：帶寬為10HZ，中心頻率為50HZ的巴特沃斯型濾波器，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)的最終電路圖。

低通濾波電路：信號(hào)經(jīng)過四階陷波電路后濾除了大部分共模干擾，但是信號(hào)中仍含有高頻干擾，通常還需要設(shè)計(jì)低通濾波電路來濾除高頻干擾，此外低通濾波器還有類似于抗混疊濾波器的作用，能讓模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不失真。對(duì)于腦電信號(hào)，其頻帶為0～100Hz，因此本文將低通濾波器的通帶截至頻率設(shè)置100Hz。常用的二階有源低通濾波器有無限增益多路反饋型、壓控電壓源型和狀態(tài)變量型濾波器。無限增益多路反饋型濾波器是反相輸入低通濾波器，其會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的相位發(fā)生變化；狀態(tài)變量型IC用于設(shè)計(jì)濾波器非常方便但成本太高。本文采用壓控電壓源型濾波器結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)有源低通濾波器。

2　數(shù)字處理電路設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)需要多個(gè)設(shè)備一起使用，而且有時(shí)候可能會(huì)要求使用較高的采樣率采集腦電數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)速率可能會(huì)很大，通過比較，藍(lán)牙和Zigbee通信都不適合本系統(tǒng)使用，而WIFI通信連接更方便而且通信數(shù)據(jù)速率更高，非常適合本系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)使用WIFI建立無線局域網(wǎng)，將所有設(shè)備加入無線局域網(wǎng)當(dāng)中，多個(gè)設(shè)備可以通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí)系統(tǒng)使用USB接口作為輔助通信手段。使系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境很差的地方也可以正常使用。WIFI通信和USB通信可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)存在。

2.1　程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器STM32F205RGT6為STM32家族的互聯(lián)型微控制器，它的1Mbytes的非易失性程序存儲(chǔ)器(Flash)為1Mbytes，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)為128Kbytes，不用外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器也可以滿足系統(tǒng)的功能要求，同時(shí)STM32F205RGT6也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)功能。系統(tǒng)主要通過USB和WIFI兩種通信方式來傳輸。

2.2　WIFI通信程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)部分使用的EWM3162模塊提供了基于TCP/IP協(xié)議棧、WIFI射頻驅(qū)動(dòng)的嵌入式WIFI網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行庫mxchip WNet Library。該軟件庫采用標(biāo)準(zhǔn)BSD socketAPI函數(shù)。TCP和UDP是運(yùn)輸層的兩種協(xié)議，TCP協(xié)議在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候需要等待對(duì)方的應(yīng)答之后才能傳送下一幀數(shù)據(jù)，否則會(huì)被阻塞在當(dāng)前進(jìn)程當(dāng)中，然而UDP協(xié)議不需要知道對(duì)方是否接收到了，不管是否發(fā)送成功，就可以進(jìn)行下一幀的發(fā)送。為了確保能收到完全沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用TCP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。需要由PC主機(jī)端的采集分析軟件發(fā)起連接下位機(jī)的請(qǐng)求，然后腦電采集設(shè)備響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，因此下位機(jī)部分作為TCP協(xié)議的服務(wù)器端。嘗試連接到無線路由器時(shí)，將下位機(jī)WIFI模塊配置成Station模式，啟用DHCP，成功連接到無線路由器，無線路由器會(huì)自動(dòng)給設(shè)備分配一個(gè)IP。

2.3　USB通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)除了使用無線 WIFI 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之外，還使用 USB作為輔助通信手段，以此適應(yīng)一些不適合使用無線 WIFI 的場(chǎng)合。本腦電采集設(shè)備的 USB 通信采用的硬件解決方案是 STM32的片上 USB2.0 控制器。此方案需要配合 STM32 官方的 USB 外圍設(shè)備庫使用。USB2.0 有同步、中斷、批量和控制傳輸?shù)确绞?。本系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高， 但是需要較低的傳輸延遲和可靠的傳輸，所以我們采用中斷傳輸?shù)姆绞剑瑢?STM32 作為USB 自定義人體輸入學(xué)設(shè)備(Human Interface Device, HID)設(shè)備，這樣可以免去自己開發(fā)專用 USB 驅(qū)動(dòng)程序的麻煩。

3　結(jié)論

本文提出的無線群體腦電采集系統(tǒng)是由多個(gè)腦電采集設(shè)備組成的無線便攜設(shè)備，同時(shí)提供 USB 通信接口，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集多人腦電的功能。