基于51单片机的便携式脑电系统的设计

2018-04-16魏琳

电子测试 2018年12期

魏琳

（河南工业和信息化职业学院，河南焦作，454150）

1　前端采集电路的设计方案

1.1　脑电采集系统的整体设计方案

本系统的预处理模块主要包括滤波电路、放大电路和共模抑制电路三个模块。其中的放大模块是整个脑电放大器中最重要也是最核心的地方，其性能上的优劣很大程度上决定了设备整体的信噪比。在模拟放大部分，为了减少脑电信号有效频带内噪声的干扰，提升通道减少带来信号信噪比的下降，本文选择差分放大的模式对脑电信号进行初级放大。信号首先通过低通滤波器，将一些低频无用信号和直流分量滤除后再进入初级放大，信号通过放大器时，为了抵消掉我们身体因各种原因耦合进入放大器的共模噪声，设计了共模抑制电路，该电路本质上是一个负反馈调节，通过把人体耦合进入系统的共模信号接入系统，起到消除共模的作用，尽最大可能的满足设计指标中信噪比要求。在进入模数转换之前，信号还需要通过工频陷波电路和低通滤波电路滤除无用工频噪声信号和某些高频噪声信号。控制模块主要包括AD采集、串口和Wifi传输等模块。为了降低模拟电路受控制电路干扰的可能性，减小电路板的体积，在设计之初我们就尽可能的简化各模块。

1.2　模拟采集电路设计

本文使用了AD620作为我们前端放大器，并利用该仪表放大器自带的参考引脚构建了反向积分电路，从而对低频信号进行滤除。作为一款经典的仪表放大器，它精度高、功耗小、噪声小、建立时间小，适合作为前置放大器，并且适合多路使用。AD620成本低，可以做到每个通道都用一个仪表放大器。它的封装较小，实现同样的功能体积要比分立电路设计小，而且它功耗更低，比分立电路对称性更好，因而非常适合应用在对功耗和性能要求都较高的便携式脑电采集设备中。

1.3　滤波电路的设计

这里的滤波电路主要包括了三种，一种是右腿驱动电路，用来放大器耦合进入的共模抑制噪声，一种是50Hz工频陷波电路，一种是低筒滤波电路。右腿驱动电路这项技术首先应用在心电信号采集中，共模信号通过右腿驱动人体，因此叫做右腿驱动。同样原理的技术在脑电采集和肌电采集中也有抑制干扰提高共模抑制比的效果，共模信号反馈位置不一定是右腿，但是这个电路的名字一直被叫做右腿驱动沿用下来。本文的右腿驱动电路在心电信号采集电路中为了减少共模干扰通常还加入右腿驱动电路。其原理是将差分信号的共模量放大并移相180°，通过一个保护电阻反馈至人体用于抵消人体耦合的共模噪声。

50Hz陷波电路：本文采用了集成芯片UAF42来设计工频陷波器。该芯片作为TI公司生产的一款状态变量型集成滤波器芯片，其特殊的拓扑结构让其几乎不受外部电阻精度的影响。与传统的陷波器相比，其设计方式简单，只需要在外围电路中添加高精度的电容即可。本次设计借助官方提供的辅助软件进行了电阻值的计算，设置的参数：带宽为10HZ，中心频率为50HZ的巴特沃斯型滤波器，然后根据计算结果设计的最终电路图。

低通滤波电路：信号经过四阶陷波电路后滤除了大部分共模干扰，但是信号中仍含有高频干扰，通常还需要设计低通滤波电路来滤除高频干扰，此外低通滤波器还有类似于抗混叠滤波器的作用，能让模数转换器转换的数据不失真。对于脑电信号，其频带为0～100Hz，因此本文将低通滤波器的通带截至频率设置100Hz。常用的二阶有源低通滤波器有无限增益多路反馈型、压控电压源型和状态变量型滤波器。无限增益多路反馈型滤波器是反相输入低通滤波器，其会导致信号的相位发生变化；状态变量型IC用于设计滤波器非常方便但成本太高。本文采用压控电压源型滤波器结构来设计有源低通滤波器。

2　数字处理电路设计方案

系统需要多个设备一起使用，而且有时候可能会要求使用较高的采样率采集脑电数据，所以数据速率可能会很大，通过比较，蓝牙和Zigbee通信都不适合本系统使用，而WIFI通信连接更方便而且通信数据速率更高，非常适合本系统。首先，系统使用WIFI建立无线局域网，将所有设备加入无线局域网当中，多个设备可以通过TCP/IP协议进行通信。同时系统使用USB接口作为辅助通信手段。使系统在网络环境很差的地方也可以正常使用。WIFI通信和USB通信可以在一次实验中同时存在。

2.1　程序流程设计

系统的主控制器STM32F205RGT6为STM32家族的互联型微控制器，它的1Mbytes的非易失性程序存储器(Flash)为1Mbytes，静态随机存取存储器(SRAM)为128Kbytes，不用外部扩展存储器也可以满足系统的功能要求，同时STM32F205RGT6也增强了网络功能。系统主要通过USB和WIFI两种通信方式来传输。

2.2　WIFI通信程序设计

下位机部分使用的EWM3162模块提供了基于TCP/IP协议栈、WIFI射频驱动的嵌入式WIFI网络运行库mxchip WNet Library。该软件库采用标准BSD socketAPI函数。TCP和UDP是运输层的两种协议，TCP协议在传输数据的时候需要等待对方的应答之后才能传送下一帧数据，否则会被阻塞在当前进程当中，然而UDP协议不需要知道对方是否接收到了，不管是否发送成功，就可以进行下一帧的发送。为了确保能收到完全没有出现错误的数据，系统采用TCP数据传输协议。需要由PC主机端的采集分析软件发起连接下位机的请求，然后脑电采集设备响应这个请求，因此下位机部分作为TCP协议的服务器端。尝试连接到无线路由器时，将下位机WIFI模块配置成Station模式，启用DHCP，成功连接到无线路由器，无线路由器会自动给设备分配一个IP。

2.3　USB通信程序设计

本系统除了使用无线 WIFI 进行数据通信之外，还使用 USB作为辅助通信手段，以此适应一些不适合使用无线 WIFI 的场合。本脑电采集设备的 USB 通信采用的硬件解决方案是 STM32的片上 USB2.0 控制器。此方案需要配合 STM32 官方的 USB 外围设备库使用。USB2.0 有同步、中断、批量和控制传输等方式。本系统需要的数据传输速度要求不高，但是需要较低的传输延迟和可靠的传输，所以我们采用中断传输的方式，将 STM32 作为USB 自定义人体输入学设备(Human Interface Device, HID)设备，这样可以免去自己开发专用 USB 驱动程序的麻烦。