基于蓝牙4.0的微型低功耗眼电图(EOG)系统

朱益辉

(南通江海电容器股份有限公司，江苏南通226001)

0 引言

近年来ISCEV(国际临床视觉电生理学会)持续研究眼电信号的测量和研究并颁布了一系列标准，眼电信号的电压与周围环境的亮度，睁眼与闭眼都有密切的联系[1].在亮度较高的环境下，眼电电压较高.眼睛睁着的时候眼电电压明显高于闭眼情况.

Thomas J.Sulliva开发出的电容式眼电信号传感器，这种传感器可以将人体的眼电信号完整地记录下来.电容式结构避免了老式传感器需要接触皮肤保持湿润的缺点[2].Yu M.Chi研发了另一款硬币大小的微型眼电信号传感器[3]，方便人体佩戴并可以随时监控眼电信号.随着无线技术的进步，一些微型无线传感器也被开发出来，Min Lin开发出了一款基于Zigbee技术的无线人机接口[4].人体可以直接使用眼珠来控制轮椅的移动，这方便了行动不便者.

本文实现了一种面积小，功耗低，四通道的无线蓝牙眼电检测系统.蓝牙4.0的优点在于距离长，功率小.因此非常适合应用与眼电信号的实时测量中.在高达100 m的有效距离中，探测到的数据可以实施传输给上位机(电脑或智能手机)并同步显示.当数据出现异常时可以及时提醒用户及时就医.

1 硬件电路的设计

1.1 硬件电路的设计思路

图1是整个电路的结构框图.硬件电路最重要的功能有以下两点:1)将人体的生物电信号放大并抑制噪声的影响;2)利用蓝牙BLE技术与上位机无线连接.这两点分别由电路的模拟和数字部分实现.

人体的生物电信号十分微弱，频率低，并且人体是一个高内阻信号源[5-6].为了减小噪声，放大电路需要一个较高的CMRR值以及输入阻抗.仪表放大器具有很高的输入阻抗，它在生物电探测方面被广泛应用[7].考虑到实际的使用情况，电压应该小于3 V并且功耗应该越小越好.这样才延长系统的实际使用时间.

图1 硬件电路的结构框图

1.2 模拟滤波器的设计

为了减小噪声对于测试结果的影响，放大电路中需要加入带通滤波器[8].为了简化电路，高通滤波器和低通滤波器都采用模拟RC滤波器.RC滤波器具有结构简单，价格低廉，面积小而且无须供电的优点.但是RC滤波器的性能非常容易受到电路中其他原件的影响.为了降低这种影响，高通滤波器放置在放大器之前，而低通滤波器放置在放大器之后.高通滤波器可以降低生物电的直流部分而低通滤波器可以减小频率较高的噪声的影响.

由于ADC的输入阻抗只有179 KΩ并且放大电路的输出阻抗没有足够大，所以在ADC和放大电路中间需要加一级缓冲器.我们使用运放TLV2471，它的功耗只有100 mW，适合应用在此处.完整的放大电路如图2所示.

图2 模拟部分的完整电路

2 在CC2540中的软件编程

在本文中CC2540最主要的应用是基于蓝牙BLE技术进行数据的无线传输.程序主要实现两个功能:1)数据采样，将模拟部分传输的模拟信号转化为数字信号;2)数据发送与接收.

在ADC的采样应用中，采样频率高达1 kHz.那么时间间隔应该等于或小于1 ms.但是在BLE中时间间隔的范围是7.5 ms～4 s.所以每一次连接的时候必须传输多个采样数据.考虑到一次传输的数据包的长度限制，最后确定的时间间隔是10 ms，每次连接传输10个采样数据.程序的流程图如图3所示.

由于之前Timer的设置，每隔1 ms会调用一次heartRate-MeasNotify()函数进行采样.采样函数为HalAdcRead().在本次应用中，采样的精度为12-bit，而BLE数据传输是以8-bit为最小单位，所以需要将一个结果分为两个8-bit数据传输.由于BLE传输协议的限制，数组heartRateMeas.Value的有效数据长度是20个8-bit数据.所以每十个采样数据会调用函数HeartRate-MeasNotify()发送一次数据给上位机.具体程序如下:

图3 程序流程图

3 结果分析

3.1 心电信号测试

使用函数信号发生器产生心电信号，测试的结果如图4所示.可以看出系统可以正常工作.

图4 心电信号的测试结果

3.2 幅值测试

在幅值测试中，输入信号为正弦波，其幅值的变化范围是从20 mV到10 μV而频率保持10 Hz.每次幅值变化的间隔是5 s.具体的测试流程如表1所示.

表1 幅值测试过程

在图5中可以看到，区域B和C中信号被正确采集到，其幅值变化和时间间隔符合表1的描述.区域A中，因为输入信号幅值过大，导致放大电路的输出电压超过其有效变化范围，信号截至.在D中，可以看出输入信号降到了10 μV，这证实了该系统可以探测到最小的眼电信号.

3.3 频率测试

在频率测试中，输入正弦信号，其频率变化范围是0.1～70 Hz，幅值保持为1 mV.测试流程如表2所示.

从图6中可以看出频率随着时间而增加.在区域A和B，B和C之间可以看出明显的截至频率.在A中，当频率低于1 Hz，幅值由于高通滤波器急速下降.在C中，当信号高于50 Hz，幅值由于低通滤波器急速下降.滤波器可以正常工作.

表2 频率测试过程

图5 幅值测试结果

图6 频率测试结果

4 结论

本文实现了一种面积小，功耗低，四通道的无线蓝牙眼电检测系统.它可以探测的信号的幅值范围是10 μV～4 mV，频率范围是0.1～50 Hz.它由数字和模拟两部分构成.模拟部分包括放大器，滤波器和缓冲器.模拟部分探测人体的电信号并传递给ADC.模拟部分的功耗是每条通道9 mW.数字部分主要是德州仪器的CC2540.它包含增强型8051单片机，DMA和八通道的可调分辨率ADC.基于CC2540的蓝牙传输速度为16 kps，数字部分的平均功耗为26.7 mW，当传输停止时，功耗仅为3.7 μW.经过测试，可以证明该系统的有效性.

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

[2] Sullivan T J，Deiss S R，Cauwenberghs G.A low-noise，non-contact eeg/ecg sensor[J].Biomedical Circuits and Systems Conference，2007，12(2):154-157.

[3] Lin M，Li B.A wireless eog-based human computer interface[J].Biomedical Engineering and Informatics，2010，5(1):1794-1796.

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

[5] Heide W，Koenig E，Trillenberg P.Electrooculography:technical standards and applications，the international federation of clinical neurophysiology[J].Electroencephalography and clinical neurophysiology，1999，5(1):223-234.

[6] Sullivan T J，Deiss S R，Jung T P，et al.A brain-machine interface using dry-contact，low-noise eeg sensors[J].Circuits and Systems.2008，19:1986-1989.

[7] Casson A，Yates D，Smith S.Wearable electroencephalography Engineering Medicine and Biology Magazine[J].IEEE，2010，29(3):44-56.