CN209285498U - 基于ads1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器 - Google Patents

基于ads1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器 Download PDF

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白玉晶
魏彦兆
路越
林熠阳
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Abstract

本实用新型公开了一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，属于信号采集技术领域，本实用新型通过设置两片ADS1299芯片，能够分别采集脑电信号和肌电信号两种信号，使高质量的脑电信号采集和肌电信号采集更易于实现，并且通过各部件的配合，减少了脑电信号采集过程中的噪声干扰，提高了脑电信号的质量，同时降低了系统功耗。

Description

基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器
技术领域
本实用新型涉及信号采集技术领域，特别涉及一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器。
背景技术
人体组织细胞总是在自发不断地产生着很微弱的生物电活动。大脑作为人体内构造和功能最为复杂的器官，一直吸引着无数试图穷尽其奥秘的学者。脑电信号作为大脑科学的钥匙，为神经脑科学研究提供了根本的依据与途径。脑电信号是大量脑神经细胞在高度相干状态下的电活动在大脑皮层上的总体效应。利用当前已有的技术，可以通过在人脑头皮表面特定区域贴电极片进行脑电信号采集，并经脑电检测设备放大并传输给相应的显示设备，能够得到连续且具有一定波形、幅度、频率和相位的图形、曲线，即脑电图。当脑组织进行运动想象时，脑电信号会发生相应的改变，从而为脑科学研究，运动神经康复训练提供依据。但是，微弱的脑电信号往往伴随着强大的干扰信号同时存在，包括阻抗引起的衰减，传输线介质的干扰，随机噪声的干扰等，因此在脑电信号放大的同时也不可避免将干扰信号放大。具体地说，对于微伏量级的脑电信号，如果希望在16位以下的采样系统中分辨清楚则必须放大至少1000-10000倍，而此时上述干扰信号将会使放大器饱和。
为了解决干扰信号使放大器饱和的问题，传统脑电采集系统针对该问题，大多设计有截止频率为0.5Hz高通滤波器或者更小的直流和低频放大倍数来防止放大部分饱和。然而，脑电研究过程中，在接近直流的低频0.01Hz处发现了可能与脑疾病或认知相关的信息，传统的滤波或者降低放大倍数操作不利于脑电信息的提取，无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。
对于有特性用途的运动想象脑电放大器，除脑电信号外还需要采集肌电等信号，需要新型多通道脑电肌电综合放大器，传统脑电放大器很难满足特殊用途的需求。
实用新型内容
为解决上述的全部或部分的技术问题，本实用新型提供了一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器。
本实用新型提供的一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括：多个第一导联电极、多个第二导电电极、信号预处理电路、集成前端放大器、控制器和通信电路，所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片，各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片相连，各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片相连；
所述第一ADS1299芯片，用于从所述第一导联电极处采集脑电信号，对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器；
所述第二ADS1299芯片，用于从所述第二导联电极处采集肌电信号，对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器；
所述控制器，用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路发送至上位机。
优选地，所述第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片之间采用雏菊链连接。
优选地，所述控制器采用STM32芯片。
优选地，所述第一ADS1299芯片的CLK引脚与所述第二ADS1299芯片的CLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述第二ADS1299芯片的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述第二ADS1299芯片的引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述第二ADS1299芯片的DIN引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DAISY_IN0引脚与所述第二ADS1299芯片的DOUT1引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述STM32芯片的引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DOUT0引脚与所述STM32芯片的MISO引脚连接，所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述STM32芯片的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述STM32芯片的GPO引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述STM32芯片的MOSI引脚连接，所述第二ADS1299芯片的DAISY_IN1引脚接地。
优选地，各第一导联电极和所述第一ADS1299芯片之间分别设有第一预处理电路，各第二导联电极和所述第二ADS1299芯片之间分别设有第二预处理电路。
优选地，所述第一预处理电路和第二预处理电路均采用低通滤波电路。
优选地，所述低通滤波电路包括：电阻R和电容C，所述电阻R的第一端与导联电极接口连接，所述电路的电阻R的第二端与所述电容C的第一端以及ADS1299芯片接口分别连接，所述电容C的第二端接地。
优选地，所述第一导联电极的数量为8，所述第二导联电极的数量为8。
本实用新型通过设置两片ADS1299芯片，能够分别采集脑电信号和肌电信号两种信号，使高质量的脑电信号采集和肌电信号采集更易于实现，并且通过各部件的配合，减少了脑电信号采集过程中的噪声干扰，提高了脑电信号的质量，同时降低了系统功耗。
附图说明
图1是本实用新型一种实施方式的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器的结构框图；
图2是图1所示的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器中第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片的电路原理图；
图3是图1所示的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器中预处理电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
图1是本实用新型一种实施方式的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器的结构框图；参照图1，所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括：8个第一导联电极(分别对应图中的11、12、…、18)、8个第二导电电极(分别对应图中的21、22、…、28)、集成前端放大器、控制器60和通信电路70，所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52，各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片51相连，各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片52相连；
当然，所述第一导联电极和第二导联电极均可为其他数量，例如：1、2、3、4、5、6或7个，本实施例对此不以限制。
所述第一ADS1299芯片51，用于从所述第一导联电极处采集脑电信号，对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器；
所述第二ADS1299芯片52，用于从所述第二导联电极处采集肌电信号，对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器60；
需要说明的是，ADS1299芯片内置8通道采集电路，每个通道搭载增益可调的高达24倍低噪声模拟信号放大器(PGA)、24位高分辨率ADC转化芯片达0.1μV/bit；内置参考基准电压、片内振荡器、偏差放大器以及测试信号、可多信号切换输入；搭载串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)，实现全双工双向传输；内置驱动放大电路以及共模抑制电路，共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，CMRR)大于110dB；支持双极性或者单极性输入，功耗低至5mW；内置雏菊链电路，可以利用多芯片级联实现多通道同步采集，适合脑电、肌电、心电等微弱生理电信号的采集放大与数字转换输出。
所述控制器60，用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路70发送至上位机。
在具体实现中，为便于将多路信号依次进行输出，本实施例中，所述第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52之间采用雏菊链连接。
为节约成本，本实施例中，所述控制器60采用STM32芯片(即对应图2中的“HostProcessor”)，所述STM32芯片可采用STM32F103系列嵌入式微控制器，所述STM32F103系列嵌入式微控制器是意法半导体(ST)基于ARM Cortex-M3内核专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用系统设计的增强型中低端的32位处理器，芯片时钟频率72MHz，集成了集成电路总线(Inter-Integrated Circuit，IIC)、串行外设接口SPI以及通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART)等通信协议，8个定时器、12位模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)、安全数字输入输出卡(Secure Digital Input and Output Card，SDIO)等多种功能，支持JTAG、ST-LINK调试和下载，开发编译环境以及应用技术十分成熟，应用普遍。可利用STM32对ADS1299芯片进行初始化配置，包括采样率和放大器增益、数据接收模式、参考电位选择等；利用STM32的硬件SPI进行高速数据采集并发送至USB接口或射频发射端；利用STM32控制彩屏显示系统状态实现人机交互。
具体地，在工作原理中数据采集模式设置可包括以下五个步骤：
1)配置ADS1299相关通用输入/输出(General Purpose Input Output，GPIO)，初始化SPI，EXTI外部中断，显示系统状态；利用定时器产生2.048MHz时钟信号输入至芯片一和芯片二的时钟端。
2)初始化第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52(共用命令和片选):禁用第一ADS1299芯片51的DRDY中断-->复位两个ADS1299芯片-->发送命令SDATAC,停止复位后默认的RDATAC，以读取后续寄存器数据-->读取两个ADS1299芯片的ID，整个过程可以用彩屏显示状态。
3)设置两个ADS1299芯片配置寄存器CONFIG1：0x90+采样率DR[2：0]，写入采样率，选择雏菊链模式，外部时钟输入，没有时钟输出，250SPS＝fMOD/4096.(fMOD＝fCLK/2＝1.024MHz)。
配置两个ADS1299芯片的寄存器CONFIG2：0xC0,INT_TEST测试外部信号,1*(VrefP-VrefN)/2.4mV＝1.875mV,信号的频率1Hz。
配置两个ADS1299芯片寄存器CONFIG3：0xE0，误差检测以及参考设置。
配置采集通道寄存器1-8，Gain+0x00：正常采集模式，GAIN是放大增益。
配置寄存器Miscellaneous1：0x20：SRB1＝1(Closed)；
其余寄存器均为默认值。
4)发送开始命令，使得两个ADS1299芯片采集与转换数据同步进行；发送连续读数据命令，注意等待DADY的判断机制，首先预读取5个数据，待DADY能正常拉高拉低后，使能外部中断，在外部中断中读取ADS1299芯片一传送的数据；然后在主函数通过USB或者射频发送至上位机。注意每次读到的一组数据54字节中，从第四个字节开始才是1-8通道的各3个字节数据，第一组数据27个字节结束后紧跟芯片二的27个字节的一组数据。
5)停止采集：首先关掉连续采集模式，然后发送停止信号停止采集。
为便于实现雏菊链连接，参照图2，本实施例中，所述第一ADS1299芯片51(即图2中的“Device 1”)的CLK引脚与所述第二ADS1299芯片52(即图2中的“Device 2”)的CLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的SCLK引脚与所述第二ADS1299芯片52的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的引脚与所述第二ADS1299芯片52的引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的DIN引脚与所述第二ADS1299芯片52的DIN引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的DAISY_IN0引脚与所述第二ADS1299芯片52的DOUT1引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的引脚与所述STM32芯片的引脚连接，所述第一ADS1299芯片52的DOUT0引脚与所述STM32芯片的MISO引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的SCLK引脚与所述STM32芯片的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的引脚与所述STM32芯片的GPO引脚连接，所述第一ADS1299芯片51的DIN引脚与所述STM32芯片的MOSI引脚连接，所述第二ADS1299芯片52的DAISY_IN1引脚接地。
可理解的是，所述引脚用于接收片选信号，SCLK引脚用于接收数据同步时钟信号，CLK引脚用于接收外部时钟信号，DIN引脚用于接收STM32芯片发送的设置信号，DOUT0引脚为数据串行输出引脚，START引脚为采集触发引脚，引脚为用于发出数据准备完成指令的引脚。
需要说明的是，图2中未将所述第一ADS1299芯片上的8路用于连接导联电极的IO接口示出，图2中未将所述第二ADS1299芯片上的8路用于连接导联电极的IO接口示出。
本实施例的信号放大器，通过多片24bit高精度、低功耗、低噪声的高性能ADS1299芯片采用雏菊链的形式连接，支持8通道脑电信号和8通道肌电信号同时采样放大与转换；
本实施例的信号放大器支持上位机软件或者系统按键灵活配置16通道数据采样率：250SPS至16kSPS以及16通道模拟信号放大增益1至24倍；
本实施例的信号放大器采用STM32高性能低功耗控制芯片控制ADS1299实现数据同步采集、数据异步传输以及状态实时彩屏显示，并通过USB有线或者射频无线传输至上位机进行数据分析处理；
本实施例的信号放大器具有极高的输入阻抗：1TΩ；
本实施例的信号放大器具有极低的输入偏置电流：300pA；
本实施例的信号放大器具有极低的输入参考噪声：1μVpp；
本实施例的信号放大器具有可调的采样速率：250SPS(每秒采样率)—16k SPS；
本实施例的信号放大器具有大的共模抑制比：-110dB；
本实施例的信号放大器具有可调增益放大倍数：1、2、4、6、8、12、24倍；
本实施例的信号放大器具有高的分辨率：24位ADC，精度最高可达0.1μV；
本实施例的信号放大器具有极低的功耗：正常工作时39mW，待机时低至仅10μW；
本实施例的信号放大器具有内建滤波算法，有效去除环境噪声干扰；
本实施例的信号放大器具有采用软硬件技术滤处市电干扰，在生活环境中正常使用，无需专业的屏蔽实验室；
本实施例的信号放大器具有采用ESD防护技术，不需要额外接保护地线，确保使用人员人身及设备安全适用于脑电/心电/肌电/眼电等领域分析研究和前沿技术。
为便于对信号进行预处理，从而提高后续处理的准确性，本实施例中，各第一导联电极和所述第一ADS1299芯片51之间分别设有第一预处理电路(分别对应图中的31、32、…、38)，各第二导联电极和所述第二ADS1299芯片52之间分别设有第二预处理电路(分别对应图中的41、42、…、48)。
由于噪声通常是高频信号，为预先对噪声进行过滤，本实施例中，所述第一预处理电路和第二预处理电路均采用低通滤波电路。
为降低低通滤波电路的成本，参照图3，本实施例中，所述低通滤波电路包括：电阻R和电容C，所述电阻R的第一端与导联电极接口连接，所述电路的电阻R的第二端与所述电容C的第一端以及ADS1299芯片接口分别连接，所述电容C的第二端接地。
以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括：多个第一导联电极、多个第二导电电极、集成前端放大器、控制器和通信电路，所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片，各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片相连，各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片相连；
所述第一ADS1299芯片，用于从所述第一导联电极处采集脑电信号，对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器；
所述第二ADS1299芯片，用于从所述第二导联电极处采集肌电信号，对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤，并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器；
所述控制器，用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路发送至上位机。
2.如权利要求1所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片之间采用雏菊链连接。
3.如权利要求2所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述控制器采用STM32芯片。
4.如权利要求3所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述第一ADS1299芯片的CLK引脚与所述第二ADS1299芯片的CLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述第二ADS1299芯片的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述第二ADS1299芯片的引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述第二ADS1299芯片的DIN引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DAISY_IN0引脚与所述第二ADS1299芯片的DOUT1引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述STM32芯片的引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DOUT0引脚与所述STM32芯片的MISO引脚连接，所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述STM32芯片的SCLK引脚连接，所述第一ADS1299芯片的引脚与所述STM32芯片的GPO引脚连接，所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述STM32芯片的MOSI引脚连接，所述第二ADS1299芯片的DAISY_IN1引脚接地。
5.如权利要求1～4中任一项所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，各第一导联电极和所述第一ADS1299芯片之间分别设有第一预处理电路，各第二导联电极和所述第二ADS1299芯片之间分别设有第二预处理电路。
6.如权利要求5所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述第一预处理电路和第二预处理电路均采用低通滤波电路。
7.如权利要求6所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述低通滤波电路包括：电阻R和电容C，所述电阻R的第一端与导联电极接口连接，所述电路的电阻R的第二端与所述电容C的第一端以及ADS1299芯片接口分别连接，所述电容C的第二端接地。
8.如权利要求1～4中任一项所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器，其特征在于，所述第一导联电极的数量为8，所述第二导联电极的数量为8。
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CN108968954A (zh) * 2018-06-07 2018-12-11 杭州航弈生物科技有限责任公司 基于ads1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器

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