摘 要:以ADS1298转换器为基础，通过将高精度模数转换与数字降噪处理技术结合来简化信号调理硬件电路设计，利用芯片内部集成的右腿驱动模块设计了右腿驱动信号电路，实现一种精度高、体积小、低功耗的多通道脑电信号采集前端，并讨论了实现更多通道脑电信号采集的多芯片级联技术，可广泛应用于便携式多通道脑电信号采集设备。
脑电信号EEG(Electroencephalogram)是大脑神经产生的一种电位活动，含有丰富的大脑活动信息，是诊断脑部疾患的主要生理指标依据，也是目前脑机接口研究的主要信号源，在人的警觉度检测和认知能力识别研究中也有应用。传统脑电信号采集设备都比较庞大，不便于脑电信号的实时获取[1]。因此研究便携式的脑电信号采集设备无论对理论研究还是病人的实时监护都有重要意义[2]。
由于人体的阻抗高而且变化很大，脑电信号又很微弱，外部环境的干扰很大，因此一般对脑电信号采集系统的放大和预处理电路部分的要求很高，电路一般比较复杂，因而体积大功耗高。如在参考文献[3]中给出的脑电信号调理电路包括了用分离元件设计的前置放大器、陷波滤波电路、主放大电路和信号隔离电路；参考文献[4]和[5]采用仪用放大器作为信号输入前端，采用压控电压源50 Hz陷波电路和二阶有源滤波电路来滤除噪声，并应用右腿驱动浮地技术来抑制共模干扰；参考文献[6]采用两个仪用放大器来对脑电信号进行二级差分放大作为前端放大电路；参考文献[7]也采用与参考文献[4]和[5]相似的结构并用八阶开关电容滤波器芯片MAX291来做抗混低通滤波;参考文献[8]采用了常规的仪用放大器信号输入前端、陷波电路、二阶有源滤波电路，并采用具有12位模数转换模块的MSP430F169作为MCU实现数据采集与传输；参考文献[9]针对疲劳驾驶检测设计仅包含仪用放大器前端、高通滤波、二级信号放大电路，并采用八阶Bessel开关电容滤波器芯片MAX7405作为低通抗混滤波器，结合MSP430F169和CC2500实现了脑电信号的采集与无线传输。以上脑电信号采集系统中模数转换模块的精度都比较低，因此要求信号调理电路的放大倍数较高才能保证足够的信号分辨率，而采用分离元件实现脑电信号的调理电路则使得电路体积大功耗大，不宜实现脑电信号的便携式采集。TI公司新推出的芯片ADS1298专门为生理信号采集而设计，为改变这种现状提供了技术保障，如参考文献[10]采用ADS1298和STM32F103微处理器实现了心电信号采集，大大简化了信号前端的设计。
本文以TI公司的ADS1298芯片为基础，结合脑电信号采集的特点，设计了一种可用于超低功耗和微型化的脑电信号采集系统的采集前端，与ARM、FPGA、DSP等微处理器以及USB或Wi-Fi等芯片集成可设计出便携式可穿戴的脑电信号采集设备。
1 EEG信号的特点及采集要求
由于EEG的输入信噪比很低而且幅值属于微伏数量级，所以EEG检测应视为微弱信号检测的一种。EEG检测的主要特点有：
(1) EEG过于微弱,幅值只有5 μV～200 μV，如果信号放大倍数不够,就需要系统有较高的电压分辨率。如果系统电压分辨率不够,则一般要对信号放大20 000倍左右。
(2) 人体大脑的信号源阻抗高，脑电信号头皮与颅骨通常有几千欧姆的电阻，所以要求前置部分有很高的输入阻抗，以提高脑电信号索取能力，一般输入阻抗要大于10 MΩ。
(3) EEG信号频率较低，一般在30 Hz以下。EEG信号采集时，高频干扰影响很大，同时，50 Hz市电电网信号会以共模干扰和差模干扰两种方式混入电路，幅值在毫伏数量级,所以要求放大器具有很高的共模抑制比CMRR(Common-Mode Rejection Ratio),一般要大于100 dB。在没有屏蔽措施的环境下，CMRR对能否提取到EEG有着重要的影响。
(4) 电极和皮肤接触阻抗不对称等因素会在电极与头皮接触的部位产生电位差，称为极化电压。它一般影响信号的偏置，如果在前端不做处理，会对信号的提取造成很大困难。
TI公司近年推出的ADS1298模数转换芯片是专门针对ECG和EEG等生理信号采集而设计的，其集成了8个独立的模数转换模块，单个通道的最高采样速率可达32 kS/s，在采样率不超过8 kS/s时具有24位的转换精度，同时还集成了8个程控差分输入放大器、右腿驱动、Wilson电阻网络等，通过结合高精度的模数转换和将基线漂移、工频干扰等噪声处理放到模数转换后的数字处理部分，可以大大简化数据采集前端的设计，实现便携式低功耗的脑电信号采集系统。
2 ADS1298转换器简介[11]
2.1 功能特点
ADS1298是TI公司推出的一款24位8路差分输入的高精度、高输入阻抗、高共模抑制比、高转换速率、低功耗的∑-△型模数转换器。其主要特性有：
(1) 8通道24位ADC转换芯片内部有8个低噪声可编程增益放大器(PGA)；8个高分辨率同步采样ADC；其采样频率可工作在250 S/s~32 kS/s。
(2) 各通道含低噪声可编程增益放大器(PGA)，其放大倍数在1～12倍可调;工频共模抑制比CMRR最小为105 dB，典型值为115 dB；直流输入阻抗为1 000 MΩ；兼容的SPI通信方式，可对内部寄存器进行配置和输出数据。
(3) 内置右腿驱动集成型放大器；针对威尔逊中心终端WCT(Wilson Center Terminal)与戈德伯格终端GCT(Goldberger Terminals)的集成型放大器。
(4) 数字计步(digital pace detection)功能；持续启动检测(lead-off detection)功能。
(5) 板载振荡器与内部参考电压可实现更小尺寸的低功耗应用；灵活的掉电、待机模式。
(6) ADS1298每通道功耗0.75 mW，与独立式实施方案相比，功耗降低达95%，从而可提高设备的便携性与患者监护移动性。
(7) 其4-uVpp典型值输入参考噪声远远超过了IEC60601-2-27/51标准的限度，从而可提高便携式设备以及高密度高端ECG与EEG设备的测量精度。
ADS1298的以上这些特点，集成了ECG与EEG前端所需的常见特性，可简化设计并节省板级空间，使得组件的使用量锐降95%。
2.2 内部结构
ADS1298内部结构如图1所示。其内部集成了8路并行的PGA与ADC、监测电路和数字滤波电路，采用SPI串行通信方式设置内部控制用寄存器并输出数字信号。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(INXX,RLD)的通断，可编程放大器(A1～A8)的放大倍数和A/D转换器(ADC1～ADC2)的采样频率。当芯片完成一次转换，DRDY引脚变为低电平，通知MCU通过SPI总线读取数据。
该芯片内部电路可分为数字和模拟两大部分，数字部分供电范围为：1.6～3.6 V，模拟部分既可采用单极性供电（2.7～5.25 V)，也可采用双极性供电(±2.5 V)。当模拟部分采用单极性供电时，其输入模拟信号的电压范围为0～5.25 V；当模拟部分采用双极性供电时，其允许输入信号的范围为-2.5～2.5 V。使用时，既可以使用片内参考电压，也可以用片外参考电压。A/D时钟电路的配置也一样，既可使用片内时钟电路，也可使用片外时钟电路,若选用片内时钟电路，AD还可向外提供时钟信号。
3 前端硬件电路设计
对于一个脑电信号采集系统而言，硬件电路的设计主要在于信号的调理部分以及如何把微弱的模拟脑电信号变成适合分析的数字化脑电信号，其设计将决定整个系统性能的好坏，是系统硬件电路设计的关键所在。由于ADS1298芯片为差分输入方式，其输入工频共模抑制比典型值达到了115 dB，且直流输入阻抗达到了1 000 MΩ，再考虑其24位的采样精度，因此在输入端只作简单的一阶低通和高通滤波以及限幅设计，同时再配合右腿驱动电路设计（如图2所示），这样输入端电路就可以大大简化，而模数转换后的信号分辨率也保证了经过后期数字信号处理得到高质量的脑电信号。
3.1 滤波限幅电路
脑电信号属于微弱的低频生物信号，其有用频率在0.5～100 Hz的频带内，另外从抑制基线漂移和带外噪声以及保护器件考虑，需要对输入信号进行限幅与滤波，其电路结构如图3所示。
其电路的限幅原理是取二极管的单向导通特性，而电路的低通滤波采用传统的无源一阶低通，高通滤波采用了传统的阻容滤波，电路的频率响应函数如式(2)所示，通带截止频率可由电路的频率响应函数计算得到：
3.3 ADS1298多芯片级联
在常见的脑电信号采集系统中，一般都是16、32、64或更多通道，由于ADS1298是一种8通道的生物信号处理芯片，在高于8通道的采集系统中就需要级联几块芯片来解决多通道的问题，图5给出了两片芯片的16通道级联模式的结构。
由图可以看出，芯片共用启动信号START和时钟信号CLK，在SPI接口连接中复用SCLK、DIN、DOUT信号线。ADS1298每个设备都有自己独立的片选信号CS线，通过拉高相应的CS信号线，其相应的设备DOUT输出为高阻态。这种结构允许其他设备控制这个DOUT总线，这种配置方法适合于大部分场合的应用要求。
本文所介绍的新型脑电信号采集前端充分利用了近年来发展迅猛的半导体技术，以超低功耗、高精度、高集成度的ADS1298转换器为模数转换芯片,采集的精度、速度及可靠性能够满足要求。利用了其24位的高精度,结合芯片内部的PGA可编程增益放大器及右腿驱动电路，大大降低了前置信号调理电路的规模，其能够很好地对人体脑电信号进行精确采集，为新时代便携式的脑部医疗保健和实时移动监测提供了有力的技术支持，实现了高性能的、便携式、可佩带的脑电信号采集系统。
参考文献
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