基于STM32F103RCT6和ADS1298的脑电信号数据采集与波形显示

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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。选择这款芯片，首先看重的是其24位高精度的分辨率，采用芯片内部参考电压2.4 V ，所以，模拟信号能反映的最小幅值变化为0.023 8 μV 。众所周知，脑电信号幅值微弱，范围为1~100 μV ，因此，此款芯片单从精度上来说，非常符合。其次，它内置了右腿放大器，这样方便了我们配置右腿电路驱动，有效地简化了系统设计。另外，采样速率可达32 kSPS ，完全满足对转换速率的要求。可编程增益1，2，3，4，6，8，12，极大地方便了我们对检测脑电信号的调试。3 软件设计

主要在于对ADS1298的26个寄存器的配置，以及对转换数据对应通道的设置、转换函数的编写。 另外，对于数据传输的时序，一定严格按照芯片手册给定的时钟周期范围跟时序图进行代码的编写。最后完成初步编写，后期不断进行调试，对寄存器的改动、对函数的优化、对逻辑的分析，充分利用keil 软件中的单步调试、设置断点等功能，对程序进行细致的调整修改，最后实现正确通信，测出我们需要的脑电信号数据。通过串口调试助手显示采集到的数据，记录，然后将数据保存后进行简单处理，为后面算法分析做准备。4 对数据进行分析处理4.1 处理算法的选择

系统采集模块设计了低通滤波电路，去除了部分高频杂波信号，但所采集的数据仍然具有一定幅度的基线漂移[4]。因此，需要对脑电数据进行基线漂移的消除。传统的利用傅里叶变换的频谱分析技术把信号映射到了频率域内并进行了分析，这种方式对于平稳信号且有噪音的谱特性有别于信号的谱特性时是比较实用的。但实际中我们所遇到的信号经常是非平稳信号，对它分析时需要弄清每个时刻的频谱分量，在这种情况下，傅氏变换无能为力。又因为

作者简介：刘培军（1993— ），男，山东潍坊人，硕士研究生；研究方向：脑电信号采集与处理。

刘培军，李红利

（天津工业大学 电气工程与自动化学院，天津 300387）

摘 要：文章主要介绍了以STM32F103RCT6作为主控芯片跟高精度低功耗模数转换芯片ADS1298进行的实验测数原理及

方案。文章具体讲解了主控芯片与这款采集芯片的硬件电路搭建与软件编程以及后期对程序的调试、修改，最后将微弱的脑电信号数据正确地测出，并以16进制的数据形式以SPI 通信方式发送到串口进行记录，经过MATLAB 的一系列处理，呈现出原始的脑电信号波形。实验结果良好，在疾病诊断和健康监护领域有非常高的应用前景。关键词：脑电信号数据采集；STM32103ZET6；ADS1298；MATLAB

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基于STM32F103RCT6和ADS1298的

脑电信号数据采集与波形显示