基于STM32W的无线双通道局部场电位信号采集系统设计

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越来越多的实验室已经开始从事脑机接口(brain computer interface, BCI)的研究,主要目的是为患有严重运动障碍的人提供一种运动或者与外界交流的能力。早期的脑机接口主要是面向运动和面向感觉功能两个方面。为了实现脑机接口,神经信号采集系统是其中最重要的一个环节。神经信号采集器是制约脑机接口发展的关键因素,它的性能优劣几乎最终决定了脑机接口设备的好坏。脑电信号采集系统在传统的监控、诊断和治疗脑部神经疾病方面扮演了极为关键的角色。传统的动物脑电信号采集系统,由于其设备大型化、电磁屏蔽箱的存在限制了动物的活动,同时外部屏蔽设备同样会影响动物行为,从而会对动物正常的认知活动脑电信号产生影响。目前国内外许多厂家生产的各种脑电采集仪器,在精度和抗干扰方面能很好的满足医疗康复的研究需求,但是它们大都有结构复杂,操作困难,体积庞大,移动不便,价格昂贵等缺点。针对以上缺点,本文主要提出了一种无线实现多通道局部场电位信号采集系统的设计方案,为以后脑机接口系统的研究打下了良好的基础。移动采集困难是当前大多数局部场电位信号采集系统存在的最大缺陷。本文中提出了一种新颖的便携式的局部场电位信号(Local field potential, LFP)采集系统的设计方法。该系统是以Cortex-M3为核心的STM32W为控制器,该控制器集成了2.4GHz以IEEE802.15.4为协议标准的无线传输模块。系统具有单电源供电,体积小,放大倍数高,输入阻抗高等优点。而且,还具有双通道同时采集的特点。为了实现大数据量的传输,减小无线信道传输压力和降低功耗,数据压缩也同时被采用。通过对各模块进行仿真测试,仿真结果与测量结果比较吻合,符合预期。该无线脑电信号采集系统的设计中,主要由前端模拟和后端数字两部分组成。前端模拟电路采用仪表放大器对采集到的微弱脑电信号进行放大,通过射频滤波电路滤除几乎所有的高频干扰,再通过高低通滤波器降低噪声信号的引入。数字无线部分实现了从模拟信号到数字信号的采集和数字信号的无线发送。实现的硬件主要包括外部高速AD采集芯片和STM32W108微控制芯片。微控制芯片主要进行数据的处理和数据的无线发送。采用的AD芯片为Analog公司生产的AD7912,它的有效位数为10位,具有高速传输,低功耗,双通道连续逼近等特点,最高的数据传输速率可以达到1MSPS。对采集到的信号在上位机上利用LABVIEW软件进行显示,并做相应的分析处理。
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