基于ADS1299脑电信号采集硬件设计

作者：冯钊时间：2018-11-29来源：电子产品世界收藏

编者按：本文设计了一种脑电信号采集硬件电路，此电路主要由TI公司推出的ADS1299前端模拟芯片和意法半导体推出的ARM单片机构成，ADS1299是针对脑电采集的八通道低噪声、24位ADC芯片，解决了分立式硬件设计中的很多技术难题。此电路具有高精度、体积小、功耗低等特点，是提高产品性能、降低系统功耗和成本的理想选择。

作者 / 冯钊康泰医学系统(秦皇岛)股份有限公司研发中心(河北秦皇岛 066004 )

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/201811/395038.htm

摘要：本文设计了一种脑电信号采集硬件电路，此电路主要由TI公司推出的ADS1299前端模拟芯片和意法半导体推出的ARM单片机构成，ADS1299是针对脑电采集的八通道低噪声、24位ADC芯片，解决了分立式硬件设计中的很多技术难题。此电路具有高精度、体积小、功耗低等特点，是提高产品性能、降低系统功耗和成本的理想选择。

0 引言

　　脑电图实施的原理是生物电现象。脑电波(EEG)是大脑在活动时，脑皮质细胞群之间形成电位差，从而在大脑皮质的细胞外产生电流。脑电图记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑电信号含有丰富的大脑活动信息，是生理研究和临床脑疾病诊断的重要手段。通常的脑电采集是由相对独立的各通道单独进行模拟放大、滤波、ADC运算，所以造成体积大、一致性差、功耗高等问题，且易引入大量干扰。顾及到以上问题，本文基于前端采集模拟芯片ADS1299，并利用STM32F103VCT6进行数据处理，实现了高性能、低噪声和低功耗的脑电采集硬件电路的设计。

1 总体设计

　　脑电信号极其微弱，其主要频段在0.5 Hz～100 Hz，信号幅值范围为5μV～100μV，所以极易受到其他信号的干扰，由于人体的分布电容、肌肉活动以及电子元器件受外界电磁环境影响等原因，脑电信号通常都带有多种干扰信号，如基线漂移、工频干扰、肌电干扰等等。因此脑电信号前端采集的模拟电路设计对于整体脑电采集系统尤为重要。

　　电路的总体原理框图如图1所示，本设计使脑电信号经过低通滤波预处理后，进入ADS1299集成芯片，通过ADS1299集成芯片对信号进行滤波、放大、模数转换后，再采取SPI协议传给STM32F103VCT6单片机，单片机对数据进行处理，处理后的数据通过SDIO协议存储到SD卡中，回放数据时通过读卡芯片将SD卡中的数据传输至PC机上，在PC上可进行数据的分析和处理。

2 模块化设计

　　2.1 前级保护和滤波电路

　　为了防止静电引入，造成器件的损伤，前级输入端使用响应速度较快、导通电压为200 V、通流量为1000 A的气体放电管。为了消除高频的干扰，在气体放电管之后增加RC无源低通滤波电路，滤波电路的截至频率为16 kHz，阻容选择为10 KΩ和1 nF，前级的防护电路和滤波电路如图2所示。

　　2.2 前端工频滤波电路

　　本设计采用了具有正反馈的双T带阻滤波器，原理图如图3下。

　　传递函数为：

基于ADS1299公式1.jpg

基于ADS1299公式2.jpg

　　根据产品标准要求，设计应满足：设计的陷波频率为f₀=50 Hz，通带电压增益设定在1.2以内，30 Hz处衰减不大于3 dB，并要求阻断的频率范围尽量小。使用带正反馈的双T结构，R和C当中的一个参数可以任意设定，满足公司现有物料或方便采购。考虑到元件在低频下的抗噪声性能，以及对该超低频陷波器在精度和稳定性能方面的考虑，电阻设计为高精度(<1%)，电容亦设计为高精度(<2%)，同样，也应该采用高稳定性、低噪声的放大器。

　　基于以上要求，选定电阻为68 kΩ，电容为47 nF，Rf为1.5 kΩ，R1为10 kΩ，放大器选用TLC2254，电路图如图4。

　　R和C主要用于确定陷波的中心频率的值，Rf和R1用于控制陷波器的滤波特性，包括频带宽度和Q值的高低。放大器用与放大和电压跟随，与输出端组成电压反馈电路，免于出现自激震荡。

　　陷波器的仿真波特图如下，示波器显示此时的陷波器电路能很好地抑制50 Hz的工频信号，波特图显示陷波器中心频率为50.099 Hz，与理论值49.798 Hz相差0.301 Hz，觉得误差0.0060%，理论与仿真近似相等，由此说明本次设计的滤波器为窄带滤波器，有很高的Q值，能准确地对制定频率进行滤除。

　　本设计的50 Hz陷波器的主要功能电路是有增益为1的放大器和RC双T网络以及决定电路Q值的正放开网络组成，电路具有很好的陷波深度和很高的Q值，满足设计需求，为后级采集纯净的脑电波形有力保障。

　　2.3 模拟芯片ADS1299电路

　　基于人体脑电信号的特点，需前端模拟信号采集有高输入阻抗和共模抑制能力、较高的采样精度和低噪声。因此采用TI公司推出了ADS1299芯片，该芯片具有可编程增益放大器、24位ADC、内部基准以及板载振荡器，满足脑电采集应用所需的全部常用功能。其内部原理框图如图6所示。主要特点为：8通道低噪声PGA、24位高精度ADC。1.0 μVPP的极低输入参考噪声、功耗仅为5 mW/通道、CMRR为-110 dB等。

　　本设计使用一片ADS1299，采集8通道脑电信号，设计时将人体头部电极(FP1、FP2、C3、C4、O1、O2、T3、T4)和耳电极(A1和A2)所采集的信号经保护和滤波电路后分别与ADS1299的IN1P～IN8P和IN1N～IN8N相连接。ADS1299内部集成了驱动电路，本设计选取额电极的驱动，将额电极A与RLDOUT相连，额电极A经保护和滤波电路后与RLDINV相连。ADS1299芯片与单片机采用SPI通讯方式。原理图如图7所示。

　　ADS1299最大的优势是超低噪声，输入的参考噪声仅为1 μVPP(带宽为70 Hz)，相比TI公司同类型产品ADS1298和分立器件搭建的电路有着较大的优势。ADS1298的噪声只能做到3 μVPP，而分立器件搭建的电路的噪声只能到5 μVPP。

　　2.4 数据的处理及存储电路

　　本设计选用STM32F103VCT6单片机作为MCU，此单片机具有高性能和丰富的外设功能。MCU采用SPI接口与ADS1299进行通讯，将得到的原始数据进行工频滤波处理，消除因工频产生的干扰。后将处理过的数据通过SDIO协议存储到SD卡中，以便后期使用PC机进行分析和处理。本设计使用两片TS3V340PWR和一片GL823实现SD卡与单片机或USB的选择通讯，原理图如图8所示。通过GL823芯片，将SD卡中的数据转USB协议上传至PC机，这样就可以在PC机上对脑电信号进行分析及处理，输出频谱及地形图，发现病情，判定病情，为脑疾病争取时间，对症下药。

　　2.5 电源管理电路

　　本设计使用3.7 V锂电池供电，整个电源电路可提供+3.3 V和5 V两个电源，3.3 V供给单片机和SD卡电路，5V供给ADS1299采集芯片。先将电池电源分为两路，其一从3.7 V升压至5.5 V，后使用5V的LDO得到稳定的5 V电压，供ADS1299使用;另一路直接选用MCP1603T-330降压至3.3 V，为单片机和SD卡供电。原理图如图9所示。