基于RHA2116的脑电信号采集系统

董猷琴，邢丽冬，钱志余，刘保玉，章 帆

·研究与设计·

基于RHA2116的脑电信号采集系统

董猷琴，邢丽冬，钱志余，刘保玉，章 帆

目的：设计并实现一套基于RHA2116采集芯片的脑电信号采集与处理系统。方法：采集系统由脑电电极、RHA2116采集芯片、ARM（advanced RISC machines）微处理器（S3C6410）、AD7980模数转换芯片以及个人计算机（personal computer,PC）等组成，PC端通过JLINK仿真器向ARM微处理器发送控制命令，ARM微处理器在读取命令后控制RHA2116芯片进行脑电信号采集，同时，RHA2116将采集到的数据通过ARM微处理器发送到PC端的上位机界面，上位机界面对采集到的数据进行处理与显示。结果：该系统能够实时采集人体脑电信号，并通过上位机界面的处理得到脑电图。结论：该系统可用于实时采集脑电信号，具有一定的实用价值。

ARM微处理器；RHA2116；脑电信号；采集

0 引言

脑电信号是一种随机性很强的生理信号，节律种类多样，各种不同的情绪、心态都会影响脑电信号的变化，通过脑电信号得到的脑电图可用于辅助医疗，降低脑部疾病带来的健康风险，也能反映脑部的健康水平[1]。如今，营养过剩、精神压力过大等因素加大了脑部疾病的风险，特别是随着年龄的增长，脑部疾病发生率逐年上升，因此，设计可实时监测脑电信号的系统具有重要的意义[2-3]。传统的脑电采集系统一般由单片机加外围电路加个人计算机（personal computer，PC）构成，外围滤波电路增加了电路的复杂度和成本，器件老化损坏等不可控因素降低了系统的可靠性[4-6]。本文设计并实现了一套基于脑电采集芯片RHA2116的脑电信号采集与处理系统，可以实时采集脑电信号，并将数据同步发送给ARM（advanced RISC machines），ARM通过串口将数据传递给上位机界面进行处理，上位机界面采用数字滤波算法处理数据得到脑电图。

1 系统结构

系统结构如图1所示。硬件主要由脑电电极、RHA2116[7]采集芯片、ARM微处理器（S3C6410）、AD7980模数转换芯片以及PC等组成，其中PC装有ARM微处理器的控制软件RVDS和上位机界面软件。

图1 脑电信号采集系统结构框图

系统的工作过程如图1所示，PC通过ARM微处理器的SPI端口对RHA2116进行控制，使其内部的测量模块与16 bit高精度A/D转换芯片AD7980工作，开始采集脑电信号。芯片采集脑电信号的同时，上一周期采集到的数据则被ARM微处理器的SDO口接收，而后数据被串口同步发送到PC的上位机界面进行处理与显示。RHA2116与ARM微处理器的通信是双向的，ARM微处理器不仅向芯片发送控制信号，也接收芯片输出的高精度数据，工作在双向全双工模式。

2 硬件设计

2.1 模拟前端

本方案选用的模拟前端为INTANTECH公司设计的RHA2116芯片，它是INTANTECH公司专门为脑电采集设计的一款芯片，具有以下本方案设计需要的特点：

（1）低至2μV的输入噪声和500μW/通道的功耗。

（2）片上16通道16 bit的ADC芯片最高可支持高达30 kS/s的采样频率。

（3）可通过ARM微处理器串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）控制芯片的工作，并通过SPI端口接收芯片采集到的数据。

芯片通过ARM微处理器的外设端口进行控制，主要包括普通GPIO端口和SPI端口。RHA2116主要的控制端口见表1。

表1 RHA2116控制端口表

2.2 ARM微处理器模块

本方案选用的ARM微处理器是三星公司设计的S3C6410微处理器，它有丰富的扩展口和高时钟频率，可根据需要实现不同的功能。ARM微处理器主要是在RVDS软件的操作下对脑电采集芯片进行控制，将采集的数据传送至上位机界面，是实现芯片与PC通信的桥梁。

整个系统中，ARM微处理器为主机（Master），RHA2116为从机（Slave），采用SPI协议进行通信。上电时，ARM微处理器初始化外设，其SPI端口和GPIO端口配置控制RHA2116芯片工作所需的控制波形，在配置完毕后，PC启动程序控制芯片进行信号采集和数据传送，上位机界面在接收到芯片发送的数据后，可链接数据包和进行滤波等一系列处理，最终将波形显示在上位机界面。ARM微处理器的工作不仅包括了对芯片采集过程的控制，也包括芯片与上位机界面之间的通信。图2是ARM微处理器外设端口输出的控制时序。在编译实现该控制时序后，即可连接各个部分启动程序进行脑电信号采集。

图2 RHA2116控制时序

2.3 硬件程序设计

本方案的硬件程序主要用C语言编写，其中启动代码通过汇编语言编写。计算机端的调试软件采用的是ARM公司设计的RVDS软件，该软件专门为ARM微处理器设计，可通过JLINK仿真器将程序载入ARM微处理器运行。

整个程序主要包括各模块初始化、数据采集和数据发送。系统的初始化程序根据顺序在main函数中实现：

sdram_init();

rPCLKGATE=0x1ffffff;

Uart_Init();

SPI_Init();

初始化完成后，系统开始进行数据采集，数据采集包括16通道共计采集100 000次，其中，每采集完16通道记为采样一次。芯片的控制主要是通过SPI端口和普通GPIO端口完成，通过配置内部寄存器实现，其中主要控制方式可用以下语句实现：

rCSREG0=rCSREG0&～0x01;启动SPI时钟和数据接收

rGPCDAT=rGPCDAT&～(1＜＜7)|(1＜＜4);转到15通道后，加入reset信号，初始化2116芯片

rSPITXDATA0=0xff;

while(!((rSPISTATUS0＞＞13)&0x2));

data=rSPIRXDATA0;

rGPCDAT=rGPCDAT&～(1＜＜4)|(1＜＜7);CNV拉低，STEP拉高，启动数据接收和通道转换

rCSREG0=rCSREG0|0x01;

程序编译完成后即可调试，程序调试完毕后启动RVDS的AXD调试工具将程序载入ARM微处理器运行，即可实现对ARM微处理器的整体控制[8]。整个过程有着操作简单、调试方便的优点。

3 上位机界面设计

上位机界面采用C#编写，主要功能包含数据接收、转换和处理。采用C#编写界面主要考虑其通用性和封装性好，有C语言基础人员的就可开发，并且其开发软件VS功能强大，编译速度快。系统上位机界面工作流程如图3所示。

图3 上位机界面工作流程图

该界面的基本功能是将SPI端口接收到的数字信号进行保存，并转换为模拟信号，再将转换后的数据进行滤波处理，最后得到波形并显示在界面上，除了基本功能外，还增加了阻抗测量和报警功能，使得界面功能更加多样化，更具实用性。

图4为上位机软件的操作界面，其中涵盖了基本数据处理的功能，数据导入界面之后以通道区分，可批量处理与显示，界面简洁清晰。图5为相应的数据接收界面。

图4 软件操作界面

图5 数据接收界面

4 实验验证

在RVDS编译环境下，编写程序，通过JLINK仿真器连接计算机的USB口和ARM微处理器，启动代码进行调试。

用示波器检验外设端口的控制波形，选取其中2个主要的SPI控制波形CNV与SCK，如图6所示，对其波形作对比，可以看到控制波形清晰有序，与时序要求的波形一致。

图6 CNV与SCK波形对比

控制波形调试正确后，将所设计的系统硬件搭建好作测试实验。在室内常温环境下，被测人体的身体自然放松，大脑清醒，测试闭眼脑电图。系统采样频率设置为8kHz，可通过软件更改采样频率。对8kHz采样频率下接收的数据进行处理，在数据保真的条件下，将采样频率从8 kHz降至250 Hz，降频完成后，去除信号的基线漂移[9]。由于工频干扰的存在，必须对信号进行工频陷波，最后对信号进行0.5～100 Hz带通滤波器滤波[10]，经过一系列处理之后即可得到脑电图。

脑电信号测试结果如图7所示，测出的脑电波形图符合脑电特性，波形清晰、准确，说明该系统可以正常工作实现设计要求。

图7 脑电测试图

5 结论

脑电信号大多具有信号幅度低、干扰大的特点。本文设计的脑电信号采集与处理系统，能够对脑电信号进行高速采样并能对采样得到的数据进行数字滤波处理。一方面，硬件电路简单；另一方面，数字滤波通过软件实现，更加便于操作。对电路的测试表明，系统能够采集到脑电信号。后期还需要对外围电路进行进一步优化，减少器件用量与系统体积，使其更具便携性和实用性。

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[1]李颖洁，邱意弘，朱贻盛.脑电信号分析方法及其应用[M].北京：科学出版社，2008：12.

[2]任睿哲.基于ARM、USB2.0技术的生物信号采集系统[D].西安：西北工业大学，2006.

[3]李大鹏.基于STM32的16位多通道生理信号采集系统的设计[D].济南：山东师范大学，2014.

[4]沈恩华.脑电的复杂度分析[D].北京：清华大学，2004.

[5]谭郁玲.临床脑电图与脑电地形图学[M].北京：人民卫生出版社，1999：116-118.

[6]王晓韡，石立臣，吕宝粮.干电极脑电采集技术综述[J].中国生物医学工程学报，2010，29（5）：777-784.

[7]INTANTECH.RHA2000-EVAL_datasheet[EB/OL].[2012-7-13]. http：//www.intantech.com/files/Intan_RHA2000-EVAL_datasheet.pdf.

[8]侯殿有，才华.ARM嵌入式C编程标准教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[9]应俊，陈广飞，何史林.基于虚拟仪器技术数字化脑电采集系统的研制[J].中国医疗器械杂志，2009，33（5）：332-335.

[10]钟文华，王冬霞，周航慈.基于ARM的微弱生理信号采集系统[J].微计算机信息，2008，24（10）：138-139.

（收稿：2014-10-22 修回：2015-01-26）

EEG signal acquisition system based on RHA2116

DONG You-qin,XING Li-dong,QIAN Zhi-yu,LIU Bao-yu,ZHANG Fan
(College of Automation,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

ObjectiveTo design and implement a set of EEG acquisition and processing system based on RHA2116 acquisition chip.MethodsThe system was composed of the EEG electrode,RHA2116 acquisition chip,ARM S3C6410 microprocessor,AD7980 analog-digital conversion chip and PC.The PC sent control command to ARM microprocessor through JLINK emulator,and then ARM microprocessor drove RHA2116 chip to acquire EEG signals after reading the command.The acquired data were transmitted to the upper computer by ARM microprocessor for processing and display.ResultsThe system could acquire EEG signals at real time,and obtain could EEG results with data processing by the upper computer.ConclusionThe system can be used for real-time EEG signal acquisition,and is worthy applying practically.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：1-3，30]

ARM microprocessor;RHA2116;EEG signal;acquisition

R318；TH772.2

A

1003-8868（2015）07-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.001

国家科技支撑计划课题项目（2012BAI23B07）；国家自然科学基金项目（61171059）

董猷琴（1991—），女，研究方向为医疗电子器械，E-mail：foreverfaraway@163.com。

210016南京，南京航空航天大学自动化学院（董猷琴，邢丽冬，钱志余，刘保玉，章 帆）

邢丽冬，E-mail：xldnuaa@nuaa.edu.cn