CN102090885B

CN102090885B - 一种多通道人体皮肤电位采集系统

Info

Publication number: CN102090885B
Application number: CN 201010573236
Authority: CN
Inventors: 李江; 刘政; 宋超; 马镇均; 黄益君
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102090885A

Abstract

一种多通道人体皮肤电位采集系统，包括电源模块、多路选择模块、前级放大模块、屏蔽模块、滤波模块、50Hz陷波模块、后级放大模块、AD转换模块、SD卡存储模块和主控模块，采集电极和参考电极接入多路选择模块，经多路选择模块选通后接入前级放大模块放大，经滤波模块滤除干扰信号，并用屏蔽模块抑制输入级的共模干扰，经滤波后的信号经50Hz陷波模块后进入后级放大模块，后级放大的输出接AD转换模块，并由主控模块按一定格式写入SD卡存储模块；主控模块控制整个采集系统的工作流程，本发明提供一种采集人体皮肤上由各器官和组织激发的电信号的系统，以替代现有技术仅仅适用于心电的采集仪器。

Description

一种多通道人体皮肤电位采集系统

技术领域

本发明属于人体生物电采集技术领域，尤其是涉及采集人体皮肤上由各器官和组织激发的电信号，而不是其中某一种特定的电信号的采集系统。

背景技术

活的细胞、组织或器官兴奋时，不论其外部表现如何不同，都伴随着有电的变化，这也是人体电信号产生的原因。这些生物电信号可以通过仪器记录下来并进行分析，可以获得重要的信息。到目前为止，脑电、心电等都已经广泛地应用与医学和科研中，这些特定的电信号具有一定的频率带宽和电位大小范围，其对应的测量仪器如脑电图仪和心电图仪等都是针对某一种电位进行采集。人体的皮肤电位在科研中需要经常采集，如穴位电特性研究，由于人体的皮肤电位是由多种人体器官和组织激发的电位叠加，各种电位的大小范围和频率都不相同，这样使得皮肤电位在一个较宽的大小范围和带宽内分布，但电信号能量主要集中在0～200Hz以内，大小在5mv以内。由于人体皮肤电位的相关研究刚刚兴起，目前还没有专门的采集设备，一般采用的简单方法是用适用于心电的采集仪器来代替，但这样只是采集了皮肤电位中的心电范围内的信号，所以结果是不准确的。

发明内容

为了能准确采集人体的皮肤电位，本发明提出一种多通道人体皮肤电位采集系统。

针对以上根本技术问题，本发明相应的解决技术方案是：

一种多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于包括电源模块、多路选择模块、前级放大模块、屏蔽模块、滤波模块、50Hz陷波模块、后级放大模块、AD转换模块、SD卡存储模块和主控模块，来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块，多路选择模块的输出端接前级放大模块的输入端，前级放大模块的输出端与滤波模块输入端和屏蔽模块的输入端相接，屏蔽模块的输出端接人体右腿采集电极，滤波模块的输出端接50Hz陷波模块的输入端，50Hz陷波模块的输出端接后级放大模块的输入端，后级放大模块的输出端接AD转换模块的输出端，AD转换模块的输出端接主控模块，主控模块与多路选择模块、后级放大模块和SD卡存储模块相通信，来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块，经多路选择模块选通后接入前级放大模块放大7倍，然后经滤波模块滤除干扰信号，同时采用屏蔽模块抑制输入级的共模干扰，经滤波后的信号经50Hz陷波模块以消除工频干扰后进入后级放大模块，后级放大采用程控放大器，放大倍数由主控模块控制，后级放大的输出接AD转换模块将电位信号转换成16位数字信号，并由主控模块按一定格式写入SD卡存储模块，主控模块控制整个采集系统的工作流程；所述电源模块用于提供多种电压，为系统内各个模块供电；多路选择模块用于在16路采集通道中循环切换，每次选通一路；前级放大模块放大属于微小信号的人体皮肤电位，前级放大倍数为7；所述屏蔽模块包括缓冲放大器和右腿驱动电路，屏蔽模块采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位，减小共模信号的影响，并通过右腿驱动电路将共模信号接入人的右腿，从输入级上减小共模信号的影响；滤波模块包括高通滤波器和低通滤波器，允许通过的信号频率为0.1～200Hz；50Hz陷波模块用以消除干扰以及后级电路再次引入50Hz工频干扰；后级放大模块采用程控放大器；AD转换模块采集的模拟电位信号转换为16位的数字信号；SD卡存储模块用于存储采集的电位数据；主控模块通过外围接口与后级放大模块、AD转换模块和SD卡存储模块相接。

本发明所述主控模块采用三星公司的S3C2410，主频设定在100MHz，其具有主频高、功耗低、外围接口丰富等优点。主控模块主要控制多路选择模块、AD转换模块、SD卡存储模块数据的保存等。

进一步后级放大模块采用程控放大器，程控放大器的增益根据实际的信号范围由S3C2410的程序调整。本发明分两级放大有利于提高信噪比。本系统的后级放大模块采用程控放大器，可根据实际皮肤电位范围通过程序设置后级增益，增加了灵活性。

进一步，所述前级放大模块放大的放大倍数为7倍。为防前级放大模块工作于饱区和或截止区，其增益不能过大，试验表明：10倍以内效果较好，优选为7倍。

所述电源模块提供5.0V、-5.0V、3.3V和1.8V三种电压输出，电源模块采用3片LT1763和1片LT1964，均为低压差线性稳压器件。本发明电源模块可提供多种电压，保证稳定地为各个模块供电。

所述多路选择模块采用ADG406做16路采集电极的16选1，采用ADG604做2路参考电极的2选1，ADG406的16路输入端S1～S16接16路16路采集电极的CH1～CH16，ADG406的使能端EN接S3C2410的IO口GPA，ADG406的地址线A0～A3接主控模块S3C2410的IO口GPB0～GPB3，通过不同的逻辑值选通不同的通道；ADG604的的输入端S1～S2接2路参考电极输入的Ref1～Ref2，ADG604的使能端接SC2410的GPA1，地址线A0～A1接主控模块S3C2410的GPC0～GPC1。

所述屏蔽模块由双运放集成电路OP2177构成，片内集成了两个运放，其中一个OP2177构成电压跟随器，作为抗干扰措施的屏蔽线驱动器，另外一个OP2177构成增益为39的反相放大器，通过右腿驱动电路用以右腿驱动。

所述滤波模块的高通滤波器和低通滤波器由双运放集成电路OP2177构成。

所述50Hz陷波模块为双T型带阻滤波器。

本发明多通道人体皮肤电位采集系统具有如下有益效果：

(1)采集人体皮肤上由各器官和组织激发的电信号，而不仅仅是采集某一种组织或器官电位；

(2)本发明采用16位AD转换模块，测量精度高，多种抗干扰措施，抗干扰能力强；

(3)因为本发明具有16个采集通道，支持多点采集；

(4)本发明采用SD卡保存测量数据，容量大；

(5)本发明系统采用电池供电，便于携带。

附图说明

图1为本发明多通道人体皮肤电位采集系统的构成原理图。

图2为本系统电源模块的电路图。

图3为本系统多路选择模块的电路图。

图4为本系统前级放大模块的电路图。

图5为本系统屏蔽模块的电路图。

图6为本系统滤波模块的电路图。

图7为本系统50Hz陷波的电路图

图8为本系统后级放大模块的电路图。

图9为本系统AD转换模块的电路图。

图10、图10续1、图10续2为主控模块的电路图。

图11、图11续1为主控模块外围电路的电路图。

图12为本系统SD卡接口电路的电路图

图1中，1：电源模块；2：多路选择模块；3：前级放大模块；4：屏蔽模块；5：滤波模块；6：50Hz陷波模块；7：后级放大模块；8：AD转换模块；9：主控模块 10：SD卡存储模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，所述多通道人体皮肤电位采集系统包括电源模块1、多路选择模块2、屏蔽模块4、前级放大模块3、滤波模块5、50Hz陷波模块6和后级放大模块7、AD转换模块8和主控模块9和SD卡存储模块10。

来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块2，多路选择模块2的输出端接前级放大模块3的输入端，前级放大模块3的输出端与滤波模块5输入端和屏蔽模块4的输入端相接，屏蔽模块4的输出端接人体右腿采集电极，滤波模块5的输出端接50Hz陷波模块6的输入端，50Hz陷波模块6的输出端接后级放大模块7的输入端，后级放大模块7的输出端接AD转换模块8的输出端，AD转换模块8的输出端接主控模块9，主控模块9与多路选择模块2、后级放大模块7和SD卡存储模块10相通信。

来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块，经多路选择模块2选通后接入前级放大模块3放大7倍，同时从前级放大模块3中取出共模信号，经屏蔽模块4的右腿驱动电路和电极屏蔽层，减小共模信号的影响，经前级放大后的信号再进入滤波模块5滤波处理，允许信号频率为0.1～200Hz的信号通过，其中主要是滤除高频干扰信号，因其幅度较大，对测量造成的影响最大；滤波模块的输出信号中由于受周围环境的50Hz工频干扰，所以进入50Hz陷波模块6后首先由50Hz陷波器滤除50Hz干扰信号，经后级放大模块7放大到适于AD转换模块8的输入信号范围的信号进入AD转换模块8，AD转换模块8将放大后的模拟信号转换为16位数字信号，由主控模块的控制将该数字电位信号以一定格式写入SD卡存储模块10中完成数据的采集。本系统主控模块采用了S3C2410芯片主频设定在100MHz，运行速度快，所以能采集丰富的电位数据。

所述多通道人体皮肤电位采集系统还包括主控模块外围电路，提供主控模块运行的环境

所述电源模块1用于提供多种电压，为系统内各个模块供电；多路选择模块2用于在16路采集通道中循环切换，每次选通一路；前级放大模块3放大属于微小信号的人体皮肤电位，前级放大倍数为7；所述屏蔽模块4包括缓冲放大器和右腿驱动电路，屏蔽模块4采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位，减小共模信号的影响，并通过右腿驱动电路将共模信号接入人的右腿，从输入级上减小共模信号的影响；滤波模块5包括高通滤波器和低通滤波器，允许通过的信号频率为0.1～200Hz；50Hz陷波模块用以消除干扰以及后级电路再次引入50Hz工频干扰；后级放大模块7采用程控放大器；AD转换模块8采集的模拟电位信号转换为16位的数字信号；SD卡存储模块10用于存储采集的电位数据；主控模块9通过外围接口与后级放大模块7、AD转换模块8和SD卡存储模块10相接。

如图2所示，电源模块：根据各电路供电需要，本模块提供了3种电压输出：5.0V、-5.0V、3.3V和1.8V。电源模块采用3片LT1763和1片LT1964，均为低压差线性稳压器件，突出特点是低噪声。3片LT1763通过外围电路的不同阻容组合，分别产生5.0V、3.3V和1.8V。由于电路中放大器采用双电源供电，所以采用1片LT1964产生所需的-5V。各稳压芯片外围电路的电阻、电容大小如图2中所示。

如图3所示，多路选择模块：采用1片ADG406做16路采集电极的16选1，1片ADG604做2路参考电极的2选1。ADG406和ADG604均具有极低的导通阻抗和高速切换性能。其中JP_IN1为排插，接入16路采集电极CH1～CH16；ADG406的16路输入端S1～S16接16路JP_IN1的CH1～CH16，Mux_com1为16选1的输出端；同时ADG406的使能端EN接S3C2410的IO口GPA，地址线A0～A3接S3C2410接S3C2410的IO口GPB0～GPB3，通过不同的逻辑值选通不同的通道；排插JP_IN2接入2路参考电极输入Ref1～Ref2；ADG604的的输入端S1～S2接JP_IN2的Ref1～Ref2，Mux_com2为2选1的输出端；同时ADG604的使能端接SC2410的GPA1，地址线A0～A1接S3C2410的GPC0～GPC1。

如图4所示前级放大模块：选用具有高共模抑制比、低噪声的仪表放大器AD620，增益G＝1+49.4kΩ/Rg＝1+49.4/8.25＝7，为防止前置放大模块工作于饱区和或截止区，其增益不能过大，试验表明：10倍以内效果较好。R4、R5中间点CMS为人体共模信号检出点。+IN和-IN为差分信号输入端，分别接Mux_com1和Mux_com2，加入R1、R2为进一步提高输入阻抗，从而提高共模抑制比。FA_out为前级放大信号的输出端。

如图5所示屏蔽模块：双运放集成电路OP2177构成。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了两个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路。其中一个1/2 OP2177构成电压跟随器，作为抗干扰措施的屏蔽线驱动器，以消除分布电容，提高输入阻抗和共模抑制比；另外一个1/2OP2177则构成增益为39的反相放大器，用以右腿驱动，从而降低甚至抵消共模电压，以达到较强抑制50Hz工频干扰之目的。

如图6所示滤波模块：高通滤波器和低通滤波器双运放集成电路OP2177构成。高通滤波器可以滤除因人体呼吸与电极导线抖动所造成的低频信号基线漂移。高通滤波器的输入为FA_out，输出为HPF_out，本系统将高通滤波器的3dB截至频率(fc)设定在0.1Hz，其中

当Q＝0.707时可得到最大平滑响应，所以将Q＝0.707带入上式，并且令C₁₇＝C₁₈＝C，可得

计算得到C₁₇＝C₁₈＝1μF，R₁₁＝1MΩ，R₁₂＝2MΩ。而大部分的皮肤电位信号都在200Hz以下，所以本系统将低通滤波器的3dB截至频率设定在200Hz，以滤除200Hz以上的信号。低通滤波器的输入为HPF_out，输出为LPF_out。由滤波电路，

当Q＝0.707时可得最大平滑响应，所以Q＝0.707代入上式并且令R₁₃＝R₁₄＝R，可得

计算得到C₁₉＝200pF，C₂₀＝100pF，R₁₃＝R₁₄＝1KΩ。

如图7所示50Hz陷波模块：由OP2177构成，其中陷波模块输入为LPF_out，输出为NotcH_out，虽然前置放大电路对共模干扰有较强的抑制作用，但有部分干扰仍然存在很大的工频干扰，必须专门滤除。本系统中采用双T型带阻滤波器，选取元件R＝32KΩ，C＝0.1uF。

适当运用电阻误差，可以将其近似调整为50Hz左右，输出信号为Notch_out。

如图8所示后级放大模块：后级放大模块采用仪表放大器AD623，其增益可编程，所以优点是可以根据实际皮肤电位信号通过程序调整放大倍数，调节范围为1～1000，满足我们的使用要求。实际使用时，AD623的RG之间接数字电位器X9214，其被S3C2410通过IIC总线设置选通不同的电阻网络，从而得到不同的增益值。图中X9214的SCL、SDA端接S3C2410的IIC总线相应引脚，S3C2410通过IIC总线控制数字电位器，从而达到程控放大的目的；A0～A3均接地，即定义X9214的地址为0；RL、RH接至AD623的RG两端；AD623采用双电源供电方式，其输出为Analog_out。

如图9所示AD转换模块：AD转换模块采用MAX1132，它是MAXIM公司生产的单电源、低功耗、16位、单/双极性转换的高精度串行逐次逼近型ADC。其内部带有跟踪/保持及校准电路，可使用内部或外部参考电压及时钟。采样速率最高可达到200ksps最低消耗电流为7.5mA。电路图中，MAX1132的片选端CS接ADC_CS信号端，即连至S3C2410的IO口GPG2；串行时钟输入端SCLK接信号端ADC_SCLK，即连至S3C2410的SPICLK0，复位端RST接S3C2410的ADC_RST端；MAX1132的串行数据输入端DIN端接S3C2410的SPIMOSI，输入ADC的控制字。ADC的输入端AIN接后级放大电路的输出Analog_out；ADC的数字信号输出端DOUT接S3C2410的SPIMISO，即输出16位的电位信号。

如图10、图10续1和图10续2所示主控模块，其中S3C2410的nRESET端接复位输入端nRESET，输入系统的复位信号；IO口GPF4～GPF7接nLED1，nLED2，nLED4，nLED8；输出LED的驱动信号，这4个LED作为系统状态指示；GPG10接SD卡接口电路中的nCD_SD，接收SD卡插入检测信号；图10中还给出了S3C2410的电源电路，其供电需要1.8V和3.3V两种电压，每一电压接入处都有相应滤波电路；图10续1为S3C2410的第二部分原理图，LADDR0～LADDR26为地址总线；LDATA0～LDATA31为数据总线；WP_SD接SD卡写保护的检测信号输入；nGCS0～nGCS0分别为BANK0～BANK5的片选信号；OM[1:0]确定nGCS0设备的总线宽度；图10续2为S3C2410的第三部分原理图，其中，SPI总线接AD转换芯片MAX1132的相应引脚；NF-BUS接图10-1中NAND_FLASH的相应引脚；总线SDRAM接图10-1中SDRAM相应引脚；S3C2410集成了SD卡控制器，本系统采用采用这种SD总线通信方式，即图中通过SDCard总线连接SD卡接口；UART为串口相应信号线，本系统中串口用于下载程序和调试；JTAG信号线用于连接JTAG接口，用于系统调试。

如图11和图11续1所示：主控模块外围电路，其中，UART为串口电路；RESET为S3C2410的复位电路；LED1～LED4为系统状态指示LED，用于当前系统状态；系统中设置了4个按钮开关，分别接至S3C2410的外部中断引脚EINT11、EINT14、EINT15、EINT19；CLOCK为S3C2410的时钟电路，其中主晶振频率为12MHz，通过内部PLL电路倍频，可使本系统工作在100MHz；JTAG为20针JTAT接口电路；OM[3:2]确定时钟源，OM[1:0]确定nGCS0设备的总线宽度；图11续1中，本系统使用了2片32MB的K4S561632SDRAM芯片，构成64MB的存储空间，地址总线A0～A12接S3C2410的地址线LADDR2～LADDR14；BANK地址线BA[1:0]分别接S3C2410接LADDR[25:24]和LADDR[27:26]；数据总线接S3C2410的LDATA0～LDATA31；NAND FLASH芯片采用K9F1208，IO端口IO0～IO7接S3C2410的LDATA[0:7]；控制线CLE、ALE、nCE、nRE、nWE接至NF-Bus。

如图12所示：SD卡接口电路，SD卡接口电路通过SD总线连至S3C2410的SD卡控制器，信号线根据需要接10K的上拉电阻。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于包括电源模块、多路选择模块、前级放大模块、屏蔽模块、滤波模块、50Hz陷波模块、后级放大模块、AD转换模块、SD卡存储模块和主控模块，来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块，多路选择模块的输出端接前级放大模块的输入端，前级放大模块的输出端与滤波模块输入端和屏蔽模块的输入端相接，屏蔽模块的输出端接人体右腿采集电极，滤波模块的输出端接50Hz陷波模块的输入端，50Hz陷波模块的输出端接后级放大模块的输入端，后级放大模块的输出端接AD转换模块的输出端，AD转换模块的输出端接主控模块，主控模块与多路选择模块、后级放大模块和SD卡存储模块相通信，来自16路采集电极和2路参考电极接入多路选择模块，经多路选择模块选通后接入前级放大模块放大7倍，然后经滤波模块滤除干扰信号，同时采用屏蔽模块抑制输入级的共模干扰，经滤波后的信号经50Hz陷波模块以消除工频干扰后进入后级放大模块，后级放大采用程控放大器，放大倍数由主控模块控制，后级放大的输出接AD转换模块将电位信号转换成16位数字信号，并由主控模块按一定格式写入SD卡存储模块，主控模块控制整个采集系统的工作流程；所述电源模块用于提供多种电压，为系统内各个模块供电；多路选择模块用于在16路采集通道中循环切换，每次选通一路；前级放大模块放大属于微小信号的人体皮肤电位，前级放大倍数为7；所述屏蔽模块包括缓冲放大器和右腿驱动电路，屏蔽模块采用缓冲放大器将连接点的共模电位驱动到屏蔽线，在输入共模信号时使屏蔽线与芯线等电位，减小共模信号的影响，并通过右腿驱动电路将共模信号接入人的右腿，从输入级上减小共模信号的影响；滤波模块包括高通滤波器和低通滤波器，允许通过的信号频率为0.1～200Hz；50Hz陷波模块用以消除干扰以及后级电路再次引入50Hz工频干扰；后级放大模块采用程控放大器；AD转换模块采集的模拟电位信号转换为16位的数字信号；SD卡存储模块用于存储采集的电位数据；主控模块通过外围接口与后级放大模块、AD转换模块和SD卡存储模块相接。

2.如权利要求1所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于主控模块采用三星公司的S3C2410，主频设定在100MHz。

3.如权利要求2所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于后级放大模块采用程控放大器，程控放大器的增益根据实际的信号范围由S3C2410的程序调整。

4.如权利要求3所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于所述电源模块提供5.0V、-5.0V、3.3V和1.8V四种电压输出，电源模块采用3片LT1763和1片LT1964，均为低压差线性稳压器件。

5.如权利要求4所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于多路选择模块采用ADG406做16路采集电极的16选1，采用ADG604做2路参考电极的2选1， ADG406的16路输入端S1~S16接16路采集电极的CH1~CH16， ADG406的使能端EN接S3C2410的IO口GPA，ADG406的地址线A0~A3接主控模块S3C2410的IO口GPB0~GPB3，通过不同的逻辑值选通不同的通道； ADG604的输入端S1~S2接2路参考电极输入的Ref1~Ref2，ADG604的使能端接S3C2410的GPA1，地址线A0~A1接主控模块S3C2410的GPC0~GPC1。

6.如权利要求5所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于屏蔽模块由双运放集成电路ＯＰ２１７７构成，片内集成了两个运放，其中一个OP2177构成电压跟随器，作为抗干扰措施的屏蔽线驱动器，另外一个OP2177构成增益为39的反相放大器，通过右腿驱动电路用以右腿驱动。

7.如权利要求6所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于所述滤波模块的高通滤波器和低通滤波器由双运放集成电路OP2177构成。

8.如权利要求7所述的多通道人体皮肤电位采集系统，其特征在于50Hz陷波模块为双T型带阻滤波器。