脑电信号无线采集系统设计

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摘 要:介绍一种应用于可穿戴式无线脑电信号采集系统设计方案。系统控制器采用16位的MSP430F169单片机,其内部的12位A/D对放大滤波后的脑电信号进行采集,然后通过SPI口将采集到的16通道的脑电信号数据写入到CC2500的寄存器中发射出去,接收端同样通过单片机将CC2500的接收寄存器中数据读出,再由UART通过USB转换芯片传入计算机用于显示和进一步的分析处理。该系统有着低功耗和便携式等优点。关键词:脑电信号; CC2500; UART; 系统控制器

中图分类号:TN911-33文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0021-04

Design of Wireless Acquisition System for EEG Signal

XIE Hong, GE Qi-qi, YAO Nan, DONG Yao-hua

(Institute of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)

Abstract: The design scheme of a wearable wireless acquisition system for EEG signal is introduced. A 16-bit MSP430F169 MCU is adopted in the system controller, in which 12-bit ADC is used to aquire the amplified and filtered EEG signal. The acqired EEG signal data of the 16 channels is writen to the register of CC2500 via SPI and then emitted. When the receiver obtains the data, the data from the receiver register of CC2500 is read out by MCU. Finally the data is sent to computer by UART through USB for display and further processing. This system has the advantage of low power consumption and is portable.Keywords: EEG; CC2500; UART; system controller

0 引 言

疲劳驾驶是造成很多恶通事故的主要因素,因此人们研究探索通过监测驾驶员的身体和生理状态来识别驾驶员是否疲劳驾驶,如眼动信息、头部运动状态等。近年来,基于脑电信号识别驾驶员警觉度状态已经成为一种研究热点[1-2],而驾驶员可穿戴式脑电信号采集装置是其必要的保障。脑电信号采集系统主要由/数转换模块、微控制器和数据传输等部分构成。其中微控制器的实现一般有4种方案:如文献[3]中采用单片机把采集到的模拟脑电信号转换为数字信号,并通过RS 232接口传给计算机,该方法一般用于低端的不要求太高数据处理能力的采集中,成本较低;文献[4]采用DSP数字信号处理芯片,将A/D转换后的脑电信号进行DSP预处理(数字滤波),再通过PC的并口与DSP的HPI的口互联,主要利用了其在数据分析中的快速处理能力;文献[5]采用ARM作为处理器,ARM中移入了μC/OS-Ⅱ操作系统,并移植了Hanning滤波器以抑制50 Hz工频干扰,利用ARM对信号进行处理与分析显示;文献[6]采用FPGA,利用其内部丰富的逻辑资源控制A/D采集、FIR滤波、液晶的显示及USB与PC的数据传输。以上文献中的方案都为有线传输,且DSP和FPGA芯片成本高功耗大。文献[7]中采用蓝牙无线传输模块实现了可穿戴脑电信号采集与传输,蓝牙技术目前成本较高,适宜近距离传输。

本文针对驾驶员可穿戴式脑电信号采集设备的应用背景,提出基于MSP430单片机和CC2500的脑电信号采集和无线数据传输系统设计方案,在保证系统性能的条件下最大限度地降低功耗。

1 系统硬件设计

1.1 系统框图

该系统主要由3部分组成:数据采集、数据传输和数据处理服务器。其中数据采集与预处理采用业界公认的微功耗控制器MSP430系列单片机;数据传输采用无线收发模块CC2500,其由MSP430单片机通过SPI口控制其初始化和数据的发送与接收;接收的脑电数据由单片机通过UART转USB芯片传输给数据处理服务器做上层处理。具体系统组成如图1所示。

1.2 放大滤波模块

本文的脑电信号放大器原理图如图2所示。

本文中的前置放大器采用BB公司的INA118,这是一款专门用于生物信号采集用的集成仪表放大器,具有很高的精度;高通滤波采用传统的阻容滤波,截止频率为0.16 Hz;后级放大电路中的放大器采用通用集成运算放大器AD8606;低通滤波采用八阶Bessel开关电容滤波芯片MAX7405,截止频率设为500 Hz。系统采用3 V的单电源供电,由于极化电压的存在,每级放大倍数不能太高,且后级放大分为相同的两级放大,总放大倍数为38×20×20,可以将微伏级的脑电信号放大到伏级,满足后级A/D采样中对输入信号幅度的要求。

图1 系统框图

图2 脑电放大器原理图

1.3 单片机控制系统

该系统采用的控制器是德州仪器公司推出的低功耗、高集成度的16位单片机MSP430F169[8-9],供电电压范围为1.8～3.6 V。MSP430F169具有丰富的外设,片内包括3个时钟信号,即1个高频时钟、1个低频时钟和1个DCO,灵活地使用系统时钟可以大大降低系统的功耗,方便系统的设计。此外还有2 KB的RAM、60 KB的FLASH、8通道采样率为200 KS/s的12位A/D转换器、3个内部DMA控制器、硬件乘法器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、48个可复用I/O引脚和两个通用同步/异步串行通讯口。芯片内带有JTAG调试接口,无需仿真器和编程器,方便设计人员的开发调试。单片机的A/D采样部分使用3片模拟开关4053将8路扩为16路,原理图如图3所示。脑电信号幅度在-100～+100 μV之间,MSP430F169单片机的A/D转换器为12位,考虑到A/D转换后┝轿华会有不稳定的因素,系统的精确度仍能达到0.2 μV,这足以满足后期的警觉度特征提取。

1.4 无线传输模块

无线模块采用TI公司的CC2500[10-11]芯片,它是┮豢瞠超低功耗、低成本的无线收发模块,工作在2.4 GHz全球开放ISM(工业、科学、医学)频段,满足多信道通信和跳频通信需要,支持多种调制方式,包括FSK,GFSK,OOK和MSK,最高传输速率可达500 Kb/s。工作电压为1.9～3.6 V(与430单片机通过SPI口相连时无需电平转换),元件极少,内置硬件CRC和点对多点通信地址控制。主要的工作参数大都可以由设计者通过芯片状态字自行配置,没有复杂的通信协议,同种产品间可自由通信。所以,CC2500是┮豢瞠低成本射频系统级芯片,具有体积小、功耗少、元件少等优点。

图3 A/D部分连接原理图

CC2500模块通过标准的SPI接口与MSP430单片机相连;SI,SO为CC2500的数据输入/输出端口;SCLK作为数据传输的同步时钟;CSn为片选信号,低电平芯片工作;还有2个通用输出口GDO0和GDO2用来辅助CC2500实现无线通信功能。CC2500模块部分电路如图4所示。

图4 CC2500模块部分

脑电信号频率范围在0.5～100 Hz间,设计采样频率为500 Hz,共16通道,则要求传输速率:16×500×16 b/s=128 Kb/s,远小于CC2500最高传输速率500 Kb/s。

1.5 USB传输模块

USB接口芯片采用的是TI公司的TUSB3410[12-13],包括通过USB总线与主机通信所需要的全部逻辑电路。内部包含一个8052微控制器、16 KB RAM、I2C引导加载程序的10 KB ROM,4个通用I/O口,具有USB总线供电和自带电源2种┕┑绐模式。该芯片符合通用串行总线USB 2.0规范,支持12 Mb/s的数据速率,是一款高性能的USB接口器件。TUSB3410与MSP430F169的连接原理图如图5所示。

图5 TUSB3410与MSP430F169连接电路

本文使用USB总线供电模式,TUSB3410(U2)的USB数据信号经双路USB端口瞬态抵制器SN75240(U3)后连接到标准的USB B型口,以此增强系统ESD抗干扰能力;USB总线提供的5 V电压经TPS77301(U4)3.6 V LDO稳压后为系统供电。

2 系统软件设计

该系统中,程序设计包括单片机程序、USB驱动程序和PC机应用程序。考虑到该脑电信号采集系统的处理器负担不重,主要就是A/D采样、发送端和接收端程序及与上位机的通信,兼顾程序的易读性、可移植性,采用C语言作为编程语言。开发软件使用IAR公司的集成开发环境IAR Embedded Workbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY,使用非常方便[14-15]。单片机程序流程如图6所示。

图6 单片机程序流程图

MSP430中ADC12模块采用序列通道单次转换模式,通过定时器A来控制采集数据的时间间隔。通过对转换序列中最后一个通道对应的中断允许位置位,序列通道完成一次转换时将自动产生中断标志,从而进入中断服务子程序,以此来完成多通道的信号采集。

在发送端,单片机通过SPI口来初始化CC2500的发射频率、波段、发射功率、地址码、地址位数、数据位数及收发模式等。在一个采用周期内,当ADC采集完16路脑电信号,单片机将ADC采集到的数据通过SPI写入CC2500的发射寄存器,开启CC2500的发射模式,CC2500将自动给要发射的数据加上前导码和校验位,并和地址码一起发送出去,而后单片机进入下一个采样周期。

在接收端,单片机同样配置CC2500,然后开启CC2500为接收状态,一旦接收到数据包,GDO0就产生一个中断给单片机,单片机便通过SPI口读取CC2500接收寄存器的数据,并通过UART将数据传到上位机电脑,然后等待接收下一组数据。

USB设备驱动程序负责建立上位机电脑与接收端单片机的联系,将从单片机UART口得到的数据通过USB接口传到电脑上。USB的驱动程序可在网上()下载到。

上位机电脑的应用程序是在VC 6.0[16]环境下开发的,主要完成对采集的脑电数据显示,也可以为以后是数据分析处理做准备。

3 结 语

本文以低功耗、低成本的CC2500射频收发芯片为传输模块,结合低功耗、高集成度的MSP430F169单片机作为控制器,设计了一套可穿戴式、低功耗、多通道的实时脑电信号无线采集系统,采集的精度、速度及系统的可靠性能够满足要求。

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