基于ADS1298与FPGA的高性能脑电信号采集系统

　　0 引言

　　脑电信号（EEG）是一种典型的生物电信号，是大脑皮层脑神经细胞电活动的总体反映，其中包含了大量的生理和病理信息，是临床检测的重要生理参数之一，也是认知科学、脑机接口和警觉度等领域研究的重要手段。由于传统脑电信号采集设备都比较庞大，不便于脑电信号的适时获取，因此研究便携式脑电信号采集设备具有重要意义。

　　脑电信号采集系统主要包括信号放大与调理、模数转换、信号处理与传输等。由于人体的阻抗高且变化大，脑电信号又很微弱，外部环境的干扰很大，因此脑电信号采集系统的放大与调理电路比较复杂，通常要包括高输入阻抗和高共模抑制比的前级放大、带通滤波、工频陷波、多级放大等，导致体积大功耗高。模数转换的精度和速率也决定了脑电信号采集系统的性能，采用10位的模数转换芯片，或者采用ADI公司最高采样率1.25 MBPS的12位AD1671芯片，或者采用16位模/数转换芯片。采用单片机、ARM和DSP作为控制器件的系统中，一般只能完成数据采集和处理较为单一的功能，其中以DSP的数据处理能力最强。相比之下，采用FPGA 作为主控芯片通过硬件描述语言编程可以灵活地进行配置，实现对多通道数据的并行处理，同时能将多个功能在单芯片上实现，基于FGPA和ADS1258设计了集成有视觉、听觉和体感刺激信号源与16通道脑电信号采集功能的诱发电位仪。脑电信号传输的手段以PCI总线、USB等有线方式为主，无线方式传输速率较低，但更易于便携式设计，因此可以针对特定的应用。

　　ADS1298是TI公司近年推出的一款针对心电和脑电信号采集的24位专用模数转换芯片，本文利用该芯片的高精度，以FPGA为主控制芯片，通过将工频陷波、带通滤波等模拟部分转移到数字侧，在保证性能的前提下简化脑电信号放大与调理的模拟电路，实现便携式脑电信号的采集。

　　1 系统结构

　　本文提出的脑电信号采集系统包括信号采集、模数转换和数据传输三个部分。脑电信号采集系统的总体框图如图1所示。

　　

　　预处理电路包含RC低通滤波和过压保护电路，对脑电极采集到的信号进行低通滤波和过压保护后直接送入到ADS1298模数转换器中进行模/数转换。右腿驱动电路主要是用来抑制共模干扰，由ADS1298 内部的RLD电路以及外部的电容电阻构成的反向放大滤波电路组成。

　　系统采用FPGA作为主控制芯片，利用硬件描述性语言来编写配置I/O 口成通用串行SPI接口，与高精度多通道的模数转换芯片ADS1298 的SPI 接口相连实现通信，从而控制ADS1298 将脑电极采集到的模拟信号转换为数字信号，经过滤波陷波处理后存储在SDRAM中，作为采集数据的缓冲部分，以便为后续的传输模块做准备。

　　数据传输模块主要是采用FPGA配置I/O口作为以太网接口芯片DM9000A的控制接口，并与DM9000A的控制接口串联，实现其逻辑控制;采用UDP 协议将从SDRAM中读取的数据打包，通过RJ45网络接口，传输到上位机。8个通道1 kHz的采样率，理论上需要192 Kb/s的传输速率，以太网口10/100M的传输速率完全能满足需要。

　　2 硬件电路设计

　　2.1 脑电信号采集预处理电路

　　人体自发的脑电信号的幅值很小，一般为5~100 μV，而诱发脑电信号的幅值更小，只为2 μV左右。

　　TI的ADS1298是24位、8通道差分输入模/数转换芯片，最大共模抑制比可达115 dB，直流输入阻抗1 GΩ，在内部增益设置为12 倍和参考电压VREF =2.4 V 的条件下，信号分辨率为：

　　

　　因此，将脑电信号不经过放大和调理直接经过简单的低通滤波后进行模数转换仍可以满足需要，故预处理电路设计如图2所示，其频率响应函数为：

　　

　　由式（2）可知3 dB截止频率为96.2 Hz，脑电信号主要频带集中0.1~100 Hz，此预处理电路可完全涵盖脑电信号的有用信息。

　　

　　2.2 右腿驱动电路

　　右腿驱动电路是抑制生物电信号采集系统中的共模干扰（特别是50 Hz的工频）的最常用、最有效的一种方法。由于ADS1298芯片内部集成了右腿驱动电路，因此只需要配置ADS1298 内部相关寄存器，并在外围使用少量的电子器件，即可实现该功能，具体右腿驱动电路如图3所示。从图3可知，电路由ADS1298内部的RLD电路以及外部的R3 ，R4 ，C3 组成，其中R3 起限流保护作用，R4 与C3 构成反向放大滤波电路。