1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目: 清醒小动物无线双通道脑电采集系统 学校: 上海交通大学 指导教师: 牛金海 组别: 专业组 应用类别: 仪器仪表类 平台: MSP430 参赛队成员名单(含个人教育简历):崔萌 2005-2009 本科 上海交通大学生物医学工程 2009-2012 硕士 上海交通大学生物医学工程 朱淑萍 2006-2010 本科 上海交通大学生物医学工程2010-2013 硕士 上海交通大学 MED-X 研究院周红雨 .2008-2012 本科 上海交通大学生物医学工程郝怡婷 hyt_hyt_ .2008-2012 本科
2、 上海交通大学生物医学工程视频尚未拍摄完成邮寄地址:上海交通大学南 21 栋 周红雨 手机: 15121036316题 目:清醒小动物无线双通道脑电采集系统 摘要 鉴于神经科学领域研究人员对清醒状态下小动物脑电采集的需求,本设计提出了用于清醒小动物,特别是大鼠的长时间双通道无线脑电采集的解决方案穿戴式无线双通道清醒小动物脑电采集系统。本套系统主要分为三个部分,脑电采集放大处理部分;无线射频收发部分以及 PC 端的软件部分。本设计在信号放大性能,无线传输性能,功耗等方面对系统进行了测试,同时,通过一个实际应用场景的实验对系统的可用性以及可靠性进行进一步的验证。ABSTRACTTraditiona
3、l EEG recordings for animals were taken while the animals were under anesthesia, in which activity of certain target may not be able to learn. Here, we provide a solution for long time dual-channel EEG recording of small conscious animals, especially rats using non-implanted tethered system. System
4、mainly consists of three parts. One is the EEG collecting module,the second is wireless transceiver module, and the application software in PC. In this design, we tested the amplification performance of the circuit, RF transmit performance, as well as the power consumption. Besides, the system was a
5、lso used in two practical application experiments to further test its reliability.1. 引言目前常规脑电信号采集和分析技术已经比较成熟,在临床和实验领域都已经有众多的产品可供选择,但目前绝大多数脑电采集、传输、分析技术都要求被监测对象处于不活动状态:如安静坐着或平躺。同时,系统输出方面,目前的脑电采集系统大多使用 USB,串口,导线等有线传输方式,这样造成了实验的很多不便,也不适于实验体的佩戴。在进行动物实验研究时,也必须通过麻醉来限制动物的活动。同时无线植入式的解决方案,对于小动物来说也并不是最优的解决方案,尤
6、其是在希望小动物受到的影响最小的情况下:植入的手术往往会比较复杂,在手术过程中感染的风险也会加大。植入式装置对生物兼容性也有较高的要求,这也给产品的开发带来了不便。基于以上调研,并结合实验室在动物脑电实验方面的需求,对活动动物脑电采集装置进行研究与开发可以说是十分必要的。本设计提出了一种用于实验室清醒小动物,尤其是大鼠双通道脑电采集的穿戴式解决方案,可以无需植入地进行脑电的采集,实现实验室长时间的清醒大鼠脑电的采集。在系统的设计以及实现的工程中主要解决了以下几点问题:1)功耗问题:通过选用低功耗,高性能的集成芯片 MSP430,同时采用低功耗的软件设计方案,实现系统的性能和功耗的双方面保证;2
7、)装置体积和佩戴问题:通过进行适当的脑电采集硬件电路的简化,以及在MSP430 片上系统强大的数字信号处理的应用,有效地减少装置的体积,同时通过采集装置穿戴式的解决方案,用于大鼠前肢活动范围的限制,避免自由活动状态下的大鼠碰到电极对电极连线甚至采集装置造成的破坏,不影响实验过程;3)系统灵活性和可扩展性:通过选用德州仪器(TI)的 MSP430 系列作为系统的核心来控制系统流程,同时丰富的外设装置极大地减少了板上元器件,使得系统的设计和开发更加简便。2. 系统方案 双通道无线小动物脑电采集系统主要包括三个组成部分:脑电采集放大处理部分;无线射频收发部分和 PC 端的软件部分。其中,脑电采集放大
8、处理部分采集双通道的脑电信号,抑制环境噪声,获取有效的脑电信号,并将微伏级的脑电信号放大至 AD 采样范围内,之后混合信号处理器对数字信号进行适当的处理得到可供分析的脑电信号;无线射频收发部分主要实现脑电信号以及一些控制信号的无线传输,使整套装置在使用过程中脱离线缆的限制,实现清醒动物的自由活动;PC 端的软件则对无线接收的脑电数据进行后续处理,包括波形的实时显示、脑电数据的保存和滤波等复杂算法。图 1 系统组成在系统的设计过程中各个模块的关键点分别是:1)核心芯片的选型:为保证系统的低功耗和高质量性能,针对两个核心芯片,微控制器和无线射频收发器分别选用 MSP430 和 CC2500;2)脑
9、电采集处理过程:精简脑电采集电路,通过软件设计进行数字滤波处理3)无线发射与接收过程:实现与 PC 端的串口通讯,构成 PC 数据传输的通讯回路,以高效的电平转换满足 RS-232 标准的负逻辑。4)上位机软件设计过程:实现 12 位精度的双通道脑电显示,保存数据供处理。3. 系统硬件设计系统的硬件设计主要包括:1)核心芯片选型;2)脑电放大与采集部分;3)MSP430 相关的集成外设部分;4)无线射频部分;5)SD 卡存储部分;6)外观设计部分。脑电采集以及无线发送部分的硬件设计以 MSP430 为核心。如图所示为系统的设计模块图。前端脑电采集放大后的模拟信号进入 MSP430,与内部集成的
10、模数转换器连接。MSP430 内部的运算放大器用作脑电放大电路中的积分反馈,对低频信号进行滤除,防止放大器直流饱和。无线射频模块通过 SPI 接口与 MSP430 进行无线控制与数据传输通讯。脑电采集和无线发送部分供电电压均为 3V,由纽扣电池对其统一进行供电,MSP430 内部的电源监控模块对供电电压进行实时监控,在电压低于预设值时,进行警示,提醒进行电池的更换。此外,该部分的硬件设计还包括了仿真器电路以及串口通讯电路,这两部分主要用于系统的调试,包括程序的烧写和数据的传输,在系统调试完成之后可将该部分从线路板中移除。图 2 系统设计模块图3.1 核心芯片选型系统涉及中主要涉及两个核心芯片,
11、一是微控制器,这里选用德州仪器的MSP430 系列单片机作为核心处理器,进行时序和数据的控制和处理。德州仪器的 MSP430 系列单片机为 16 位混合信号处理器,具有低功耗的优势,特别适合于小型便携式仪器仪表的开发,同时,在设计过程中充分利用 MSP430 的片上资源,可以在很大程度上简化系统设计,节约板上空间。二是无线射频收发器,这里选用德州仪器的 CC2500 射频收发器进行数据的无线传输与控制。无线射频收发器 CC2500 同样具有低功耗的优势,该射频收发器还支持多套设备同时使用。微控制器在选型时主要考虑以下几个方面:1) 系统供电及功耗,本设计拟用纽扣电池作为装置的供电电源,所以供电
12、电压必须控制在相应的范围内,同时,长时间的连续工作对功耗提出了一定的要求,因而选用的微控制器在功耗方便必须有较大的优势;2) 性能,这是比较重要的一个指标,微控制器作为系统的核心,必须有足够的性能表现完成系统的控制,监视以及数据处理;3) 开发的难度,合适的微控制器的选择可以在很大程度上降低开发人员的开发难度和开发周期;4) 其他,在控制器芯片的选择时,还需综合考虑封装,价格,供货货源等因素。 鉴于上述几点,选用德州仪器 TI 公司 MSP430 系列单片机 MSP430FG439作为微控制器对系统进行整体控制。MSP430FG439 技术特性及具体应用详见下表。表 1 MSP430FG439
13、 技术特性及其在本 设计中的应用技术参数 应用电源电压范围:1.8V3.6V正常工作模式:1MHz,2.2V 情况下电流为 300uA待机模式:1.1uA关机模式(保留 RAM 值): 0.1uA五种节能模式在 6us 内从待机模式唤醒低功耗,适用于纽扣电池供电81 个通用输入/输出口(GPI/O) 指示灯,按键等扩展多个可配置的运算放大器12 位可同步的 D/A 转换器运算放大器用于脑电模拟信号的放大与滤波,可减少外部运放芯片的数量,缩小板上面积DAC 输出固定电压,作为单极供电系统的参考电压多通道独立 12 位 A/D 转换器,具有内部参考,采样-保持和自动扫描的性能双通道脑电信号模数转换
14、16 位定时器 A,包括三个捕捉/比较寄存器用于采样频率的控制串行通讯接口(USART )软件可选异步 UART 或同步 SPI串口与电脑直接相连进行系统调试;SPI 接口与射频收发器相连接硬件乘法器 实现片上数字滤波60KB+256B 的闪存(Flash Memory),2KB RAM足够的程序代码空间无线收发芯片则选择德州仪器的低功耗 2.4GHz 射频收发器 CC2500,基于CC2500 的射频收发模块有很好的射频、模拟、数字和低功耗性能,并且能提供广阔的硬件支持,主要的操作参数和 64 字节的发送/接收 FIFOs 可通过同步并行接口 SPI 控制。3.2 脑电放大采集部分电路设计由
15、于应用场景的特殊性,即应用对象为小动物,所以需要特别考虑放大电路的板上面积,也就是说在保证信号放大性能的基础上,该放大电路应当尽可能少地占用线路板的面积,因此系统设计时对传统脑电放大电路进行了适当的简化,并没有使用传统的脑电放大设计电路。在本系统中选择了较为经典的差动加运放两级放大电路实现脑电信号的放大,对模拟滤波电路仅保留低通滤波电路,同时,在芯片的选型上,选择面积小的封装可以进一步减小线路板的面积。如下图所示,在本设计中脑电的模拟放大处理主要包括四个部分。首先是由电阻和电容组成的 RC 无源滤波网络,之后是以仪表放大器 INA2321 为主的差动放大,再之后为由运算放大器 OPA2336
16、构成的放大滤波电路,最后加上由运算放大器 OPA2336 构成的右腿驱动反馈电路。这些部分共同构成了脑电的模拟处理部分,将微伏级的微弱脑电信号从众多干扰信号中提取出来,得到可供后期处理的信号。图 3 脑电放大处理硬件电路设计图在差动放大电路设计中选用了德州仪器双通道仪表放大器 INA2321 作为差动放大电路的主要功能元器件。INA321 系列是德州仪器的低功耗,单极供电CMOS 仪表放大器。其性能在相似功能芯片中较为突出:每通道的静态电流仅为 40 A,高达 94dB 的共模抑制比。INA321 系列仪表放大器提供了 shutdown引脚,只有在该引脚为高电平时,芯片内部运放处在工作状态下。
17、这样,通过对该引脚的选通,可以在空闲时使芯片处在掉电状态,从而进一步降低了系统功耗,提升了系统的使用时间。INA321 系统中 INA2321 为双通道差分放大器,选用该芯片配合外围电路实现两通道脑电信号的一级放大,封装为 TSSOP-14。前级差动放大后的信号被送入到德州仪器运算放大器 OPA2336 进一步放大。OPA336 系列是德州仪器生产的单极供电,低功耗 CMOS 运算放大器。其每通道的静态电流仅为 20 A,同时也提供极小的表面封装。可应用于电池供电仪表,便携仪器以及医疗仪器等中。3.3 MSP430 外围电路设计作为系统硬件设计的一部分,MSP430 将电路的各个模块连接在一起
18、。在脑电放大电路中选用的芯片都为单极供电芯片,所以必须设计参考电平提升。在本设计中利用 MSP430 内部集成的 DAC 产生恒定电压作为参考电平,在很大程度上简化了设计,缩减了线路板的面积。经过脑电放大装置的放大,原始微弱的脑电信号被放大至模数转换器转换范围内。模数转换由 MSP430 内部集成的 ADC 完成。在电路设计上只需将放大后的信号直接与 ADC 的输入引脚相连即可。本系统中选用的 FG439 集成有多通道可独立工作的 12 位模数转换器。选用其中的两个通道分别进行信号的模数转换。线路板上设计了两个 LED,用于系统工作状态的提示,例如电池耗尽的示警等。作为电路设计的一部分,JTA
19、G 调试接口用于对 MSP430 程序的烧入和调试。在 MSP430Fx4xx 系列单片机中,调试接口采用的是四线 JTAG 接口。分别为:TMS(模式选择)、TCK(JTAG 时钟信号)、 TDO(数据输出)、TDI(数据输入)。为方便数据调试,在线路上设计了串口通讯的接口,用于数据的有线传输。该部分和仿真器部分在调试完毕后可以从装置中去除。3.4 无线射频部分电路设计本设计中选用德州仪器 CC2500 作为射频收发器进行数据的无线传输。CC2500 集成了一个数据传输率可达 500kbps 的高度可配置调制解调器,其具有的前向误差校正功能可以提升无线传输的性能。此外,CC2500 还为数据
20、包处理,数据缓冲,连接质量指示以及电磁波唤醒等提供了广泛的硬件支持。无线射频部分分为无线发送端与无线接收端。其中发送端位于脑电采集端,与 MSP430 微控制器以 SPI 口连接,实现脑电数据的无线发送;接收端位于 PC端,在德州仪器 eZ430-RF2500 开发模块的基础上通过串口( RS232)与 PC 连接,实现脑电数据的无线接收,并将数据传输至 PC 进行后续处理。3.4.1 无线发送端在无线发送端通过 SPI 口与 CC2500 进行控制与数据通讯。MSP430 作为主设备提供系统时钟,CC2500 作为从设备。如图 4 所示为两者之间的连接示意图。无线发送模块的线路板采用的是利尔
21、达公司的 LSDRF2400A12_V1.0 模块(图20),该模块采用 PCB 天线,使得射频模块占用的体积缩小,适合于本设计使用。无线模块提供了与 MSP430 相连接的几个引脚,根据模块的引脚设计将其与线路板相连及可实现两者之间的通讯。图 4 CC2500 与 MSP430 连接引脚3.4.2 无线接收端在接收端则是基于 eZ430-RF2500 开发套件展开的。 eZ430-RF2500 目标板是德州仪器开发的一款 USB MSP430 无线开发工具,其核心微控制器是MSP430 系列中的 F2274,无线收发器则同样是 2.4GHz 射频芯片 CC2500。该开发套件提供了 USB
22、接口,可以通过 USB 对开发板上的 MSP430 进行程序的修改,烧写以及调试。同时,在硬件上也提供了多达 18 个接口供扩展应用。在电池板上提供了 6 个接口,可与串口连接。在本设计中,利用该开发套件实现对无线接收端的编程控制,结合电池板上的串口接口,实现与 PC 端的串口通讯,进而构成了无线接收与向上位机,即 PC 数据传输的通讯回路。串口电路中采用光电隔离元件进行电平的转换。串行通信只需要较少的端口就可以实现单片机和 PC 机的通信。串行通信有两种方式:异步模式和同步模式。MSP430 系列有 USART 模块来实现串行通信,可以根据需要选择同步或异步通信模式。所谓的串口通信就是指串口
23、按位(bit )发送和接收字节,为异步通信。在异步模式下,接收部分自身实现同步帧的同步,通信双方只需使用相同的波特率即可。为了满足 RS-232 标准的负逻辑,可以使用电平转换芯片进行电平转换。在本设计中采用 6N136 进行电平的转换,此外光电隔离元器件可以防止信号间的相互干扰,起到信号隔离的作用。电路设计参考 LSD 公司串口电路,如图 5 所示。图 5 光电隔离串口电路该部分电路设计中,核心芯片为两个 6N136 光电隔离芯片。光耦合器以光为媒介传输电信号,这样将输入和输出有效地隔离,防止信号间的相互干扰。其工作的基本原理简单来说是这样的,输入的电信号使内部的 LED 灯发出一定波长的光
24、,光探测器因而产生对应的光电流,光电流放大后作为输出信号输出。采用光电隔离,一方面可以达到很好的信号隔离效果,另一方面,由于光电耦合器输入端属于电流型工作的低阻元件,有很强的共模抑制能力,可以提高信噪比,提高通信的可靠性。3.5 SD 存储卡电路设计 作为该系统的另一个应用分支,本设计中还设计 SD 卡用于数据的存储。SD 卡是一种基于半导体技术的大容量存储系统,其为高度集成闪存,具有随机存取的能力,可以通过专用的高速串行接口访问,数据传输可靠。SD 卡提供了一种低廉的,可靠的卡片式存储介质,可广泛应用于各种消费电子,在便携式医疗仪器的数据存储中亦有广泛的应用。SD 卡共有 9 针引脚,提供最
25、多 6 线的通讯。其 9 个引脚定义如下表所示。表 2 SD 卡 9 针引脚定义描述针脚 名称 类型SD mode SPI mode1 CS/ DAT3 I/O/PP 卡监测数据位3片选/Slave 选择2 CMD/DI PP 命令/回复 MOSI3 Vss S 地4 Vcc S 供电电压5 CLK I 时钟6 Vss2 S 地7 DAT0/DO I/O/PP 数据位 0 MISO8 DAT1/IRQ I/O/PP 数据位 1 Unused or IRQ9 DAT2/NC I/O/PP 数据位 2 UnusedSD 卡接口支持两种 操作模式,一种为 SD 卡模式,另一种为 SPI 模式。MSP
26、430 提供了与 SD 卡通讯的 SPI 接口,同时德州仪器也为开发人员提供了SD 卡相关的库文件支持,极大地简化了开发工作。图 6 SD 卡与 MSP430 之间的连 接示意图与 CC2500 无线通讯相同,SD 卡与 MSP430 之间也是通过 SPI 相连接,其中 MSP430 作为主设备提供系统时钟,SD 卡作为从设备。除了通讯连接外,根据协议要求,SD 卡的其余引脚必须经高电平上拉,如图 23 所示为 SD 卡与MSP430 之间的连接。本设计中采用的 SD 卡为直接采购的 SD 卡模块(图 6),提供供电和 SPI 通讯接口引脚。3.6 外观设计本套装置主要应用于清醒大鼠脑电的采集
27、,所以如何将该套装置佩戴在大鼠身上是需要解决的一个比较重要的问题之一。对于佩戴,主要需要考虑采集装置的固定、电极的连接以及其他因素,例如电池必须易于更换等。此外电极的选择以及连接方式也直接关系到采集的信号的质量,因而也是需要考虑的关键问题之一。3.6.1 电极在本设计中,参考文献中提及的电极制作和使用方法,选用不锈钢螺丝作为大鼠脑电电极材料。根据实验动物大鼠的颅骨大小,选用直径在 1.2mm 左右的不锈钢螺丝,由于螺丝在拧入颅骨时应不破坏或接触到大鼠脑部,所以长度应控制在颅骨厚度以内,在此选用的螺丝根部长度为 1.6mm。对于大鼠而言,最合适的螺丝是 00-90 号螺丝,长度控制在 1.6mm
28、。3.6.2 采集装置外观设计及其固定由于大鼠负重有限,本设计选用 3.3V 纽扣电池作为系统供电电源。在重量上尽可能保证两块板等重,其目的是旨在通过对称式结构的设计使得大鼠在佩戴该装置后能够保持平衡,尽量减少装置佩戴后对大鼠正常活动的影响。两个线路板,采集装置的大小为 3*4.5cm。同时该装置的重量也比较适合大鼠佩戴,PCB 板材选择 1mm,这样整个装置包括一粒 CR2450 电池共 17g。图 7 脑电采集装置模块布局上图为线路板实物图,下 图为该部分线路板的布局示意图经过多次试验,本设计中采用了穿戴式的解决方案,额外制作了一个特殊的马甲。通过上面的四个孔洞,穿过四肢,在大鼠的背部由魔
29、术贴粘合。该马甲两侧分别有一个口袋,上述的两个线路板恰可以放置在其中。在脑电信号采集处加有一层防辐射布料制作的外罩,以避免电磁辐射对信号的干扰。由于一般防辐射布料是有一定的导电性的,所以内层需要使用不导电的布料进行隔离。大鼠穿戴上特制的马甲即可进行活动状态下的脑电采集。马甲在四肢的位置对大鼠的活动有一定的限制,使得大鼠的前肢无法自由地向上伸展,这样大鼠就无法碰到头部的电极线,从而保证脑电采集的顺利进行。3.6.3 无线接收端设计无线接收端主要包括了射频接收装置和带有隔离的 RS232 通讯模块。由于该部分无便携式的要求,结合串口传输的功耗比较大,此处对该部分的供电采用 AC-DC 开关电源供电
30、。设计如图 43 所示,通过 3.3V 开关电源对接收模块供电,射频接收采用 eZ430-CC2500 开发板,同时与自制的串口隔离模块连接,将无线接收到的数据通过串口传输到电脑供后期数据处理。图 8 无线接口端模块设计4. 系统软件设计嵌入式软件在本系统中包括脑电采集部分 MSP430FG439 和无线接收端的MSP430F2274 两个部分。脑电采集部分的嵌入式软件主要功能包括信号的模数转换控制,数字信号处理,无线发送,SD 卡存储和电源管理等。无线接收端的嵌入式软件主要实现了无线数据的接收以及与 PC 的数据串口传输。电脑端的软件设计主要实现了串口处数据的读取,同时根据无线传输数据格式的
31、定义,将带有标志位的数据还原为 12 位精度的脑电数据。显示双通道的脑电波形,根据选择将数据进行保存供后期处理,以下分别介绍系统的各部分软件设计。4.1 MSP430 主频设置系统时钟初始化中对单片机的时钟源以及工作主频进行了设定,在MSP430FG439 中,使用的是 LFXT1,使用内置电容,工作主频为 6MHz。FLL+控制器寄存器选择 14PF 电容。将看门狗时钟关闭,防止其对程序产生影响。设置倍频为 92,并等待 FLL+控制器稳定。(91)32.768.03DCOLKf kM4.2 模数转换程序设计模数转换过程是由 MSP430 内部集成的 12 位 ADC 模块来完成的。这样的设
32、计不仅使得线路板的面积减小,设计更为简便,也使得模数转换的过程可以通过软件编程进行合理的控制。ADC 的功能是将输入的模拟信号转换为 12 位的数字信号以供后续数字信号处理。在 MSP430FG439 中,ADC12 将转换后的数值存储在转换存储器 ADC12MEMx 中。在 ADC12 模块中,模数转换的启动是通过采样保持初始化信号 SHI 的上升跳变沿来实现的。这意味着 ADC 的正常工作需要外部提供时钟源,在本设计中,其时钟源为定时器 A 的输出。SAMPCON 信号控制采样保持周期,当SAMPCON 为高电平时,出于采样阶段,当 SAMPCON 由高电平转为低电平时开始转换,转换需要
33、13 个 ADC12CLK 周期。采样有两种时序模式:扩展采样模式和脉冲采样模式。本设计中采用脉冲采样模式。通过 SHI 信号来触发采样定时器。其采样保持时序如下图所示。图 8 ADC 采样转换时序图 27SHI 信号控制采样的开始,进而决定了模数转换的采样率。在本设计中SHI 信号的来源为 MSP430 的内部定时器。MSP430 内部集成有看门狗定时器,基本定时器和定时器 A、B 几个定时器外设,用于实现定时、计数、延迟以及检测。在本设计中用到了定时器 A(Timer_A )来实现 AD 转换中采样率的定时。可以通过相应控制寄存器的读写来完成对采样率的定义。AD 采样中,除了定时外,还要提
34、供采样和转换时间的比例,所以,定时器的输出单元选择模式 2,即翻转/复位模式。在该模式下,当计数值达到TACCRx 寄存器中的值时,输出信号翻转;当计数值达到 TACCR0 寄存器中的值时,输出信号复位。结合增计数模式,定时器 A 的输出波如图 3-19 所示。图 9 软件设置 Timer_A 输出波形 27此时输出为占空比为 1-TACCR0/TACCR1 的方波,作为 ADC 的采样转换时钟。在本设计中,脑电信号的采样率设置在 512Hz,此时1520643.78tTACRLKk所以在在定时器 A 的初始化中设置 TACCR0=63。采样之后的转换需要 13个 ADC 时钟周期来完成,而转
35、换则是由下降沿触发的,所以需合理设置TACCR1 以保证足够的转换时间。4.3 无线模块软件设计如上一节所提到的,无线模块与 MSP430 之间的通讯是通过 SPI 进行的。无论是对射频芯片的控制指令还是传输的数据均通过 SPI 口进行传输与读取。无线模块的软件主要分为两个部分,一个是脑电采集端的发送部分,另一个是电脑端的接收部分。前者实现了脑电数据的无线发送,后者则实现了脑电数据的无线接收以及将接收到的数据通过串口传输至电脑。尽管在硬件设计上两者使用的 MSP430 单片机为不同型号,但在原理上基本是相同的。为方便开发人员进行软件开发,德州仪器提供了 SmartRF Studio 软件(图3
36、0)帮助开发人员进行射频芯片的寄存器配置。选择 2.4GHz 下的 CC2500,在专业模式下对进行无线传输中涉及的参数的配置,软件会辅助生成寄存器对应的值,可以作为编程中寄存器值的参考。图 10 SmartRF 软件操作界面图上图为元件选择界面,下 图为参数配置界面在此,根据实际需求,配置主要寄存器工作状态如下:表 3 无线射频参数配置RF 频率 2433MHz晶振频率 26MHzRF 输出能量衰减 0dB接收端滤波带宽 540kHz数据传输率 250kbps调制格式 7-MSK通道空间 199.95kHz其他还有一些寄存器涉及到无线传输性能的,在本设计中使用了 CRC 校验对无线传输过程中
37、的数据包进行校验。CC2500 射频传输数据方式有多种,在本设计中选择非固定长度的短数据包传输模式,即使用 FIFO 堆栈进行数据的暂时存储。无线传输数据基本格式定义如图 31 所示。图 1 无线射频数据包格式CC2500 的 GDO0 引脚的功能设置为在检测到同步数据时被唤醒,而在数据发送或者接收完成后则处于休眠状态。对于 MSP430,在堆栈中首先读取到的数据为数据长度,然后是设备的地址,在设备地址匹配的情况下,根据数据长度位对接下来的数据进行有效读取。直至数据读取结束。在数据结束后,读取 CRC 校验位,对接收到的数据包的数据准确性进行判断。对于接收端而言,在接收到数据之后,立即将接收到
38、的数据通过 RS232 传输至电脑。4.4 SD 卡软件设计与无线模块类似,SD 卡与 MSP430 之间的通讯也是通过 SPI 进行的。在对3 线连接的 SPI 进行初始化设置后,既可以对与之相连接的 SD 卡进行操作。SD 卡中对数据的读写是以 sector 为单位进行的,每个 sector 中包含 512 个8 位字节。在本设计中对 SD 卡读写的基本函数为 mmcWriteSector()和mmcReadSector(),调用此函数可以进行以 512 个字节为单位的数据读写。函数的传递参数为写入的地址,写入的字节数,返回值为写操作结束后的状态寄存器的值。首先,向 SD 卡寄存器发送写指
39、令,得到正确的响应后,向相应的扇区写入待写的数据,完成后读取状态寄存器的值。此处不同的返回值反映了本次写操作是否成功。图 2 SD 读写流程图但为了方便文件管理,这里自定义了一个简单的文件系统,用于文件的简单管理。如下图所示定义 SD 卡的开始两个扇区为文件信息区,记录当前 SD 卡中的文件存储信息。文件数据写入为顺序写入。具体实现为:分别定义两个扇区为 FAT1 和 FAT2。程序初始化时,首先读取 SD 卡的大小,存储在中件变量中,读取 FAT1 中的数据信息,存储在 FAT1Buffer 中,获得当前 SD 卡中文件信息以及可写地址信息。同时读取 FAT2 中的数据信息,存储在 FAT2
40、Buffer 中。获取当前 SD 卡中可写的地址,以及当前文件数目。图 3 SD 卡数据储存设计图在写操作开始时,首先判断文件的有效数以及新文件开始地址是否超过了最大数目,若超过了最大地址,不进行 SD 卡的写入,溢出位置位,同时给出提示信息。若满足写入条件,则进行写入的准备。包括:新建文件的文件信息更新,根据文件数选择在 FAT1Buffer 或者 FAT2Buffer 的合适位置写入新文件的文件名,创建时间,开始地址。同时创建临时变量,用于开始地址的存储。在写操作过程中,由于 SD 卡文件的写操作必须是以 512Byte 为单位,所以在程序中创建数据缓存区以及计数器,每计数到 512,即将
41、数据缓存区中的数写入指针所指示的位置,在每次写操作结束后,指针加 1。同时在每次写之后要进行存储空间的检测,如果达到最大存储容量,则溢出置位,写操作停止。在写操作结束时,停止 SD 卡当前文件的读写,并对两个文件索引表格进行更新。包括:有效文件数加 1,FAT1Buffer 中有效文件写入地址更新,有效文件数更新,溢出标志位更新,同时在当前新建的文件相应索引处更新文件结束地址。分别将 FAT1Buffer 和 FAT2Buffer 的内容写入 SD 卡的开始两个扇区。以上为一次完整的 SD 卡写操作。经过这样的步骤,SD 卡中的数据可以被读出并处理。但由于该文件系统为自定义,电脑操作系统并不能
42、识别。需要安装读取原始数据的软件或者编写相应的读取软件。目前为简化开发,使用WinHex 软件对 SD 卡原始数据直接进行读取。读取的数据为 16 进制格式,可以用 Matlab 软件进行后续的处理。5 系统创新相比较其他脑电产品,本设计具有以下几个优势和创新点:1) 诚如前面所述,动物脑电是神经科学领域进行研究的一个重要手段,现阶段实验室对例如大鼠之类的小动物的研究基本上是以麻醉状态下脑电测量为主,国内清醒小动物脑电测量的产品几乎为零,而清醒小动物脑电的研究是非常有意义的。本设计则为研究人员提供了一个用于长时间清醒小动物脑电采集的解决方案。2) 本设计中采用的穿戴式解决方案,简便可用。相比较
43、国外的植入式解决方案,使用简单,无需复杂的植入手术,也降低了手术中可能带来的感染风险。同时,从成本上来说,非植入式的解决方案也是有一定的优势的。3) MSP430 的引入使得系统不再是单一功能的脑电采集器。其丰富的集成外设可以减少板上元器件,将电路板的体积控制在一定范围内;强大的运算能力使得片上数字信号处理成为可能;通过软件编程可以使脑电采集与传输过程变得智能化,例如对采集过程的控制,对无线传输错误的纠正,添加同步信号实现事件相关电位的记录等等,可以在不对硬件进行重新设计的基础上,根据研究人员的需要增加获删减相应的功能,使之成为专用系统。4) 在本设计中,对脑电放大电路的设计进行了一次尝试,即
44、在传统脑电放大设计的基础上进行了简化。在经过仿真和实践后,发现可以适当地减小滤波硬件电路的比例,采用数字滤波加以弥补。这样在保证信号精度的基础上硬件电路得到了很大程度的精简。5) 低功耗,通过合适元器件的选取,结合软件低功耗设计,使整个系统的功耗控制在比较低的范围内。正是因为系统的低功耗特性,使得系统可以采用容量为 560mAh 的 3V 纽扣电池进行供电,满足较长时间内连续脑电的记录。6) 作为一个完全自主研发的产品,可以对系统进行适当的扩展。采集部分的硬件电路可以根据需求进行设计上的更改;MSP430 可以进行程序的重复烧写;在电脑端的程序也可以根据需求进行功能的增加和删减。6 评测与结论
45、对本系统的性能测试主要分以下几个方面。首先是脑电放大电路部分的性能,对模拟信号发生器产生的信号进行放大,进而观察计算脑电放大部分的性能,由于系统采用了数字信号滤波,所以对数字滤波的性能同样要进行测试;无线传输的性能对整个系统也有着很大的影响,这里对无线传输的误码率进行了测试,以确保其在规定条件下传输数据的可靠性,主要针对无线发送端的供电电压以及无线传输的距离;同样对 SD 卡存储数据的可靠性也进行了简单的验证;最后对于整个系统的功耗进行了测试。于此同时通过一个应用在大鼠身上的实际场景的实验对系统的可用性以及可靠性进行进一步的验证。6.1 脑电放大性能测试放大电路是整个系统的一个核心内容,其性能
46、好坏将直接影响到整个系统,所以对脑电放大部分的各性能指标进行测试是十分必要的。在本毕设中选用微伏级信号发生器作为模拟输入信号,对脑电放大部分的性能进行测试。具体的测试包括两个部分,一是模拟电路对不同频率段的微伏级信号的放大性能,主要测试放大倍数和通频带;二是共模抑制比的测试,对于生物电信号采集器而言一般均需对其共模抑制比进行测试。6.1.1 对信号的放大性能该部分主要测试脑电放大电路对信号的放大性能,即放大器对脑电有效频率范围内信号的放大倍数。具体测试方法为:脑电采集装置的输入端信号为模拟信号发生器产生的信号,其幅度为 50uV,频率分别为 2-200hz。经模拟电路放大滤波后,由数模转换器转
47、换为 12 位精度的数字信号,通过串口传输至电脑并保存。利用 Matlab 软件对保存的数据进行时域还原以及频域 FFT 变换。为便于观察与比较,在采集的数据中分别选取不同频率的 1s 波形进行处理与分析。如图所示,选取不同频率的信号,即2Hz,5Hz,10Hz,20Hz,30Hz,40Hz ,50Hz,60Hz,80Hz,100Hz,200Hz共 11 个不同高频率的信号各 1s,分别在两幅图上画出以供比较。输入信号的峰峰值均为 50uV。图中,左边两幅时域图横轴坐标为时间,纵轴坐标为数字信号的大小,从图中可以看出每个频率段的信号均为 1s,且在一定频率范围内不同频率的信号经放大后信号幅度基
48、本相等。右边两幅频域的图为对左图中的加和信号做快速傅里叶变换(FFT)得到的结果,其横轴坐标为频率,纵轴坐标为强度,从图中可以看到分别对应的 11 个频率点出现了峰值,这表明时域图中的信号中包含了对应频率的信号,而这几个峰值在 50Hz 之内幅度基本相等,也侧面反映了放大器对不同频率的信号放大效果是一致的。在 50Hz 之后无论是在时域还是在频域均发现信号的幅度减弱,这也与设计中的低通滤波器相一致。其中,发现在 50Hz 处的峰值幅度略大于其余的几个频率,这可能是由于模拟电路中未添加 50Hz 的陷波器,在其他频率段的信号中包含了 50Hz 的工频干扰。0 5000 10000-5000500
49、 Channel1 time domainTime/msAmplitude0 50 100 150 200 250010203040 Channel1 frequency domainFrequency (Hz)|Y(f)|0 5000 10000-5000500 Channel2 time domainTime/msAmplitude0 50 100 150 200 250010203040 Channel2 frequency domainFrequency (Hz)|Y(f)|图 14 放大电路性能测试结果Figure 1 Amplification performance test result左图为两个通道不同 频率信号各 1s 在时域上的波形,右图为对左图中时域信号进行 FFT 变换后的结果表 4 不同频率信号放大后幅值频率/Hz 2 5 10 20 30 40 50 60 80 100 200通道 1 238 256 256 274 27