，具有非常低的功耗，每通道僅為5mW ;輸入參考噪聲低至1.0 μ V (70Hz帶寬)。信號采用差分輸入方式，其共模抑制比高達llOdB，直流輸入阻抗高達1000ΜΩ。ADS1299芯片內置持續斷電檢測，很方便觀察導聯脫落；再配合閉環偏置驅動電路，能夠很好地保證系統的抗干擾要求。
[0058]SPI接口是將ADS 11299芯片轉換后的EEG信號發送至CC2541芯片。ADS1299有串行外設接口，可以支持SPI通訊；CC2541芯片有兩個USART串行通信接口，通過設置相應寄存器能夠使其運行于異步UART模式或者同步SPI模式。UART只需要兩根線，一根發送數據，另一根接收數據，就可以全雙工通信；但是數據是異步傳輸的，所以對雙方的時序要求比較嚴格，通信速度也不是很快。與UART相比，SPI接口一般是三線或四線，多了同步時鐘線，對通信雙方的時序要求不嚴格不同設備之間可以很容易結合，而且通信速度非常快。所以本發明實施例采用SPI方式來實現ADS1299與CC2541微控制器間的通訊，連線如圖4所不ο
[0059]CC2541芯片將8051內核與無線收發模塊集成到一塊6mmX6mm大小的芯片當中，該芯片的引入縮小了采集器整體的體積，省去了單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計，簡化了電路的設計。如圖5所示，CC2541的RF_P(25)管腳和RF_N(26)管腳是一對差分輸入輸出的偶極信號端口，外接幾個電容C22、C23，電感Ll、L2等形成RF前端來實現射頻信號的收發，這部分電路被稱為巴倫匹配電路，其主要作用是通過為兩種不同線路提供阻抗轉換而進行匹配。
[0060]巴倫匹配電路的結構好壞直接影響著通信距離和系統功耗。天線部分可以用PCB天線，也可以使用外接SMA的桿狀天線，本發明實施例采用PCB天線，天線尺寸是根據TI提供的參考進行的設計，如圖6。另外，CC2541芯片需要外接2個晶振，工作頻率分別為32MHz和32.768KHz。其中芯片管腳32和33接32.768kHz的石英晶振，管腳22和23接32MHz的石英晶振，均需配合一定容值的電容來實現，晶振電路如圖7所示。
[0061]電源模塊電路如圖8所示。ADS1299芯片需要2.75V-5.25V模擬供電，1.8V-3.6V數字供電，CC2541芯片需要2V-3.6V，所以本采集器采用3.3V電池供電，并利用芯片TPS77033實現穩壓。本發明實施例中的模擬電路和數字電路兩部分獨立供電，模擬地和數字地也要分開，遵循“單點”接地的原則。模擬電源由數字電源產生，所以在數字電源與模擬電源以及數字地與模擬地之間分別加磁珠BEAD1和BEAD2構成無源濾波電路，抑制高頻干擾，從而濾除數字電路的噪聲。
[0062]二、軟件設計
[0063]如圖9所示，CC2541芯片作為主機主要需完成兩大方面的任務:控制ADS1299芯片采集腦電數據并通過SPI傳送至CC2541芯片；將收到的腦電數據打包后通過藍牙發送給上位機4。所以軟件部分主要包括SPI通訊程序和藍牙通訊程序兩部分。程序是在IAREmbedded Workbench環境下開發的。
[0064]在SPI模式下，CC2541芯片作為通信中的主機(Master)，ADS1299芯片是從機(Slave)，通過4線接口通信。由CC2541芯片發出SCLK的時鐘，其管腳M0SI (38)、MIS0(37)、SCK(5)、SSN(6)分別與 ADS1299 的管腳 DIN(34)、D0UT(43)、SCLK(40)、CS(39)引腳相連，相關的連接如圖4所示。另外，ADS1299芯片與一般的SPI通訊有所不同:START管腳用于啟動導聯信號的采集和模一數轉換；DRDY管腳用于指示一次數據采集的完成，主控制器通過識別DRDY管腳的變化發出SPI時鐘，并從模一數轉換器中讀取采集到的信號；PWDN可以控制斷電，用于停止AD工作，低電平有效；RESET可以實現系統復位，也是低電平有效。
[0065]SPI程序中首先是時鐘初始化程序。由于需要使用RF收發器，所以必須選擇高速且穩定的32MHz晶振，而且要等待晶振穩定后再設置系統主時鐘頻率。
[0066]然后是SPI初始化程序，包括波特率設置，Master/Slave模式設置，SPI的時鐘極性、時鐘相位、傳送位順序設置等等。
[0067]接下來是ADS1299初始化程序，實質就是主機發送預定義命令字來配置ADS1299的寄存器的過程，包括時鐘源選擇(外部)、參考電壓選擇(內部)、導聯脫落檢測(開)以及信號采樣頻率(lkSPS)和放大倍數(12)等，主要涉及的寄存器是C0NFIG1、C0NFIG2、C0NFIG3 以及 CH1SET-CH8SET 等。
[0068]完成以上的時鐘、SPI以及ADS1299芯片等一系列的初始化工作后，就可以通過SPI進行數據收發。CC2541在檢測到ADS1299發出的Data Ready信號后，讀取其模一數轉換結果并通過SPI接口接收腦電數據。
[0069]另外，本設計靈活應用芯片的省電、待機模式，保證了采集器低功耗的要求。
[0070]CC2541芯片作為從機，采用藍牙通信協議與上位機4進行通信。在連接上位機4時，首先完成初始化動作，包括:藍牙設備廣播、搜索、連接等，當接收到ADS1299芯片的數據后將其打包成數據包，傳送給上位機4。這部分程序開發時需調用藍牙協議棧提供的應用程序編程接口。
[0071]綜上所述，本發明實施例設計了一種基于ADS1299和CC2541的新型腦電信號采集器，可以實現腦電信號的多通道采集以及數據的無線傳輸。與常用的腦電采集系統相比具有體積小、功耗低、成本低等優點。該微型可穿戴式腦電信號采集器是為了應用于臨床和科研等領域，也為航天研究、康復訓練等特殊場合的腦電信號無線檢測提供基本的技術參考，具有重要的研究意義與商業價值。最佳實施方案擬采用專利轉讓、技術合作或產品開發。
[0072]實施例3
[0073]為了驗證本采集器的可行性，設計并進行了腦電信號采集實驗。本實驗中，分別采用ADS1299系統和Neuroscan腦電放大器來采集同一名被試的靜息態腦電信號。采樣頻率設為1000Hz，參考電極置于左乳突部位，采集了 0Z導聯30秒的EEG信號。之后采用Matlab軟件分別對采集到的數據進行了處理和分析。圖10和圖11所示分別為ADS1299系統和Neuroscan腦電放大器采集到的16_22s的腦電信號及兩信號各自對應的頻譜圖。
[0074]由圖10(b)和圖11(b)可以看出，兩信號的頻譜起伏基本相似，在10Hz附近有兩處高的峰值，在30Hz處也均有能量高峰。為了更加準確地對兩信號進行評估，對頻域信號做了相關性分析，相關系數達到0.8298，可以說明兩組數據的頻譜分布有很強的線性相關性，進而證明本采集器能夠實現準確的腦電信號采集。
[0075]本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0076]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0077]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種微型可穿戴式腦電采集器，所述腦電采集器包括:采集電極、控制裝置和電源電路，其特征在于， 所述控制裝置通過藍牙模塊與外部的上位機實現數據的傳輸；所述控制裝置由預處理電路、采集前端與控制器組成； 所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊；所述控制器與所述上位機之間采用藍牙通訊； EEG信號通過所述采集電極傳輸至所述預處理電路、及采集前端，實現EEG信號的濾波、放大和模數轉換，再借助SPI接口將預處理后的EEG信號傳送至所述控制器； 所述控制器內置的微控制器對預處理后的EEG信號進行處理，并通過藍牙模塊將處理后的數據傳送至所述上位機。2.根據權利要求1所述的一種微型可穿戴式腦電采集器，其特征在于，所述預處理電路用于抗混疊低通濾波；所述預處理電路采用電阻排和電容排實現，每個單一通道中電容和電阻構成低通濾波器。3.根據權利要求1所述的一種微型可穿戴式腦電采集器，其特征在于，所述電源電路中的模擬電路、數字電路獨立供電，模擬地和數字地分開； 在數字電源與模擬電源、以及數字地與模擬地之間加磁珠構成無源濾波電路。4.根據權利要求1所述的一種微型可穿戴式腦電采集器，其特征在于，所述采集前端與所述控制器之間采用SPI通訊具體為: 在SPI模式下，所述控制器作為通信中的主機，所述采集前端作為從機，通過4線接口通信。5.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的一種微型可穿戴式腦電采集器，其特征在于，所述采集前端為ADS1299芯片；所述控制器為CC2541芯片。
【專利摘要】本發明公開了一種微型可穿戴式腦電采集器，包括：采集電極、控制裝置和電源電路，控制裝置通過藍牙模塊與外部的上位機實現數據的傳輸；所述控制裝置由預處理電路、采集前端與控制器組成；采集前端與控制器之間采用SPI通訊；控制器與上位機之間采用藍牙通訊；EEG信號通過采集電極傳輸至預處理電路、及采集前端，實現EEG信號的濾波、放大和模數轉換，再借助SPI接口將預處理后的EEG信號傳送至控制器；控制器內置的微控制器對預處理后的EEG信號進行處理，并通過藍牙模塊將處理后的數據傳送至上位機。本發明在保證信號分辨率的前提下，極大地提高了通用性能，更加符合用戶實際的使用需求；該腦電信號采集器還降低了生產制造成本。
【IPC分類】A61B5/0476, A61B5/00
【公開號】CN105395193
【申請號】CN201510909676
【發明人】孟桂芳, 何峰, 許敏鵬, 張力新, 明東
【申請人】天津大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月8日