基于ADS1298与WiFi的脑电信号采集与传输系统设计
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2020-08-10
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基于基于ADS1298与与WiFi的脑电信号采集与传输系统设计的脑电信号采集与传输系统设计
本文设计并实现了一种体积小、接入方便、超低功耗的脑电信号采集与无线传输系统，选用MSP430系列单片机
MSP430F5529作为主控制器，利用其自身的2个SPI模块分别对ADS1298，GS1011进行控制，实现脑电信号的
高精度采集及远距离的WiFi无线传输。本系统具有可复用、便携、低功耗、高集成度的特点，适用于采集环境
和条件经常变化的场合，具有较高的应用价值。
为了实现对人体脑电信号的实时采集，设计了一种基于ADS1298与WiFi的无线脑电信号采集与传输系统。该系统主要由
ADS1298信号采集模块、MSP430主控制模块、GS1011处理发送模块3部分组成。ADS1298对脑电信号进行24位高精度的模/
数转换，并通过SPI发送给MSP430进行分析处理，最后发送至GS1011进行打包，并由WiFi发送给远方的控制台。在提高脑
电信号采集精度的同时，又运用成熟的WiFi无线传输技术，提高了传输速率和传输距离。该系统还具有体积小、便携、超低功
耗等特点。
0引言
脑电信号(EEG)是由脑神经活动产生的一种电活动，含有丰富的大脑活动信息，广泛应用于人的医学病理诊断，尤其近年来在
疲劳驾驶实时检测、脑机接口(BCI)等领域的研究引起了越来越多的国内外学者的关注。目前商用的脑电信号采集设备虽然功
能丰富，但是体积和功耗等一般比较大，而且数据传输大多采用有线方式，不便用于采集条件和环境经常变化的场合。因此，
便携式无线脑电采集与传输系统成为一种研究热点。由于脑电信号非常微弱，而且多通道的脑电波形数据量一般比较大，因此
要求便携式无线脑电信号采集与传输系统既要有很高的信号分辨灵敏度，又要有较高的数据传输速度，而且功耗高低也是制约
其应用的重要指标。目前提高脑电信号分辨灵敏度的技术方案主要有2种：采用精密放大滤波电路提高信号增益并抑制外界干
扰，如文献中采用三级放大电路、低通滤波器、高通滤波器和50 Hz双T工频滤波器对脑电信号进行预处理，但是系统的功耗
与体积均较大;采用高分辨率A/D转换器，以降低对预处理电路的要求，如文献中采用高精度的ADS12 58转换器对脑电信号进
行模/数转换。在无线数据传输方面，文献中采用无线收发模块CC2500，但其兼容性不强;文献中采用无线收发器ADF 7020，
但其为低IFISM频段收发器，适用于无线遥感技术;文献中采用蓝牙模块，但其通信速率较低，且传输距离较短。
本文设计的脑电信号采集与传输系统，在采用TI公司的一款高精度、低功耗、低噪声的8通道24位模/数转换器ADS1298直接
对脑电信号进行放大及模/数转换的同时，又采用Gain Span公司的超低功耗无线芯片GS1011对脑电信号进行远距离WiFi无线
传输，不仅减小了系统的体积，还能最大限度的降低功耗。
1系统技术指标及硬件设计
1.1系统技术指标
脑电信号是一种非常微弱的生理信号，其幅度一般为0.001～0.1 mV，频率一般为0.5～40 Hz，被电极引出时还会带有很多的
噪声，如肌电干扰、50 Hz工频干扰等。所以要求系统具有高共模抑制比、高输入阻抗，还能抑制工频信号。
本系统的技术指标如下所示：
(1)采样通道数目：8通道差分输入;
(2)每通道A/D转换速率：8 KSPS;
(3)ADC分辨率：24 b;
1.2系统结构
从本质上讲，本文设计的脑电信号无线采集与传输系统是一个网络化的分布式嵌入式系统。该系统主要是由MSP430主控制模
块、GS1011处理发送模块、ADS1298信号采集模块3部分组成，其体系结构如图1所示。
从上图可以看出，MSP430主控制模块负责整个信号采集与传输系统的运行与操作，并且存储和处理接收到的数据;信号采集
模块负责实现脑电信号的滤波及模/数转换;GS1011处理发送模块负责对数字化的脑电信号进行打包处理，并选择相应的网络
传输协议，将数据包发送给附近的AP，再由AP发送给控制台进行分析处理。
1.3信号采集模块
信号采集模块由信号调理电路和ADS1298组成。图2为信号调理电路，该部分由二阶无源低通滤波和限幅电路组成，起到消除
高频干扰和过压保护的作用。其中低通截止频率为160 Hz，可通过电压幅值范围为±700 mV.
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