ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统.docxVIP

ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统时间：2012-02-21 16:49:00?来源：电子设计工程?作者：魏厚杰，官金安，方 浩摘要：介绍了一种便携式多功能生理信号采集装置，用户通过简单设置及选择相应电极，可分别进行脑电和心电数据的实时采集，并能对数据进行显示和存储。它具有精度高、体积小、功耗低等特点。该系统下位机主要由ST公司的STM32单片机STM32F103和TI公司的ADS1298模拟前端IC构成，省去了大量的外围电路。下位机通过USB2．0协议与上位机进行数据传输。上位机USB驱动由NI-VISA实现，软件用LabVIEW开发。关键词：生理电信号；24位ADC；USB；LabVIEW引言??? 生理电信号在医疗诊断和科学研究方面有着重要的意义。目前，生理电信号采集装置通常针对某种特定的信号设计，如脑电图机、心电图机等。通常精度高的仪器，由于各个通道均需要独立的模拟放大、滤波等模块，故其体积往往较大，限制了仪器的应用环境。而脑电的幅频特性“0．001～0．1 mV、0．5～40 Hz”与心电的幅频特性“1～5 mV、0．05～100 Hz”具有相似性。本文运用24位ADC技术，直接采集生理电信号，进行数字滤波和放大，设计一种能通过简单配置，能分别采集脑电和心电的生理信号采集系统。该系统具有可复用、便携、功耗低等特点，为生理信号的采集提供一种新方案。1 总体设计??? 考虑到整个系统的精度、体积、成本以及电子技术的发展趋势，提出以下设计方案。为减小系统体积，提升精度，系统利用24位A／D转换芯片和低数值基准电压源，得到高分辨率的数字信号(μV／bit级)，传送至单片机。单片机根据具体的应用(脑电或心电)配置A／D芯片，并进行数据的采集、存储。由于数据量较大，系统上／下位机之间采用USB协议进行数据传输。为防止人体触电、减少信号干扰，USB数据链路采用ADuM4160芯片进行隔离。上位机采用LabVIEW软件实现USB驱动、数据处理和界面的设计。图1为系统的原理框图。2 硬件设计2．1 预处理电路??? 图2为预处理部分电路。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30 kHz，可通过电压幅值范围为±700mV。2．2 基准电平??? 虽然ADS1298中集成了精度为0．2％的2．4V和4．0 V的基准电平，但为了减小前端放大器的放大倍数，本设计中的ADC部分采用REF3112提供的1．25 V(0．2％)作为基准电平。该电平通过OPA211组成的电压跟随器进一步稳定，输入至ADS1298的VREF。2．3 模拟前端ADS1298??? 本系统的模拟前端采用TI公司的ADS1298芯片。其内部原理框图如图3所示。?? ADS1298主要特性为：??? ①8通道24位ADC转换芯片，其采样频率可工作在250sps～32ksps。??? ②各通道含可编程放大器，其放大倍数在1～12倍可调；CMRR100 dB时，输入阻抗约为10MΩ。??? ③内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端。??? 根据心电模式或脑电模式的具体应用，通过单片机配置多路选择器(MUX)内部各个输入端(INPUTS、RLD)的通断，可编程放大器(A1～A8)的放大倍数和AD转换器(ADC1～ADC8)的采样频率。当芯片完成一次转换，Data Ready引脚变为低电平，通知MCU通过SPI总线读取数据。2．4 MCU控制部分??? 选用STM32F103芯片作为系统的MCU。该芯片具有高性能(72 MHz工作频率、具有单周期乘法指令和硬件除法指令)，低功耗(0．19 mW／? MHz)和丰富外设(SPI及USB等)等特点。对于模拟前端ADS1298，MCU作为主机，采用SPI协议进行通信。系统上电时，设置ADS1298的相应寄存器；在检测到ADS1298的Data Ready信号后，读取ADC的转换结果。对于上位机，MCU作为从机，采用USB协议和上位机进行通信。MCU在连接上位机时，完成USB枚举等初始化动作；当接收到ADS1298的数据后，打包成USB数据包，传送给上位机。2．5 USB隔离??? 为保护人体安全，本设计中采用ADuM4160芯片进行上下位机隔离，下位机采用电池供电。ADuM4160芯片是ADI公司推出的专用USB隔离芯片，具有透明、易于配置、兼容USB2．0协议、可隔离5 000 V电压等优点。图4为USB隔离部分框图。芯片左侧VBUS1、DD+、DD-和GND1分别连接上位机的5 V、USB正端、USB负端和地线；芯片右侧VBUS2、DD+、DD-和PIN分别连接MCU的电源、USB正端(PA12口)、USB负端(PA11口)、I ／O口(PA10口)，其中PIN为使能端。