，具有非常低的功耗，每通道仅为5mW ;输入参考噪声低至1.0 μ V (70Hz带宽)。信号采用差分输入方式，其共模抑制比高达llOdB，直流输入阻抗高达1000ΜΩ。ADS1299芯片内置持续断电检测，很方便观察导联脱落；再配合闭环偏置驱动电路，能够很好地保证系统的抗干扰要求。
[0058]SPI接口是将ADS 11299芯片转换后的EEG信号发送至CC2541芯片。ADS1299有串行外设接口，可以支持SPI通讯；CC2541芯片有两个USART串行通信接口，通过设置相应寄存器能够使其运行于异步UART模式或者同步SPI模式。UART只需要两根线，一根发送数据，另一根接收数据，就可以全双工通信；但是数据是异步传输的，所以对双方的时序要求比较严格，通信速度也不是很快。与UART相比，SPI接口一般是三线或四线，多了同步时钟线，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。所以本发明实施例采用SPI方式来实现ADS1299与CC2541微控制器间的通讯，连线如图4所不ο
[0059]CC2541芯片将8051内核与无线收发模块集成到一块6mmX6mm大小的芯片当中，该芯片的引入缩小了采集器整体的体积，省去了单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，简化了电路的设计。如图5所示，CC2541的RF_P(25)管脚和RF_N(26)管脚是一对差分输入输出的偶极信号端口，外接几个电容C22、C23，电感Ll、L2等形成RF前端来实现射频信号的收发，这部分电路被称为巴伦匹配电路，其主要作用是通过为两种不同线路提供阻抗转换而进行匹配。
[0060]巴伦匹配电路的结构好坏直接影响着通信距离和系统功耗。天线部分可以用PCB天线，也可以使用外接SMA的杆状天线，本发明实施例采用PCB天线，天线尺寸是根据TI提供的参考进行的设计，如图6。另外，CC2541芯片需要外接2个晶振，工作频率分别为32MHz和32.768KHz。其中芯片管脚32和33接32.768kHz的石英晶振，管脚22和23接32MHz的石英晶振，均需配合一定容值的电容来实现，晶振电路如图7所示。
[0061]电源模块电路如图8所示。ADS1299芯片需要2.75V-5.25V模拟供电，1.8V-3.6V数字供电，CC2541芯片需要2V-3.6V，所以本采集器采用3.3V电池供电，并利用芯片TPS77033实现稳压。本发明实施例中的模拟电路和数字电路两部分独立供电，模拟地和数字地也要分开，遵循“单点”接地的原则。模拟电源由数字电源产生，所以在数字电源与模拟电源以及数字地与模拟地之间分别加磁珠BEAD1和BEAD2构成无源滤波电路，抑制高频干扰，从而滤除数字电路的噪声。
[0062]二、软件设计
[0063]如图9所示，CC2541芯片作为主机主要需完成两大方面的任务:控制ADS1299芯片采集脑电数据并通过SPI传送至CC2541芯片；将收到的脑电数据打包后通过蓝牙发送给上位机4。所以软件部分主要包括SPI通讯程序和蓝牙通讯程序两部分。程序是在IAREmbedded Workbench环境下开发的。
[0064]在SPI模式下，CC2541芯片作为通信中的主机(Master)，ADS1299芯片是从机(Slave)，通过4线接口通信。由CC2541芯片发出SCLK的时钟，其管脚M0SI (38)、MIS0(37)、SCK(5)、SSN(6)分别与 ADS1299 的管脚 DIN(34)、D0UT(43)、SCLK(40)、CS(39)引脚相连，相关的连接如图4所示。另外，ADS1299芯片与一般的SPI通讯有所不同:START管脚用于启动导联信号的采集和模一数转换；DRDY管脚用于指示一次数据采集的完成，主控制器通过识别DRDY管脚的变化发出SPI时钟，并从模一数转换器中读取采集到的信号；PWDN可以控制断电，用于停止AD工作，低电平有效；RESET可以实现系统复位，也是低电平有效。
[0065]SPI程序中首先是时钟初始化程序。由于需要使用RF收发器，所以必须选择高速且稳定的32MHz晶振，而且要等待晶振稳定后再设置系统主时钟频率。
[0066]然后是SPI初始化程序，包括波特率设置，Master/Slave模式设置，SPI的时钟极性、时钟相位、传送位顺序设置等等。
[0067]接下来是ADS1299初始化程序，实质就是主机发送预定义命令字来配置ADS1299的寄存器的过程，包括时钟源选择(外部)、参考电压选择(内部)、导联脱落检测(开)以及信号采样频率(lkSPS)和放大倍数(12)等，主要涉及的寄存器是C0NFIG1、C0NFIG2、C0NFIG3 以及 CH1SET-CH8SET 等。
[0068]完成以上的时钟、SPI以及ADS1299芯片等一系列的初始化工作后，就可以通过SPI进行数据收发。CC2541在检测到ADS1299发出的Data Ready信号后，读取其模一数转换结果并通过SPI接口接收脑电数据。
[0069]另外，本设计灵活应用芯片的省电、待机模式，保证了采集器低功耗的要求。
[0070]CC2541芯片作为从机，采用蓝牙通信协议与上位机4进行通信。在连接上位机4时，首先完成初始化动作，包括:蓝牙设备广播、搜索、连接等，当接收到ADS1299芯片的数据后将其打包成数据包，传送给上位机4。这部分程序开发时需调用蓝牙协议栈提供的应用程序编程接口。
[0071]综上所述，本发明实施例设计了一种基于ADS1299和CC2541的新型脑电信号采集器，可以实现脑电信号的多通道采集以及数据的无线传输。与常用的脑电采集系统相比具有体积小、功耗低、成本低等优点。该微型可穿戴式脑电信号采集器是为了应用于临床和科研等领域，也为航天研究、康复训练等特殊场合的脑电信号无线检测提供基本的技术参考，具有重要的研究意义与商业价值。最佳实施方案拟采用专利转让、技术合作或产品开发。
[0072]实施例3
[0073]为了验证本采集器的可行性，设计并进行了脑电信号采集实验。本实验中，分别采用ADS1299系统和Neuroscan脑电放大器来采集同一名被试的静息态脑电信号。采样频率设为1000Hz，参考电极置于左乳突部位，采集了 0Z导联30秒的EEG信号。之后采用Matlab软件分别对采集到的数据进行了处理和分析。图10和图11所示分别为ADS1299系统和Neuroscan脑电放大器采集到的16_22s的脑电信号及两信号各自对应的频谱图。
[0074]由图10(b)和图11(b)可以看出，两信号的频谱起伏基本相似，在10Hz附近有两处高的峰值，在30Hz处也均有能量高峰。为了更加准确地对两信号进行评估，对频域信号做了相关性分析，相关系数达到0.8298，可以说明两组数据的频谱分布有很强的线性相关性，进而证明本采集器能够实现准确的脑电信号采集。
[0075]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0076]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0077]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种微型可穿戴式脑电采集器，所述脑电采集器包括:采集电极、控制装置和电源电路，其特征在于， 所述控制装置通过蓝牙模块与外部的上位机实现数据的传输；所述控制装置由预处理电路、采集前端与控制器组成； 所述采集前端与所述控制器之间采用SPI通讯；所述控制器与所述上位机之间采用蓝牙通讯； EEG信号通过所述采集电极传输至所述预处理电路、及采集前端，实现EEG信号的滤波、放大和模数转换，再借助SPI接口将预处理后的EEG信号传送至所述控制器； 所述控制器内置的微控制器对预处理后的EEG信号进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据传送至所述上位机。2.根据权利要求1所述的一种微型可穿戴式脑电采集器，其特征在于，所述预处理电路用于抗混叠低通滤波；所述预处理电路采用电阻排和电容排实现，每个单一通道中电容和电阻构成低通滤波器。3.根据权利要求1所述的一种微型可穿戴式脑电采集器，其特征在于，所述电源电路中的模拟电路、数字电路独立供电，模拟地和数字地分开； 在数字电源与模拟电源、以及数字地与模拟地之间加磁珠构成无源滤波电路。4.根据权利要求1所述的一种微型可穿戴式脑电采集器，其特征在于，所述采集前端与所述控制器之间采用SPI通讯具体为: 在SPI模式下，所述控制器作为通信中的主机，所述采集前端作为从机，通过4线接口通信。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的一种微型可穿戴式脑电采集器，其特征在于，所述采集前端为ADS1299芯片；所述控制器为CC2541芯片。
【专利摘要】本发明公开了一种微型可穿戴式脑电采集器，包括：采集电极、控制装置和电源电路，控制装置通过蓝牙模块与外部的上位机实现数据的传输；所述控制装置由预处理电路、采集前端与控制器组成；采集前端与控制器之间采用SPI通讯；控制器与上位机之间采用蓝牙通讯；EEG信号通过采集电极传输至预处理电路、及采集前端，实现EEG信号的滤波、放大和模数转换，再借助SPI接口将预处理后的EEG信号传送至控制器；控制器内置的微控制器对预处理后的EEG信号进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据传送至上位机。本发明在保证信号分辨率的前提下，极大地提高了通用性能，更加符合用户实际的使用需求；该脑电信号采集器还降低了生产制造成本。
【IPC分类】A61B5/0476, A61B5/00
【公开号】CN105395193
【申请号】CN201510909676
【发明人】孟桂芳, 何峰, 许敏鹏, 张力新, 明东
【申请人】天津大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月8日