李畢鵬，謝宏，夏斌，姚楠，楊文璐

　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

       摘要：設(shè)計了一套新型便攜式腦功能近紅外信號采集傳輸系統(tǒng)。根據(jù)功能近紅外光譜技術(shù)（functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）檢測腦血氧濃度原理，使用雙波長的LED和光電傳感器作為探頭，可以對腦功能近紅外信號進(jìn)行實時采集傳輸，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示保存。該系統(tǒng)下位機采用STM32F407單片機和TI公司的ADS1299模擬前端集成構(gòu)成，體積小，功耗低，精度高，通過USB HID協(xié)議與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便快速，避免了驅(qū)動程序的開發(fā)。上位機程序利用VS2010進(jìn)行開發(fā)，調(diào)用與USB HID設(shè)備相關(guān)的Windows API函數(shù)，實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信。

　　關(guān)鍵詞：腦功能近紅外信號；功能近紅外光譜技術(shù)；STM32F407；ADS1299；USB HID協(xié)議

0引言

　　功能近紅外光譜技術(shù)（functional Nearinfrared Spectroscopy,fNIRS）作為一種非侵入式腦功能成像技術(shù)，不僅具有安全、體積小、易于與其他設(shè)備集成等特點，還具有較高的時間、空間分辨率等優(yōu)點，可以對腦血氧進(jìn)行無損、實時、連續(xù)的檢測，在醫(yī)療、康復(fù)、運動生理等領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越受到重視［12］。

　　信號采集傳輸模塊是便攜式fNIRS系統(tǒng)的重要組成部分，藍(lán)牙、ZigBee、WiFi、RF等無線數(shù)字傳輸技術(shù)被廣泛采用。如美國fNIR Devices公司的fNIR 1100W系統(tǒng)采用的是ZigBee技術(shù)日本日立公司2009年發(fā)布的11通道WOT系統(tǒng)采用的是802.11b無線局域網(wǎng)，日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)了雙通道與單通道設(shè)備［2］。參考文獻(xiàn)［3］與［4］分別基于無線射頻(RF)技術(shù)(工作最高速率僅20 kb/s)與GPRS技術(shù)針對肌氧檢測的便攜式設(shè)備進(jìn)行了研制。參考文獻(xiàn)［5］的設(shè)計中采用低功耗的集成有802.11協(xié)議(WiFi)的無線傳輸芯片GS1011對信號進(jìn)行無線傳輸。然而，對于多通道系統(tǒng)應(yīng)用以上無線傳輸技術(shù)的速率都有一定的瓶頸，例如采用802.11協(xié)議的WiFi速率為2 Mb/s，而其他的都不超過1 Mb/s，相比而言有線傳輸技術(shù)如USB2.0就更有優(yōu)勢［6］。

　　作為對參考文獻(xiàn)［5］中研究系統(tǒng)的補充，本文采用USB2.0作為有線數(shù)據(jù)傳輸方式。由于其最高傳輸速率可達(dá)480 Mb/s，可滿足多通道系統(tǒng)的需要，結(jié)合高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299可提高便攜式fNIRS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。

1系統(tǒng)總框架

　　本文設(shè)計的系統(tǒng)中選用760 nm、850 nm波長的近紅外LED作為發(fā)射光源，為提高抗干擾性分別采用頻率為0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波作為調(diào)制信號，實現(xiàn)雙波長的頻分復(fù)用。由于腦功能近紅外光探頭獲取的信號比較微弱，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前一般需要放大濾波等環(huán)節(jié)，本文設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)換采用TI公司的低功耗ADS1299芯片，一方面其最大采樣率可達(dá)到16 kS/s，滿足對0.8 kHz和1.2 kHz調(diào)制信號采樣率的要求；另一方面該芯片各通道內(nèi)置有可編程增益放大器（PGA），最高放大倍數(shù)可達(dá)到24倍，結(jié)合24 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，其電壓分辨率達(dá)到0.119 μV，這樣可以省去對信號的放大濾波環(huán)節(jié)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低復(fù)雜性?？刂颇K采用STM32F407，可以通過SPI總線對ADS1299進(jìn)行控制，同時將采集到的數(shù)字信號通過USB接口高速傳輸至上位機。上位機接收并存儲采集的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步處理分析。完整的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計

　　2.1模擬前端ADS1299

　　本系統(tǒng)的模擬前端采用的是芯片ADS1299，其原本是為腦電信號采集應(yīng)用而設(shè)計的，具有低噪聲、低功耗、多通道、高精度等優(yōu)點，主要特性參見參考文獻(xiàn)［7］。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　ADS1299與外界通信是通過SPI接口來完成的，這就需要配置主機符合從機的時序協(xié)議，圖3是ADS1299的SPI接口工作時序圖。

　　圖3中，CS是SPI接口的片選信號，SCLK是主機提供通信時鐘的信號線，DIN是數(shù)據(jù)輸入端口，DOUT是數(shù)據(jù)輸出端口。ADS1299芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出是邊沿工作方式，存在信號建立時間（setup time）和信號保持時間（hold time）。從其工作時序圖可知，ADS1299芯片在上升沿時輸出數(shù)據(jù)，下降沿時鎖存數(shù)據(jù)， SPI接口工作模式選用模式1（CPOL=0，CPHA=1）。確定ADS1299從機的SPI接口的工作模式后，相應(yīng)配置好主機的工作模式，相互之間就可以通過SPI通信。

　　2.2MCU控制實現(xiàn)

　　選用ST的STM32F407芯片作為整個系統(tǒng)的MCU，該芯片是以CortexM4為內(nèi)核的32位微處理器，支持USB OTG HS/FS，高性能、具有豐富的外設(shè)。對于模擬前端ADS1299，MCU作為主機。當(dāng)系統(tǒng)上電后， 芯片ADS1299通過SPI接口與主機模塊進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送接收。該接口包含4個信號線：CS、SCLK、DIN、DOUT。在與主機通過SPI通信時，CS信號必須為低電平。由于從機ADS1299 SPI接口工作模式選用模式1，與之對應(yīng)設(shè)置好MCU工作模式，主要線路連接如圖4所示。

　　主要線路連接圖根據(jù)信號采集的具體要求，通過MCU配置ADS1299的多路選擇器各個輸入端、放大器（PGA1PGA8）的放大倍數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器（ADC1ADC8）的采樣頻率。當(dāng)一次采集完成時，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖?，?shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，MCU可以通過SPI接口來讀取數(shù)據(jù)。

　　而對于PC上位機，MCU作為從機，采用USB與上位機進(jìn)行通信，接收到數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)化成USB數(shù)據(jù)包傳送給上位機。

3軟件程序設(shè)計

　　3.1下位機程序設(shè)計

　　本采集系統(tǒng)每通道的最大采樣率為16 kS/s，采樣精度24 bit，若通道數(shù)為8，則數(shù)據(jù)傳輸速度為3 072 kb/s，采用普通的串口并不能實時有效地傳輸近紅外腦信號數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)選用USB來實現(xiàn)下位機與PC的通信。

　　人機接口設(shè)備（Human Interface Device，HID）是USB設(shè)備中常用的設(shè)備類型，將程序設(shè)計為HID類型，可以省去比較復(fù)雜的USB驅(qū)動程序的編寫，直接利用Windows內(nèi)置的HID驅(qū)動程序與設(shè)備進(jìn)行通信。HID設(shè)備交換的數(shù)據(jù)儲存在報表（Report）的結(jié)構(gòu)體中，主機通過發(fā)送和請求報表來傳送和接收數(shù)據(jù)［8］。HID設(shè)備全速端點速度可達(dá)64 KB/s，高速端點速度可達(dá)24.576 MB/s，滿足系統(tǒng)傳輸速率要求。

　　下位機程序是基于ST公司提供的USB驅(qū)動庫中的HID例程經(jīng)修改移植到STM32F407開發(fā)板上的。將單片機描述成PC主機能識別的設(shè)備，待設(shè)備通過USB連接到PC主機后，主機會發(fā)送Get_Descriptor請求讀取HID設(shè)備的描述符。枚舉完成后，初始化ADS1299，將采集到的數(shù)據(jù)首先放在USB緩沖區(qū)，通過使能USB端點將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，基本流程如圖5所示。

　　3.2上位機程序設(shè)計

　　上位機程序設(shè)計使用VS2010開發(fā)，通過調(diào)用Windows API函數(shù)，實現(xiàn)與HID設(shè)備的通信。Windows系統(tǒng)提供有幾千個API函數(shù)，作為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的接口，與HID相關(guān)的API函數(shù)被封裝在hid.dll、setuppapi.dll文件中［8］。上位機程序的開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸，包含數(shù)據(jù)發(fā)送、顯示等功能，其基本流程如圖6所示。

　　程序流程中，打開USB，查找特定的HID設(shè)備具體過程如下：（1）調(diào)用HidD_GetHidGuid函數(shù)，獲得USB設(shè)備的GUID；（2）調(diào)用SetupDiGet ClassDevs函數(shù),獲得全部的HID信息；（3）調(diào)用SetupDiEnum DeviceInterfaces函數(shù)，識別特定的HID設(shè)備接口；（4）調(diào)用SetupDiEnumDeviceInterfaceDetail函數(shù)，獲取一個指向該設(shè)備的路徑名；（5）調(diào)用CreateFile，獲取設(shè)備句柄；（6）調(diào)用HidD_GetAttributes函數(shù)，獲取特定HID的廠商ID、產(chǎn)品ID。

4數(shù)據(jù)抓取測試

　　系統(tǒng)搭建完成后，可以利用BusHound對數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取，它是一款專用于各種總線數(shù)據(jù)包監(jiān)視和控制的軟件，可以采集到數(shù)據(jù)發(fā)送過程。經(jīng)測試上位機向下位機發(fā)送采集指令，下位機可以通過USB端點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。BusHound數(shù)據(jù)采集顯示界面如圖7所示。

　　以上數(shù)據(jù)抓取測試，說明數(shù)據(jù)可以傳輸成功。待數(shù)據(jù)傳輸完成后，點擊BusHound界面上Save保存為TXT格式至硬盤，供后續(xù)分析。

　5結(jié)論

　　腦功能近紅外信號極其微弱，是不容易被檢測到的［9］。本文基于ADS1299的模擬前端24位ADC技術(shù)，能夠?qū)δM信號進(jìn)行準(zhǔn)確高分辨采樣?？刂破鱏TM32F407能夠通過SPI實現(xiàn)對ADS1299的控制，并將前端采集到的腦功能近紅外信號通過USB2.0快速傳送到上位機PC端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、顯示，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度，增強了系統(tǒng)的安全性、便攜性，在便攜式醫(yī)療設(shè)備中會得到廣泛應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 錢志余, 李韙韜. 功能近紅外光譜技術(shù)(fNIRs)臨床應(yīng)用綜述［J］. 生命科學(xué)儀器, 2013, 11(3):4552.

　?。?］ FERRARI M, QUARESIMA V. A brief review on the history of human functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application［J］. Neuroimage, 2012, 63(2): 921935.

　　［3］ 劉方, 駱清銘, 李鵬程，等. 基于RF無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的近紅外血氧監(jiān)測儀的研制［J］. 中國醫(yī)療器械雜志, 2003(3):162166.

　?。?］ 周娟. 基于RF的近紅外無線肌氧檢測系統(tǒng)的研制［D］. 武漢：華中科技大學(xué), 2008.

　?。?］ 謝宏，王光明，姚楠，等. 可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設(shè)計［J］. 微型機與應(yīng)用, 2015, 34(10):2933.

　　［6］ PIPER S K, KRUEGER A, KOCH S P, et al. A wearable multichannel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects［J］. NeuroImage, 2014, 85(6): 6471.

　?。?］ TEXAS INSTRUMENTS. ADS1299用于生物電勢測量的低噪聲、8通道、24位模擬前端［EB/OL］.（201207xx）［20160228］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1299.pdf.

　?。?］ 周洪利. 計算機高級接口技術(shù)［M］. 北京：清華大學(xué)出版社, 2008.

　?。?］ 徐剛, 李小俚, 劉曉民. 簡易腦功能近紅外光譜系統(tǒng)設(shè)計［J］. 光譜學(xué)與光譜分析,2015，35(2):552556.