碎片文件脑电波采集及无线传输
摘要
无线可穿戴干电极脑电帽与驾驶员警觉度监测系统，即要求设计开发针对驾驶员的便携式无线可穿戴干电极脑电帽，保证在驾驶状态下，能便捷、稳定、长时间地采集驾驶员的脑电信号，最终为航天、航空和汽车等领域提供精确的警觉度实时监测和预警技术。本课题是脑电信号无线传输子系统。它要求设计实现低功耗、高可靠性、高稳定性嵌入式多通道高分辨率脑电信号处理与传输电路，将前端放大电路输出的信号进行 A/D 转换后，进行信号处理，然后进行无线传输，分别输出到主机（数据训练阶段）和嵌入式移动终端（实时预警阶段）。 本系统将ADC 的转换结果先输出到CPLD 中暂存，再输出到MCU 中。在分析了系统设计指标并确定关键技术之后，开始设计嵌入式系统框架。在本系统中，MCU 输出ADC的时钟输入以及其他控制信号，由此控制ADC 进行数据采集与转换；ADC将转换后的串行数据输出到CPLD中暂存；CPLD将从ADC得到的串行数据转换成并行数据后，通过 4-1 多路复用器发送到 MCU；最后，MCU 将数据输送到蓝牙模块，通过它将数据无线发出。
关键词：脑电波，嵌入式系统，ARM，CPLD,信号采集，无线传输
第一章 系统技术指标与性能要求
在系统设计之前，必须明确系统的技术指标与性能要求，这些信息决定了系统方案的选择和软硬件的设计开发。因此，为满足无线可穿戴干电极脑电帽与驾驶员警觉度监测系统的设计要求，本课题设计之初，对整个系统的结构进行了仔细的分析，并分别与前端脑电信号放大子系统、后端嵌入式移动终端的负责人进行了讨论和研究，对常用芯片的性能进行了调研
1.1 系统技术指标
本系统的设计指标如表 1-1 所示，由于在目前技术下，前端信号放大电路可以输出 8通道单端信号，因此这里采样通道数目必须与之保持一致。
项目 | 指标 |
电源供电 | 普通直流+5V电源供电 |
采样通道数目 | 8通道单端信号 |
频偏每通道采样率 | 500HZ |
A医用脚轮DC分辨率 | 16bit |
ADC参考电压 | 能够满足不同的信号电压和动态范围要求 |
工作电流 | 100mA |
传输速度 | 97mm100Kbps |
无线传输距离 | 10米 |
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1.2 系统性能要求
为了满足整个系统的设计要求，本系统还需具有如下性能：(1) 系统架构简单、低功耗、便于携带； (2) 较高的性价比；(3) 系统具有较高的可靠性和稳定性；(4) 留有备用接口，便于系统扩展和调试。
第二章 系统总体设计方案
2.1 系统总体框架
本系统总体框架如图2-1 所示：
由图2-1 可知，MCU 输出ADC的时钟输入以及其他控制信号，由此控制ADC进行数据采集与转换；ADC 将转换后的串行数据暂存到 CPLD 中；CPLD 将串行数据转换成并行数据后，通过 4-1 多路复用器将数据发送到 MCU；最后，MCU 通过蓝牙模块，将数据无线发出。各个模块间的连接方法将在第三章硬件电路设计中分模块详细阐述。将ADC 的转换结果暂存到CPLD 中是为了减轻 MCU 与 ADC 接口上的负担，进而减少 MCU在该接口上的处理时间。
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系统数据流图见图2-2 所示。
2.2 硬件器件选择
系统总体框架设计完成后，开始选择硬件器件。硬件器件选择应满足表 1-1 中的统功能性需求指标，它主要包括：ADC、CPLD、 MCU、蓝牙模块、电压转换芯片、接口插件、电容电阻等 。这里只介绍主要硬件器件的选择：
(1) ADC选型 ：ADS8344 是 TI 公司生产的８通道、16 位、高精度、低功耗 SAR-ADC(Successive Approximation-Analog Digital Converter，逐次逼近型模数转换器)，采样速率高达100KHz。由于所需采样率 500Hz(见表 1-1)远低于选用芯片的最高采样率，因此可以通过多个模拟通道切换实现采样，这一方面降低了系统功耗，另一方面降低了设计成本。ADS8344 满足系统多通道、高精度、低功耗采集数据的要求，因此选用此款芯片。为了能够处理各种前端放大电路（不同的信号电压和动态范围要求）的输出信号，选用外部参考电压元器件，这样能够根据需求直接改变ADC 的输入满量程电压值。另外，现在前端系统只有8路单端信号，用 1个 8（单端）通道/4（差分）通道的ADC芯片即可。但是随着系统的改进，前端系统可能提供 8 路差分信号，因此，为了满足 8 个通道的数据采样，选用 4 个 8（单端）通道/4（差分）通道的 ADC 芯片，为系统的改进与扩展留有余地。
(2) CPLD选型 ：Altera 公司的 MAXII系列CPLD是有史以来功耗和成本最低的CPLD。本
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系统选用MAXII系列的EPM240，它功耗低、价格低、速率快、面积小（100-pin TQPF封装） ，满足系统设计的各方面要求。该芯片有 240 个逻辑单元，满足所需要的逻辑电路设计，通过逻辑设计综合得到的结果，整个芯片的资源占用率为55%，为今后功能扩展留有余地。
(3) MCU选型：考虑到功耗问题，使用ARM处理器，在保证计算能力的条件下尽量减少功耗。本系统选用 NXP 公司的 LPC2144 型 ARM 微处理器。LPC2144 采用超小 LQFP64 封装，功耗很低，因此特别适用于访问控制和 POS 机等小型应用中。它的最大工作频率为260MHz。它内置2个 UART、2个高速I C总线(400 Kbit/s)、SPI、具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP，以及 2 个 10 位 ADC、10 位 DAC、和多达 9 个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它特别适用于工业控制和医疗系统。基于这一处理器能够尽量减少外部控制器的数量，提高了系统可靠性并降低了成本。
(4) 蓝牙模块选型 ：为了简化设计并降低系统功率，选用市场上成熟的蓝牙传输模块。本系统选用重庆金瓯公司的蓝牙内嵌模块 BTM0704C2P。这一模块由于内部带有蓝牙协议控制软件，大大简化了单片机的软件设计难度。此芯片具有标准 UART 接口，具有自动节能
模式，支持低功耗工作模式/高速工作模式，支持多种波特率（1.2k、2.4k、4.8k、9.6k、19.2k、38.4k、57.6k、115.2k、230.4k、460.8k、921.6k、1.384Mbps），有效通信距离为10米，满足系统设计的各方面要求。
(5) 电压转换芯片的选择 ：系统采用直流+5V 电源供电，而 ARM、CPLD、蓝牙模块等芯片均需采用+3.3V 直流电源，因此选用SPX1117M-3.3作为电压转化芯片。它是Sipex公司生产的LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器）芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。SPX1117 系列 LDO 芯片输出电流可达 800mA，输出电压的精度在±1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛应用在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域 。虽然 LDO 在特定的供电电压下，效率不及 DC-DC 变换器，但这一设计能够简化电路结构、提高可靠性并降低设计成本。
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