ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统

基于ADS1294的表面肌电信号采集系统的设计林锦荣;谭北海;谢胜利【摘要】目的:设计并实现一种表面肌电信号采集系统.方法:由基于ADS1294数模转换芯片的前端信号采集模块、基于LPC2368的微处理器模块以及运行在Windows环境下的上位机控制程序构成整套系统.由上位机程序发出控制命令,经串口传输到微处理器,从而实现对前端采集模块的控制,将采集到的信号经过微处理器模块最终传输到个人计算机上进行显示与保存.结果:系统能够实时从人体采集多路表面肌电信号,在上位机程序中动态显示,并将信号转换成24位μV级数据存储在个人计算机上.结论:经过大量临床试验表明,系统具有体积小、功耗低、精度高以及操作直观等优点,可以获得多路清晰的表面肌电信号,可以应用于肌肉临床诊断、康复医学及运动医学等领域.【期刊名称】《医疗卫生装备》【年(卷),期】2015(036)001【总页数】4页(P5-7,28)【关键词】表面肌电图;ADS1294;LPC2368【作者】林锦荣;谭北海;谢胜利【作者单位】510006广州,广东工业大学自动化学院;510006广州,广东工业大学自动化学院;510006广州,广东工业大学自动化学院【正文语种】中文【中图分类】TP274+.2;R318肌电是神经、肌肉兴奋发放生物电的结果，它是产生肌肉力的电信号根源。

常用的获取肌电信号的手段有针电极插入肌肉检测和表面肌电检测2种。

其中，采用针电极的优点是干扰小、定位性好、易识别，但由于它是一种有创的检测方法，其应用受到一定限制[1-2]。

而采用表面电极相比较而言具有无创性、操作简易、患者易于接受等优点，并且采集到的表面肌电图（surface electro myography，SEMG）作为特异性良好的评估神经肌肉功能状态指标被广泛应用于临床医学、康复医学的肌肉功能评价，以及体育科学中的疲劳判定、运动技术合理性分析、肌纤维类型和无氧阈值的损伤性预测等领域[3]。

一种单导联心电检测前端设计摘要随着人们对健康的重视，智能化医疗设备作为一种辅助检测工具，有助于对老人、小孩、军人等各类人群的生理参数进行实时检测和分析。

本单导联心电检测前端设计通过结合单导心电及WIFI传输技术，将采集的心电信号和心率信号实时传输到云平台或手机APP，供医生及时查看和辅助诊断，从而进一步实现心血管疾病预防和诊断的家庭化、便携化，降低医疗诊断、治疗和监护的成本。

其设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出心率，对患者进行高质量的实时心脏监护，未来还可以通过心电大数据的深度学习来实现智能诊断功能。

关键词：心电检测、单导联、无线传输、心脏监护、可穿戴设备、实时检测中图分类号：TN806引言受新冠疫情的启发，为了便于医生快速获取患者的心电、心率信息，也方便人们家用检测，本项目通过单导心电和WIFI传输技术，采用FFT滤波、中值滤波去除基线，得到准确可靠的心电波形数据，并将心电信号实时传输到云平台或手机APP，供医生即刻查看和辅助诊断，对患者进行高质量的实时心脏监护，从而降低疾病突发风险，提高病情管控效率。

本设计在保留传统心电检测功能的基础上增加了心电数据传输功能，并可根据心电图计算出准确的心率，同时保存心电数据文件，可以对心电检测历史进行回放以及后期的诊断处理。

1系统硬件设计一种单导联心电检测前端包括心电采集模块、WIFI模块、电源模块、单片机处理模块。

心电采集模块用到的芯片为ADS1292，和单片机之间采用SPI进行通信。

WIFI模块和单片机之间采用串口通信。

整体硬件设计图如图1所示。

图1 整体硬件框图1.1心电采集模块设计本系统采用TI公司生产的用于生物电势测量的模拟前端ADS1292，该芯片低功耗，具有24位双通道采集，32引脚，TQFP封装。

ADS1292每通道功率仅335W,内置有右腿驱动放大器、持续断线检测和测试信号，并且拥有非常灵活的断电以及待机模式。

采用SOC芯片的便携式无线心电监护系统袁海波;戴爽;肖步文;薛鸿飞;张健;李传南【期刊名称】《吉林大学学报（信息科学版）》【年(卷),期】2015(033)003【摘要】针对传统心电监护装置电路结构复杂、体积大、携带不便等问题,设计一种高度集成的便携式无线心电监护系统.系统采用模拟前端SOC(System On Chip)芯片ADS1298作为心电信号(ECG:Electro Cardio Gram)测量的核心芯片,结合高速、低功耗的单片机STC12LE5A60S2以及无线传输模块,再将ECG数据传输给上位机,由LabVIEW软件编写的程序完成ECG信号处理.测试结果表明,该系统具有电路结构简单、体积小,抗干扰能力强、便携式、高精度等优点,有利于对心血管疾病的院前发现、防治和远程诊治,同时降低了心源性猝死的发生率.【总页数】6页(P274-279)【作者】袁海波;戴爽;肖步文;薛鸿飞;张健;李传南【作者单位】吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,长春130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春130012;吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,长春130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春130012;无锡华润华晶微电子有限公司,江苏无锡214061;吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,长春130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春130012;吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,长春130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春130012;吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室,长春130012;吉林大学电子科学与工程学院,长春130012【正文语种】中文【中图分类】TP274.2【相关文献】1.便携式心电监护系统中心电信号的实时分析方法设计 [J], 田福英2.便携式十二导联低功耗心电监护系统的设计 [J], 王思毅;孙瑞杰3.心电监护系统便携式智能终端的设计 [J], 杨子立4.基于ARM11的便携式心电监护系统 [J], 张鹤;夏利;孙丹5.基于Android的便携式心电监护系统设计 [J], 吴兆强;彭龑;宋光珍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

- 26 -第12期2018年6月No.12June，2018脑电信号（Electro Encephalo Gran ，EEG ）是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，是大脑研究、生理研究、临床脑疾病诊断的重要手段[1]。

目前，由于脑电信号的采集方式不同，因此所获得的结论差异较大，大多采用普通单片机作为控制器，转换芯片的精度也相对较低，因此本文根据脑电信号的微弱特性和微弱信号处理要求，介绍了脑电信号采集系统组成和信号处理的有效方法[2]。

本实验采用了TI 公司研发的ADS1298这款24位高精度A/D 采集转换芯片，简化高效了“信号采集转换”这一过程，优于单独搭建外围放大、滤波电路这种普通采集模式，加之ARM 公司研发的ARMv7M 架构的STM32F103RCT6这款高性能、低功耗的主控芯片，使得所测数据更加准确。

1 方案设计本系统主要有电极连接部分、预处理电路、A/D 采集转换、数字滤波及显示部分5大模块。

采用串行外设接口（Serial Peripheral Interface ，SPI ）为主控芯片与采集芯片的通信方式，之所以采用SPI 进行传输，主要是操作简单，只有4个接口，而且支持全双工，其传输速率高，主机和从机各有一个移位寄存器，且二者连接成环，随着时钟脉冲，数据按照从高位到低位的方式依次移出主机寄存器和从机寄存器，并且依次移入从机寄存器和主机寄存器[3]。

当寄存器中的内容全部移出时，相当于完成了两个寄存器内容的交换。

然后将转换后的十六进制数据发送窗口调试助手进行记录并保存，到此，完成了脑电信号数据的采集转换，最后将数据导入MATLAB ，采用EMD 算法进行滤波，还原出准确的脑电波形。

2 主要硬件电路设计为了节省空间、降低干扰，本文采用ADS1298为信号采集前端，该芯片是TI 公司近年推出的一款针对心电和脑电信号采集的24位高精度专用模数转换芯片。

(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的可穿戴脑电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 2018.12.11C N 108968954A1.一种基于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。

多导生理信号记录仪介绍多导生理信号记录仪(mindware)，是目前世界上应用广泛，功能强大的电脑化多导生理信号记录仪；分为BioNex台式多导生理信号记录仪及无线动态便携多导生理信号记录仪，其独有的BioLab数据采集显示软件可轻松快速的从Mindware整个产品线包括BioNex 和动态系统获得信号。

而且它还可以将生理电信号与实验室中采集的视频和音频信号同步。

选购放大器及相应换能器可以完成以下生理信号测量：ECG，EMG，EOG，各种力和角度等传感器，阻抗心动图（ICG），体积描记法plethysmography）等。

应用：心理生理学（ECG，EMG，GSC，ImpedanceCardiography，etc.）生物力学，运动医学和运动学（角度计，EMG，Impedance Cardiography）神经科学（EEG，EOG，ect.）生物学（生理电信号）生命科学教学（生理电信号，传感器，数据分析和显示）工程领域（力学，加速度，振动和位移等）功能特点：测试项目包含脑电、心电、肌电、眼电、皮电、皮温、呼吸、脉搏、心率变异性、阻抗心动图、血压、三轴加速度、各种力和角度、音/视频等；音视频与数据同步采集、回放；可按需选择传感器模块，配置灵活；具有台式和无线动态两种采集方式；软件具有集成数据回放与输出，多种事件记录方式，实时事件日志，用户在线自定义事件编码，多种触发方式，远程控制，实时分析等功能；数据可导出到Excel或TXT软件；可与第三方设备结合同步使用，如E-prime刺激编译软件，ASL眼动仪，Tobii 眼动仪，Noldus行为分析系统。

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ADS122424 位、240SPSADC，具有4 通道差动输入Mux、High-Z 缓冲器、串ACTIVE24240SPS4SerialSPITemp.SensorADS1225具有差动输入和内部振荡器的 24 位100SPSACTIVE24100SPS1SerialSPITemp.SensorADS1226具有两路差动输入多路复用器和内部振荡器的ACTIVE24100SPS2SerialSPITemp.SensorADS1231低噪声、24 位模数转换器ACTIVE2480SPS1SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60HzrejectionADS123224位、超低噪声模数转换器ACTIVE2480SPS2SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60HzrejectionADS123424 位超低噪声模数转换器ACTIVE2480SPS4SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60HzrejectionADS124024 位模数转换器ACTIVE2415SPS4SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60Hzrejection, SingleCycleSettlingADS124124 位模数转换器ACTIVE2415SPS8SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60Hzrejection, SingleCycleSettlingADS124224 位ADC，具有4 通道、PGA 1:128、50/60Hz槽口和0.6mW 功耗ACTIVE2415SPS4SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60Hzrejection, SingleCycleSettlingADS1146用于温度传感器的16 位模数转换器ACTIVE162kSPS1SerialSPIPGA,Oscillator, 50/60Hzrejection, Temp.Sensor,SingleCycleSettlingADS1147用于温度传感器的16 位模数转换器ACTIVE162kSPS3SerialSPIPGA,Oscillator,InternalReference, 50/60Hzrejection, Temp.Sensor,GPIOs,SingleCycleSettlingADS1148用于温度传感器的16 位模数转换器ACTIVE162kSPS7SerialSPIPGA,Oscillator,InternalReference, CurrentSources(iDACs),50/60 Hzrejection, Temp.Sensor,GPIOs,SingleCycleSettlingADS115816 位 16通道快速循环125kSPSΔ-Σ ADCACTIVE16125kSPS16SerialSPIOscillator, GPIOs,SingleCycleSettling1ADS1174四路 16位同步采样模数转ACTIVE1652kSPS4SerialSPISimultaneousSampling0.0045ADS1178八路 16位同步采样模数转ACTIVE1652kSPS8SerialSPISimultaneousSampling0.0045ADS1191用于生理信号测量的低功耗、2 通道、16 位模ACTIVE161SerialSPISimultaneousSamplingADS855516 位、6通道同步采样 ADCACTIVE16630kSPS6ParallelCMOS,SerialSPIInternalReference,SimultaneousSampling4ADS855616-Bit500kSPS6-ChSimultaneousSamplingSAR ADCACTIVE16630kSPS6ParallelCMOS,SerialSPIInternalReference,SimultaneousSampling4ADS856816 位、8通道、同步采样、双极性输入 ADCACTIVE16500kSPS8ParallelCMOS,SerialSPIInternalReference,SimultaneousSampling3AMC12031 位10MHz 2阶隔离式Δ-Σ 调制器ACTIVE1640kSPS1Serial6AMC12041 位20MHz 二阶隔离式Δ-Σ 调制器ACTIVE1678kSPS1Serial9LMP90077具有真连续背景校准的多通道、低功耗 16 位传感器AFEACTIVE164SerialSPIContinuousBackgroundCalibration,CurrentSources(iDACs),PGALMP90078具有真连续背景校准的多通道、低功耗 16 位传感器AFEACTIVE164SerialSPIContinuousBackgroundCalibration,CurrentSources(iDACs),PGALMP90079具有真连续背景校准的多通道、低功耗 16 位传感器AFEACTIVE167SerialSPIContinuousBackgroundCalibration,CurrentSources(iDACs),PGATHS1206-EP 增强型产品 12位，6MspsAdc，具有四通道（配置），Dsp/UpIf，集成HiRelACTIVE126MSPS4ParallelCMOSInternalReference,SimultaneousSampling1.8THS1206M 12 位6MSPSADC，具有四通道（配置），DSP/uPIF，集成16x FIFO、信道自动扫描功HiRelACTIVE126MSPS4InternalReference1.8THS120712 位，6MSPS 同步采样四通道ADC；包括并行DSP/uPI/F 通道ACTIVE126MSPS4ParallelCMOSInternalReference1.5THS1208212 位、8MSPSADC，具有双通道、DSP/uP 接口、16XFIFO、通道自动扫描、低功ACTIVE128MSPS2ParallelCMOSInternalReference1.5THS12082 M 12 位、8MSPSADC，具有双通道、DSP/uP 接口、16XFIFO、通道自动扫描、低功HiRelPREVIEW128MSPS2InternalReference1.5THS120912 位、8MSPS ADC双通道、DSP/uP 接口、通道自动扫描、低功耗ACTIVE128MSPS2ParallelCMOSInternalReference1.5TLC2543ADC 串行输出，可编程MSB/LSB优先，可编程断电/输出数据长度，11通道ACTIVE1266kSPS11SerialSPI1TLC2543-EP 军用增强型塑料 12位 66kSPSADC，具有串行 输出、可编程MSB/LSB优先、11通道HiRelACTIVE1266kSPS11SerialSPI1TLC2543-Q1汽车类具有串行控制和 11个模拟输入的 12位模数转ACTIVE1266kSPS11SerialSPI1TLC255112 位400kSPSADC，具有串行输出、TMS320兼容（最高10MHz）和ACTIVE12400kSPS1SerialSPI1TLC255212 位400kSPSADC，具有串行输出、TMS320兼容（最高10MHz）、双通道和ACTIVE12400kSPS2SerialSPI1TLC255412 位400KSPSADC，4 通道 具有断电功能的串行ACTIVE12400kSPS4SerialSPIInternalReference1TLC255512 位400kSPSADC，具有串行输出、TMS320兼容（最高10MHz）和单通道 伪ACTIVE12400kSPS1SerialSPI1TLC1550输出、直接 I/F 到DSP/uProcessor、10通道HiRelACTIVE10164kSPS1ParallelCMOS0.5TLC155110 位，164kSPSADC 并行输出，直接 I/F 至DSP/微处理器，10通道ACTIVE10164kSPS1ParallelCMOS1TLV150410 位 200kSPSADC，具有串行输出、硬件/软件/自动断电、可编程自动通道扫描 和ACTIVE10200kSPS4SerialSPIInternalReference0.5TLV150810 位200kSPSADC，具有串行输出、硬件/软件/自动断电、可编程自动通道扫描、8ACTIVE10200kSPS8SerialSPIInternalReference0.5TLV154310 位 200kSPS ADC串行 输出，内置自检测模式，内部S，引脚兼容。

ADS1298 用于生物电位测量的低功率，8通道，24位模拟前端威尔逊中心电位（WCT）和胸导在标准的ECG 12导联中，定义WCT电压为右肢（RA），左肢（LA），和左腿（LL）电极的平均值。

这个电平用作胸导测量的参考电平。

ADS1294/6/8有三个内置低噪声运放产生WCT电平。

图47所示为实现框图。

芯片提供灵活的选择方式从八个信号（IN1P-IN4N）中任意选取一个输入到运放产生电平。

因此允许RA，LA，和LL电极根据导联结构连接到前四通道任意输入。

WCT电路的三个运放可通过寄存器设置独立掉电。

使两个运放上电，可在WCT脚产生任意两个电极的平均电平。

一个运放上电可提供WCT脚的缓冲电极电平。

注意：WCT 运放有驱动强度限制所以需要使用缓冲如果用来驱动一个低阻抗负载。

当使用WCT缓冲中任意1，2或3个查看表5的性能指标。

如表5所示，当超过一个WCT运放掉电总噪声降低。

噪声降低是由于噪声平均值被运放输出端网络结构影响。

单个缓冲掉电节省的功率可忽略不计因为主电路结构是三个运放共用的。

WCT节点的带宽被RC网络限制。

这个内部共用网络由三个30K电阻和一个80pF 电容组成。

需要说明的是要达到最佳性能要在外部增加100pF电容。

如表5所示，有效带宽取决于掉电运放数目。

WCT只能用来驱动非常高阻抗的输入（通常大于500M）。

典型应用是将WCT信号接入ADS1294/6/8的反相输入作为胸导信号参考。

如前文所提，三个WCT运放可以连接八个模拟输入的任意一个。

运放的输入信号被斩波取样，其斩波频率随ADS1294/6/8的数据速率而变。

斩波频率与最大数据速率比为1：1。

例如：数据速率为32kSPS时，斩波频率是32KHz。

斩波频率在数据速率为四个比较低的等级时（即4kSPS，2kSPS，1kSPS，500SPS）固定为4KHz。

斩波频率在WCT运放输出端显示为基于直流电平的一个小方波。

方波的幅度是运放的偏移电压典型值是5mVpp。