基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810862194.4
(22)申请日 2018.08.01
(66)本国优先权数据
201810578672.9 2018.06.07 CN
(71)申请人 杭州航弈生物科技有限责任公司
地址 311100 浙江省杭州市余杭区余杭经
济技术开发区新颜路22号301N
(72)发明人 白玉晶 魏彦兆 路越 林熠阳 
王立鹏 
(74)专利代理机构 宁波高新区永创智诚专利代
理事务所(普通合伙) 33264
代理人 胡小永
(51)Int.Cl.
A61B  5/0476(2006.01)
A61B  5/0488(2006.01)
(54)发明名称
基于ADS1299的可穿戴脑信号及肌电信号
放大器
(57)摘要
本发明公开了一种基于ADS1299的可穿戴脑
电信号及肌电信号放大器,属于信号采集技术领
域,本发明通过设置两片ADS1299芯片,能够分别
采集脑电信号和肌电信号两种信号,
使高质量的脑电信号采集和肌电信号采集更易于实现,并且
通过各部件的配合,减少了脑电信号采集过程中
的噪声干扰,提高了脑电信号的质量,同时降低
了系统功耗。权利要求书1页  说明书5页  附图1页CN 108968954 A 2018.12.11
C N  108968954
A
1.一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括:多个第一导联电极、多个第二导电电极、集成前端放大器、控制器和通信电路,所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片,各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片相连,各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片相连;
所述第一ADS1299芯片,用于从所述第一导联电极处采集脑电信号,对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器;
所述第二ADS1299芯片,用于从所述第二导联电极处采集肌电信号,对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器;
所述控制器,用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路发送至上位机。
2.如权利要求1所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片之间采用雏菊链连接。
3.如权利要求2所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述控制器采用STM32芯片。
4.如权利要求3所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述第一ADS1299芯片的CLK引脚与所述第二ADS1299芯片的CLK引脚连接,所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述第二ADS1299芯片的SCLK引脚连接,所述第一ADS1299芯片
引脚与所述第二ADS1299芯片的引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所
述第二ADS1299芯片的DIN引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DAISY_IN 0引脚与所述第二ADS1299芯片的DOUT1引脚连接,
所述第一ADS1299芯片的
引脚与所述STM32芯片的引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DOUT0引脚与所述STM32芯片的MISO引脚连接,所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述STM32芯片的SCLK引脚连接,
所述第一ADS1299芯片的
引脚与所述STM32芯片的GPO引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述STM32芯片的MOSI
引脚连接,所述第二ADS1299芯片的DAISY_IN 1引脚接地。
5.如权利要求1~4中任一项所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,各第一导联电极和所述第一ADS1299芯片之间分别设有第一预处理电路,各第二导联电极和所述第二ADS1299芯片之间分别设有第二预处理电路。
6.如权利要求5所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述第一预处理电路和第二预处理电路均采用低通滤波电路。
7.如权利要求6所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述低通滤波电路包括:电阻R和电容C,所述电阻R的第一端与导联电极接口连接,所述电路的电阻R的第二端与所述电容C的第一端以及ADS1299芯片接口分别连接,所述电容C的第二端接地。
8.如权利要求1~4中任一项所述的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,其特征在于,所述第一导联电极的数量为8,所述第二导联电极的数量为8。
权 利 要 求 书1/1页CN 108968954 A
基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器
技术领域
[0001]本发明涉及信号采集技术领域,特别涉及一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器。
背景技术
[0002]人体组织细胞总是在自发不断地产生着很微弱的生物电活动。大脑作为人体内构造和功能最为复杂的器官,一直吸引着无数试图穷尽其奥秘的学者。脑电信号作为大脑科学的钥匙,为神经脑科学研究提供了根本的依据与途径。脑电信号是大量脑神经细胞在高度相干状态下的电活动在大脑皮层上的总体效应。利用当前已有的技术,可以通过在人脑头皮表面特定区域贴电极片进行脑电信号采集,并经脑电检测设备放大并传输给相应的显示设备,能够得到连续且具有一定波形、幅度、频率和相位的图形、曲线,即脑电图。当脑组织进行运动想象时,脑电信号会发生相应的改变,从而为脑科学研究,运动神经康复训练提供依据。但是,微弱的脑电信号往往伴随着强大的干扰信号同时存在,包括阻抗引起的衰减,传输线介质的干扰,随机噪声的干扰等,因此在脑电信号放大的同时也不可避免将干扰信号放大。具体地说,对于微伏量级的脑电信号,如果希望在16位以下的采样系统中分辨清楚则必须放大至少1000-10000倍,而此时上述干扰信号将会使放大器饱和。
[0003]为了解决干扰信号使放大器饱和的问题,传统脑电采集系统针对该问题,大多设计有截止频率为0.5Hz高通滤波器或者更小的直流和低频放大倍数来防止放大部分饱和。然而,脑电研究过程中,在接
近直流的低频0.01Hz处发现了可能与脑疾病或认知相关的信息,传统的滤波或者降低放大倍数操作不利于脑电信息的提取,无法满足用户在不同的情况下对脑电精确获取的需求。
[0004]对于有特性用途的运动想象脑电放大器,除脑电信号外还需要采集肌电等信号,需要新型多通道脑电肌电综合放大器,传统脑电放大器很难满足特殊用途的需求。
发明内容
[0005]为解决上述的全部或部分的技术问题,本发明提供了一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器。
[0006]本发明提供的一种基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器,所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括:多个第一导联电极、多个第二导电电极、信号预处理电路、集成前端放大器、控制器和通信电路,所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片,各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片相连,各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片相连;
[0007]所述第一ADS1299芯片,用于从所述第一导联电极处采集脑电信号,对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器;[0008]所述第二ADS1299芯片,
用于从所述第二导联电极处采集肌电信号,对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器;
[0009]所述控制器,用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路发送至上位机。
[0010]优选地,所述第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片之间采用雏菊链连接。[0011]优选地,所述控制器采用STM32芯片。
[0012]优选地,所述第一ADS1299芯片的CLK引脚与所述第二ADS1299芯片的CLK引脚连接,所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述第二ADS1299芯片的SCLK引脚连接,所述第一
ADS1299芯片的引脚与所述第二ADS1299芯片的引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述第二ADS1299芯片的DIN引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DAISY_IN0引脚
与所述第二ADS1299芯片的DOUT1引脚连接,所述第一ADS1299芯片的引脚与所述
STM32芯片的引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DOUT0引脚与所述STM32芯片的MISO引脚连接,所述第一ADS1299芯片的SCLK引脚与所述STM32芯片的SCLK引脚连接,所述第一
ADS1299芯片的引脚与所述STM32芯片的GPO引脚连接,所述第一ADS1299芯片的DIN引脚与所述STM32芯片的MOSI引脚连接,所述第二ADS1299芯片的DAISY_IN1引脚接地。[0013]优选地,各第一导联电极和所述第一ADS1299芯片之间分别设有第一预处理电路,各第二导联电极和所述第二ADS1299芯片之间分别设有第二预处理电路。
[0014]优选地,所述第一预处理电路和第二预处理电路均采用低通滤波电路。
[0015]优选地,所述低通滤波电路包括:电阻R和电容C,所述电阻R的第一端与导联电极接口连接,所述电路的电阻R的第二端与所述电容C的第一端以及ADS1299芯片接口分别连接,所述电容C的第二端接地。
[0016]优选地,所述第一导联电极的数量为8,所述第二导联电极的数量为8。
[0017]本发明通过设置两片ADS1299芯片,能够分别采集脑电信号和肌电信号两种信号,使高质量的脑电信号采集和肌电信号采集更易于实现,并且通过各部件的配合,减少了脑电信号采集过程中的噪声干扰,提高了脑电信号的质量,同时降低了系统功耗。
附图说明
[0018]图1是本发明一种实施方式的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器的结构框图;
[0019]图2是图1所示的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器中第一ADS1299芯片和第二ADS1299芯片的电路原理图;
[0020]图3是图1所示的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器中预处理电路的电路原理图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
[0022]图1是本发明一种实施方式的基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器的结构框图;参照图1,所述基于ADS1299的可穿戴脑电信号及肌电信号放大器包括:8个第一导联电极(分别对应图中的11、12、…、18)、8个第二导电电极(分别对应图中的21、22、…、
28)、集成前端放大器、控制器60和通信电路70,所述集成前端放大器包括第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52,各第一导电电极分别与所述第一ADS1299芯片51相连,各第二导电电极分别与所述第二ADS1299芯片52相连;
[0023]当然,所述第一导联电极和第二导联电极均可为其他数量,例如:1、2、3、4、5、6或7个,本实施例对此不以限制。
[0024]所述第一ADS1299芯片51,用于从所述第一导联电极处采集脑电信号,对采集的脑电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的脑电信号发送至所述控制器;[0025]所述第二ADS1299芯片52,用于从所述第二导联电极处采集肌电信号,对采集的肌电信号依次进行信号放大以及信号过滤,并将信号过滤后的肌电信号发送至所述控制器60;
[0026]需要说明的是,ADS1299芯片内置8通道采集电路,每个通道搭载增益可调的高达24倍低噪声模拟信号放大器(PGA)、24位高分辨率ADC转化芯片达0.1μV/bit;内置参考基准电压、片内振荡器、偏差放大器以及测试信号、可多信号切换输入;搭载串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI),实现全双工双向传输;内置驱动放大电路以及共模抑制电路,共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)大于110dB;支持双极性或者单极性输入,功耗低至5mW;内置雏菊链电路,可以利用多芯片级联实现多通道同步采集,适合脑电、肌电、心电等微弱生理电信号的采集放大与数字转换输出。
[0027]所述控制器60,用于将接收的脑电信号和肌电信号通过所述通信电路70发送至上位机。
[0028]在具体实现中,为便于将多路信号依次进行输出,本实施例中,所述第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52之间采用雏菊链连接。
[0029]为节约成本,本实施例中,所述控制器60采用STM32芯片(即对应图2中的“Host Processor”),所述STM32芯片可采用STM32F103系列嵌入式微控制器,所述STM32F103系列嵌入式微控制器是意法半导体(ST)基于ARM Cortex-M3内核专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用系统设计的增强型中低端的32位处理器,芯片时钟频率72MHz,集成了集成电路总线(Inter-Integrated Circuit,IIC)、串行外设接口SPI以及通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter,USART)等通信协议,8个定时器、12位模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)、安全数字输入输出卡(Secure Digital Input and Output Card,SDIO)等多种功能,支持JTAG、ST-LINK调试和下载,开发编译环境以及应用技术十分成熟,应用普遍。可利用STM32对ADS1299芯片进行初始化配置,包括采样率和放大器增益、数据接收模式、参考电位选择等;利用STM32的硬件SPI进行高速数据采集并发送至USB接口或射频发射端;利用STM32控制彩屏显示系统状态实现人机交互。
[0030]具体地,在工作原理中数据采集模式设置可包括以下五个步骤:
[0031]1)配置ADS1299相关通用输入/输出(General Purpose Input Output,GPIO),初始化SPI,EXTI外部中断,显示系统状态;利用定时器产生2.048MHz时钟信号输入至芯片一和芯片二的时钟端。
[0032]2)初始化第一ADS1299芯片51和第二ADS1299芯片52(共用命令和片选):禁用第一ADS1299芯片51的DRDY中断-->复位两个ADS1299芯片-->发送命令SDATAC,停止复位后默认

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