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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 上海交通大
2、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。ABSTRACTTraditional EEG reco
3、rdings 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 mainly con
4、sists 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 also used i
5、n 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，尤其是在希望小动物受到的
6、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）装置体积和佩戴问题：通
7、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，脑电采集放大处理部分采集双通道的脑电信号，抑制
8、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）脑电采集处理过程：精简脑电采集电路，通过软件设计
9、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
10、，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，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
11、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
12、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低功耗，适用于纽扣电池供电正常工作模式：1MHz，2.
13、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
14、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
