腦電信號EEG(Electroencephalogram)是大腦神經(jīng)元細(xì)胞體生理活動所產(chǎn)生的電位綜合，具有豐富的大腦活動信息[1]，廣泛應(yīng)用于腦部疾病的醫(yī)療診斷、功能康復(fù)、疲勞駕駛腦電活動監(jiān)測、腦-機(jī)接口(BCI)及其他腦科學(xué)方面的研究。對于腦電信號的研究必然離不開腦電信號的采集獲取，而腦電信號的獲取都是通過腦電采集系統(tǒng)來完成的。傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)雖然在采集精度上能夠很好地滿足醫(yī)療和研究的要求，但是其體積較大、操作不便、功耗高等缺點限制了其研究和應(yīng)用的范圍。因此設(shè)計出一款體積小、功耗低、便于操作的腦電信號采集系統(tǒng)具有重要的實際意義和應(yīng)用價值[2]。

　　由于腦電信號非常微弱，加之人體阻抗的特殊性、外界和內(nèi)部干擾等原因，傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)通過復(fù)雜的放大濾波電路設(shè)計，以滿足腦電信號采集的要求[3]，但是這樣會導(dǎo)致電路板體積過大、功耗高，不利于設(shè)計采集系統(tǒng)的便攜化。為了實現(xiàn)腦電采集系統(tǒng)的小型化，人們常采用針對特殊應(yīng)用和特殊設(shè)計來簡化腦電信號調(diào)理電路，如參考文獻(xiàn)[4]為實現(xiàn)6通道腦電信號的便攜式采集，將調(diào)理電路分成主動電極端和后端兩部分，通過這樣特殊的設(shè)計使得整個系統(tǒng)的體積大為減小，但體積仍然偏大使用不便。參考文獻(xiàn)[5]針對駕駛疲勞檢測研制了6通道的腦電信號采集系統(tǒng)，采集前端基于多層電路板模塊，該設(shè)計雖然大大地縮小了采集前端的體積，但對便攜式應(yīng)用體積仍然偏大。通過抑制腦電信號源中共模干擾成分可以降低對濾波和陷波電路的要求，而右腿驅(qū)動電路是常用的有效手段[6]，在提高系統(tǒng)對共模干擾抑制能力的同時可以減小系統(tǒng)的體積[3,7-8]。參考文獻(xiàn)[9]將采集前端中各種元器件包括放大器、濾波器、控制器等都集成到一個片上系統(tǒng)(SoC)上，以達(dá)到減小系統(tǒng)體積和功耗的目的，這種方案對開發(fā)工具和技術(shù)水平要求都非常高，成本高難度大。參考文獻(xiàn)[7]利用TI公司的ADS1298芯片的高精度作為保證，通過在數(shù)字側(cè)實現(xiàn)濾波和陷波來簡化采集前端模擬部分的設(shè)計，由于該芯片是針對心電信號采集設(shè)計的，其漂移和模數(shù)轉(zhuǎn)換速率等性能仍然有一定的局限性，當(dāng)用于腦電信號采集時該芯片內(nèi)的一些性能無法得到充分利用。

　　近年來TI公司繼ADS1298之后又推出了專門用于腦電信號采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1299,本文以高精度、便攜式、低功耗的腦電采集系統(tǒng)研制為背景，嘗試采用該款芯片作為核心器件設(shè)計出可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端。

1 可穿戴式腦電采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本文研制的腦電信號采集系統(tǒng)由干電極、采集前端、GS1011控制模塊(集成有 WiFi和ARM)、電源模塊和上位機(jī)接收控制組成,系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　該系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)平臺，GS1011通過其WiFi模塊與上位機(jī)通信，根據(jù)上位機(jī)指令控制ADS1299進(jìn)行腦電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的腦電信號數(shù)據(jù)通過設(shè)置的無線WiFi發(fā)送到指定的IP地址上位機(jī)上。該系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)在時間和空間上的局限性，滿足了腦電采集所需要的便攜式、可移動、低功耗以及實時性等特點。

　　該系統(tǒng)中模擬前端部分是保障系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵，其中采用TI公司的ADS1299為核心器件，主要是考慮到該芯片是專門為腦電信號采集而設(shè)計的，其具有如下突出的特性：

　　(1)具有8個低噪聲可編程放大器(PGA，放大倍數(shù)1～24倍可調(diào))與8個同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換速率介于250 S/s~16 kS/s之間，不超過8 kS/s時其精度為24 bit；

　　(2)每個通道的功耗僅有5 mW，共模抑制比(CMRR)高達(dá)-110 dB，直流輸入阻抗高達(dá)1 000 MΩ；

　　(3)內(nèi)置偏置驅(qū)動放大器和持續(xù)斷電檢測(LEAD-OFFDetection)功能。

　　這些特性保證了加入很少的元器件即可搭建腦電信號模擬采集前端。

2 ADS1299內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ADS1299芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。ADS1299輸入端使用的是差分方式輸入，并且每個輸入端都集成有EMI濾波器，能有效地抑制外部射頻干擾；具有靈活的路由交換器(MUX),可以將任何輸入連接到放大器(PGA)的輸入端；集成有持續(xù)斷電檢測(Lead Off)電路，可以隨時監(jiān)測電極是否斷開；內(nèi)部集成了8路并行的PGA和ADC，可以提供很高的采集轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)部還集成有偏置驅(qū)動放大器，可以有效抑制共模干擾噪聲；采用SPI串行通信方式設(shè)置內(nèi)部控制用寄存器并輸出數(shù)字信號，當(dāng)芯片完成一次采集時，芯片會拉低引腳來通知外部GS1011可以通過SPI讀取數(shù)據(jù)。

3采集前端總體設(shè)計

　　針對腦電信號十分微弱(0.5 ?滋V～100 ?滋V)的特點,傳統(tǒng)采集前端通常由模擬抗混濾波器、多級放大電路和陷波電路等來提高信號的信噪比，這也是導(dǎo)致其體積大不利于實現(xiàn)便攜式設(shè)計的主要原因。由于TI公司的ADS1299在采樣頻率不超過8 kHz時模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位,再結(jié)合其集成的具有高共模抑制比的差分輸入可編程增益放大器(PGA)，因此本文在前端設(shè)計的模擬側(cè)只保留了抗混濾波電路。而基線漂移、陷波等處理根據(jù)應(yīng)用需要在數(shù)字側(cè)實現(xiàn)，而且基于過采樣技術(shù)采用二階無源RC濾波電路實現(xiàn)抗混濾波，大大簡化前端電路設(shè)計，其設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　ADS1299為差分輸入，其共模抑制比(CMRR)高達(dá)110 dB，且其直流輸入阻抗高達(dá)1 000 MΩ，再配合閉環(huán)偏置驅(qū)動電路設(shè)計，能夠很好地保證系統(tǒng)的抗干擾要求；ADS1299內(nèi)部含有8個低噪聲的可編程增益放大器(PGA)和8個同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，A/D轉(zhuǎn)換精度高達(dá)24 bit，當(dāng)VREF=4.5 V時其信號電壓的分辨率為：

　　如果再將PGA可編程增益控制考慮進(jìn)去則其信號電壓分辨率可以達(dá)到0.053 6 V。

4 預(yù)處理電路設(shè)計

　　由于腦電信號頻率只有0.5～100 Hz，實驗分析的有效范圍一般在0.5～30 Hz，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前必須經(jīng)過低通抗混濾波的預(yù)處理，為此本文針對每個通道設(shè)計了預(yù)處理電路，如圖4所示。

　　該電路由二階無源RC低通濾波和限幅電路組成，其中二階無源RC低通濾波電路的頻率響應(yīng)函數(shù)如式(2)所示：

　　從該幅頻特性曲線可以看出,當(dāng)選取8 kHz的采樣頻率時，可知頻率在4 kHz處衰減達(dá)到67 dB。因此該二階無源RC低通濾波器具有較好抗頻率混疊效果，通過過采樣技術(shù)可以使該濾波器滿足性能要求。

　　限幅電路則是由兩個二極管組成，其單向?qū)ㄌ匦钥梢詫㈦妷悍点Q制在±700 mV以內(nèi)。

5 基準(zhǔn)電壓電路

　　對于ADC的基準(zhǔn)電壓選擇,既可以選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，也可以選擇外部基準(zhǔn)電壓。為了減小電路規(guī)模， 選擇ADS1299內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF=4.5 V。圖6是ADS1299內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的簡化框圖。

　　圖中基準(zhǔn)電壓是將VREFN與AVSS連接起來并加上限頻電容由AVSS產(chǎn)生的，限頻電容的作用是使基準(zhǔn)電壓的輸入噪聲不會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使得頻率帶寬至少限制在10 Hz以內(nèi)。

6 偏置驅(qū)動電路

　　通過右腿驅(qū)動電路設(shè)計可以進(jìn)一步抑制腦電信號的共模噪聲。利用ADS1299內(nèi)置的偏置驅(qū)動放大器加上很少的元器件就可以設(shè)計出偏置驅(qū)動電路，該電路功能與右腿驅(qū)動電路一樣，電路如圖7所示。

　　該電路是由ADS1299內(nèi)置偏置驅(qū)動放大器以及外圍的RF、CF、R組成。RF為反饋電阻，電阻Res為限流電阻，通過選取合適的保護(hù)電阻阻值，可以將位移電流限制在安全的范圍內(nèi)(IEC規(guī)定流經(jīng)人體的最大單級故障電流不得超過50 A)，防止器件對人體造成電擊的危險。反饋電容CF的作用是進(jìn)行相位補償，用來防止自激。電極A、B、C分別是采集電極、參考電極、偏置驅(qū)動輸出電極。選擇BIAS AMP運放的正參考端BIASREF為(AVDD+AVSS)/2即系統(tǒng)地AGND，能夠形成一個閉環(huán)回路結(jié)構(gòu)。該閉環(huán)回路電路實際上就是一個對消驅(qū)動電路，共模信號Vc通過該反饋電路可以在人體上產(chǎn)生一個極性相反的共模信號Vcf，將共模干擾噪聲限制在一個很窄的范圍內(nèi)，該范圍大小取決于該環(huán)路的增益A：

　　通過選取合適的RF、RCM、CF值，可以使得Vcf=-VC，這樣絕大部分共模干擾信號可以被抵消掉，從而在輸入端實現(xiàn)對共模噪聲信號的抑制，大大提高了整個電路的信噪比。

　　EEG信號采集是一種強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號的采集，這對于EEG信號的采集前端電路設(shè)計提出了很高的技術(shù)要求。本文提出一種使用高性能生理信號采集芯片ADS1299為核心的可穿戴式腦電采集系統(tǒng)前端。根據(jù)實驗測試，該采集前端采集精度、采集速度、電氣安全和抗干擾能力都能夠滿足要求。利用ADS1299內(nèi)部集成的各種特有EEG功能可以大幅簡化采集前端設(shè)計的電路規(guī)模。為設(shè)計出新一代的便攜式、低功耗、高性能的實時穿戴式腦電采集系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

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