一种多参数生物电生理信号采集装置制造方法

一种多参数生物电生理信号采集装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多参数生物电生理信号采集装置，所述采集装置包括前端Spring有源干电极、AD转换器、ARM处理器、通信模块、电池供电模块和上位机波形显示模块，所述Spring有源干电极连接AD转换器，AD转换器与ARM处理器进行数据传输、交换，ARM处理器通过通信模块将数据发送给上位机波形显示模块。该技术方案中电极使用的是自主设计的Spring干电极，信号采集系统由ARM处理器和ADS1298模数转换器组成，通道可以做到16个，数据传输采用三种通信方式，USB通信方式、串口通信方式和无线通信方式。整个装置体积较小，精度高，便于携带。
【专利说明】一种多参数生物电生理信号采集装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及信号采集装置，具体地说是一种多参数生物电生理信号采集装置，属于辅助医疗设备【技术领域】。

【背景技术】
[0002]生物电信号采集处理装置是生物医学电子学科领域中应用最为广泛，学科交叉和渗透最为明显的技术热点之一，综合应用电子学有关工程技术的理论和方法，从工程科学的角度研究人体的结构和功能，以及功能与结构之间的相互关系。作为交叉学科，一方面将电子学用于生物和医学领域，丰富了生物电信号提取采集的方式，也使这些领域的研究方式更加精确和科学；另一方面揭示生命体运作过程中出现的许多规律，特别是经过亿万年进化而形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学科以重要的启示，这不仅会推动电子学的发展，还将会使信息科学发生革命性的变革。
[0003]生物电信号大多处于微伏级，对生物信号的米集大多使用两种方案，一种方案是提高前置放大器的放大倍数，配合低精度的AD转换芯片来采集信号。另外一种方案是前置放大器为低增益状态，配合高精度的AD转换芯片来采集信号。第一种方案虽然简便，可是系统本身会引入比生物信号大得多的噪声，并且选择很高的增益，干扰信号会使得放大器饱和，难以滤出。目前，大多数采集生物信号的设备由于每个通道都包含模拟滤波、放大模块，并且通道较多、AD转换精度较高，所以体积较庞大，不便于携带。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。


【发明内容】

[0004]本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种多参数生物电生理信号采集装置，本发明所设计的简易多参数生物电信号采集装置，电极使用的是自主设计的Spring干电极，信号采集系统由ARM处理器和ADS1298模数转换器组成，通道可以做到16个，数据传输采用三种通信方式，USB通信方式、串口通信方式和无线通信方式。整个装置体积较小，精度高，便于携带。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述采集装置包括前端Spring有源干电极、AD转换器、ARM处理器、通信模块、电池供电模块和上位机波形显示模块，所述Spring有源干电极连接AD转换器，AD转换器与ARM处理器进行数据传输、交换，ARM处理器通过通信模块将数据发送给上位机波形显示模块。
[0006]作为本发明的一种改进，所述通信模块设置为USB通信模块、串口通信模块、无线通信模块三种模块中的至少一个。
[0007]作为本发明的一种改进，Spring有源电极设置为带有弹簧的指状针作为信号引入装置。在接触头皮时，弹簧伸缩会使得头皮感觉到的压力减小，也能确保电极与头皮紧密接触。由于无需涂抹导电膏，导致头皮与电极之间的阻抗很大，所以要求后级前置放大器的输入阻抗必须足够大。有源电极是在普通电极的基础上附加上有源电路以增加电流，主要是通过高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲放大器实现的。本技术方案选择低功耗精密放大器TLV2262，为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器在低增益状态下应用，选择放大倍数在5到10倍，并在电极电路中加如了一级低通滤波器，一级MFB即无限增益多路反馈，高通滤波器。
[0008]作为本发明的一种改进，所述ARM处理器配置AD转换器的工作方式、接收AD转换器传输的数据，并把数据通过USB模块、串口模块或无线模块发送到上位机上显示，所述ARM处理器为STM32处理器，32位处理器，工作频率为72MHz。每片ADS1298有8通道的差分输入，用于输入前端电极采集的生物电信号。通过SPI总线读写寄存器的方式可以配置芯片具体的工作方式，如:使能或禁能采集通道、各个功能模块，如右腿驱动、威尔逊中心电端、内部参考源和晶振等，配置采集通道参数，如PGA倍数、采样频率等和配置芯片的工作模式。ARM处理器设置为STM32处理器，32位处理器，工作频率为72MHz，外设丰富，满足此系统所需要的GP1、SPI和USART功能模块。GP1和SPI外设模块联合控制ADS1298、NFR24L01和CH372 USB模块的工作方式和数据传输。
[0009]作为本发明的一种改进，所述AD转换器设置为ADS1298进行AD转换，其有24bit的高精度delta-sigma ( Λ - Σ)型ADC，其采样频率为250SPS?32kSPS，具有8通道，各通道含可编程放大器，其放大倍数在f 12倍可调，内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端；采用SPI总线与外界进行数据交换。BIAS_RLD_1接芯片的右腿驱动引脚，ADS1298内置了右腿驱动电路，为了减少差分输入的共模干扰。ReferenCe_0ut接入8个通道的反向端，为差分输入提供参考源。然后电极通过各通道的同向端输入生物电信号。选择AD转换的参考电压为2.4V，这样AD的转换精度可以达到0.14 μ V。
[0010]作为本发明的一种改进，所述USB通信模块设置为CH372芯片，辅助STM32处理器进行USB通信。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，内置了 USB通讯中的底层协议，所以本地端处理器只要负责数据交换，配置程序非常简洁。8位数据从D(T7 口并行输入进入CH372，外部时钟12M被芯片倍频到48M作为传输时钟。然后UD+和UD-引脚通过USB口向上位机收发数据。
[0011]作为本发明的一种改进，所述串口通信模块设置为CH340芯片，波特率设置为460800kb/s。本发明的串口通信模块选择STM32本身的外设USART功能，CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。数据传输波特率设置为460800kb/s，本系统通过TXD 口写数据，通过RXD 口读数据，然后UD+和UD-引脚通过USB 口向上位机收发数据。
[0012]作为本发明的一种改进，所述无线通信模块设置为单片无线收发器芯片NRF24L01，频段为2.4GHz^2.5GHz，通信接口为SPI同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s。无线设备通信方式采用下位机发送设备，接收器接收数据然后转串口然后发送给PC机处理。NRF24L01通过SPI协议与STM32进行通信与数据传输。本无线模块要配对使用，接收端也是NRF24L01模块，然后通过USB 口或串口与上位机进行通信。
[0013]作为本发明的一种改进，所述电源模块设置为充电锂电池供电模块，电池选择电压为3.7V，电池充电模块设置为LTC4065线性充电器芯片，电量检测模块设置为LTC2941芯片，实时监测电池电量。电源管理芯片选择LINEAR公司的LTC1763-3来产生3V的电压，工作电路如图10所示，选用LTC1763-2.5来输出2.5V的电压，工作电路如图11所示，选用LTC1614芯片输出-2.5V的电压，工作电路如图12所示。电源分配的这三个不同的电压值用来供给系统ARM处理器、ADS1298、USB模块、无线模块、串口模块和Spring有源干电极工作使用。
[0014]作为本发明的一种改进，所述采集装置的印刷电路板设置为四层布板结构，第一层(TopLayer)为信号布线层，第二层(Inner_lLayer)为模拟地和数字地层，第三层(Inner_2Layer)为电源层,第四层(BottomLayer)为信号布线层,第一层设置有STM32处理器、第一片ADS1298模块、串口通信模块和USB通信模块，第二层设置有模拟地和数字地覆铜块，第三层设置有电源层的分布块，第四层设置有第二片ADS1298模块和无线通信模块。当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于本发明的布线方案而言，底层的信号线较少，可以采用大面积的铜膜来与POWER层耦合。而对于布线接地原则，一般都是就近接地，但要区分模拟和数字地:模拟器件就接模拟地，数字器件就接数字地，大信号地和小信号地也分开来，并且模拟地与数字地之间用磁珠连接。
[0015]相对于现有技术，本发明的优点如下，I)整个装置设置巧妙，体积小、精度高、便于携带；2)自主设计的Spring有源干电极,Spring电极是选择带有弹簧的指状针作为信号引入装置，在接触头皮时，弹簧伸缩会使得头皮感觉到的压力减小，也能确保电极与头皮紧密接触。由于无需涂抹导电膏，导致头皮与电极之间的阻抗很大，所以要求后级前置放大器的输入阻抗必须足够大。有源电极是在普通电极的基础上附加上有源电路以增加电流，主要是通过高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲放大器实现的。前置放大器工作电路采用经过低通滤波器、缓冲器和MFB (无限增益多路反馈)高通滤波器，然后输出到ADS1298各个通道，这种电极电路有效的避免了高、低频干扰、减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移，使得输出信号在0.8HZ到150Hz频带之内的生物信号能完整无失真的测出；3) AD转换器设置为24bit的高精度delta-sigma (Δ-Σ)型低功耗模数转换器ADS1298，采样频率可工作在250SPS?32kSPS，具有8个采集通道，各通道含可编程放大器，其放大倍数在广12倍可调。内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端；采用SPI总线与外界进行数据交换。可以采集到几微伏的微弱信号，完全适合各种生物电信号的采集，STM32处理器时钟频率可以达到72M，具有丰富的外设功能，兼容与ADS1298的数据交换模式，也能满足数据的快速传输；4)通信模块中，三种通信方式可以根据自己的条件选择，当测量心电信号时，可以选择串口通信进行数据传输，测量脑电信号时，可以选择USB通信进行数据高速传输，当远距离测量或有线传输数据不方便时，可以选择无线模块进行数据传输；5)电池供电系统，选择锂电池供电，可以缩小系统的体积，使用方便，也方便携带，供电系统含有充电系统，选择可充电的锂电池，减少了干电池的浪费与污染。6)整个系统选择高度集成化的低功耗芯片，容易在市场上获得，系统的体积也能设计得更小，本发明的采集系统板尺寸为33mm*57mm，供电系统板尺寸为27mm*25mm，电池尺寸为60mm*35mm，并且功耗也比较低。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为本发明的系统工作流程图。
[0017]图2为本发明的Spring干电极实物图。
[0018]图3为本发明的电极工作电路图。
[0019]图4为本发明的STM32主系统工作电路图。
[0020]图5为本发明的ADS1298工作电路图。
[0021]图6为本发明的USB模块的工作电路图。
[0022]图7为本发明的串口通信模块的工作电路图。
[0023]图8为本发明的下位机无线发送模块工作电路图。
[0024]图9为本发明的电池充电模块。
[0025]图10为本发明的3V电压产生电路。
[0026]图11为本发明的2.5V电压产生电路。
[0027]图12为本发明的-2.5V电压产生电路。
[0028]图13为本发明的8通道的波形显示界面。
[0029]图14为本发明的16通道的波形显示界面。
[0030]图15为本发明印刷电路板分布示意图。

【具体实施方式】
[0031]为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
[0032]实施例1:参见图1，一种多参数生物电生理信号采集装置，所述采集装置包括前端Spring有源干电极、AD转换器、ARM处理器、通信模块、电池供电模块和上位机波形显示模块，所述Spring有源干电极连接AD转换器，AD转换器与ARM处理器进行数据传输、交换，ARM处理器通过通信模块将数据发送给上位机波形显示模块，所述通信模块设置为USB通信模块、串口通信模块、无线通信模块三种模块中的至少一种方式，一般三种方式同时设置，三种通信方式可以根据自己的条件选择，当测量心电信号时，可以选择串口通信进行数据传输，测量脑电信号时，可以选择USB通信进行数据高速传输，当远距离测量或有线传输数据不方便时，可以选择无线模块进行数据传输，精度高，并且非常方便。
[0033]实施例2:参见图2，图3，作为本发明的一种改进，Spring有源电极设置为带有弹簧的指状针作为信号引入装置。在接触头皮时，弹簧伸缩会使得头皮感觉到的压力减小，也能确保电极与头皮紧密接触，电极实物如图2所示，由于无需涂抹导电膏，导致头皮与电极之间的阻抗很大，所以要求后级前置放大器的输入阻抗必须足够大。有源电极是在普通电极的基础上附加上有源电路以增加电流，主要是通过高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲放大器实现的。本技术方案选择低功耗精密放大器TLV2262，工作电路如图3所示，为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器在低增益状态下应用，选择放大倍数在5到10倍，并在电极电路中加如了一级低通滤波器，一级MFB即无限增益多路反馈，高通滤波器。
[0034]实施例3:参见图1，图4，作为本发明的一种改进，所述ARM处理器配置AD转换器的工作方式、接收AD转换器传输的数据，并把数据通过USB模块、串口模块或无线模块发送到上位机上显示，所述ARM处理器为STM32处理器，32位处理器，工作频率为72MHz。每片ADS1298有8通道的差分输入，用于输入前端电极采集的生物电信号。通过SPI总线读写寄存器的方式可以配置芯片具体的工作方式，如:使能或禁能采集通道、各个功能模块，如右腿驱动、威尔逊中心电端、内部参考源和晶振等，配置采集通道参数，如PGA倍数、采样频率等和配置芯片的工作模式。ARM处理器设置为STM32处理器，32位处理器，工作频率为72MHz，外设丰富，满足此系统所需要的GP1、SPI和USART功能模块。GP1和SPI外设模块联合控制ADS1298、NFR24L01和CH372 USB模块的工作方式和数据传输，电路如图4所示。
[0035]实施例4:参见图5，作为本发明的一种改进，所述AD转换器设置为ADS1298进行AD转换，其有24bit的高精度delta-sigma ( Λ - Σ)型ADC，其采样频率为250SPS?32kSPS，具有8通道，各通道含可编程放大器，其放大倍数在f 12倍可调，内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端；采用SPI总线与外界进行数据交换，其工作电路如图5所示。BIAS_RLD_1接芯片的右腿驱动引脚，ADS1298内置了右腿驱动电路，为了减少差分输入的共模干扰，Referencejut接入8个通道的反向端，为差分输入提供参考源。然后电极通过各通道的同向端输入生物电信号。选择AD转换的参考电压为2.4V，这样AD的转换精度可以达到
0.14 μ V。
[0036]实施例5:参见图6，作为本发明的一种改进，所述USB通信模块设置为CH372芯片，辅助STM32处理器进行USB通信。CH372是一个USB总线的通用设备接口芯片，内置了USB通讯中的底层协议，所以本地端处理器只要负责数据交换，配置程序非常简洁。USB通信模块工作电路如图6所示，8位数据从D(T7 口并行输入进入CH372，外部时钟12M被芯片倍频到48M作为传输时钟。然后UD+和UD-引脚通过USB 口向上位机收发数据。
[0037]实施例6:参见图7，作为本发明的一种改进，所述串口通信模块设置为CH340芯片，波特率设置为460800kb/s。本发明的串口通信模块选择STM32本身的外设USART功能，CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。串口通信模块的工作电路图如图7所示，数据传输波特率设置为460800kb/s，本系统通过TXD 口写数据，通过RXD 口读数据，然后UD+和UD-引脚通过USB 口向上位机收发数据。
[0038]实施例7:参见图8，作为本发明的一种改进，所述无线通信模块设置为单片无线收发器芯片NRF24L01，频段为2.4GHz^2.5GHz，通信接口为SPI同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s。无线设备通信方式采用下位机发送设备，接收器接收数据然后转串口然后发送给PC机处理，下位机无线发送模块工作电路如图8所示，NRF24L01通过SPI协议与STM32进行通信与数据传输。本无线模块要配对使用，接收端也是NRF24L01模块，然后通过USB 口或串口与上位机进行通信。
[0039]实施例8:参见图9-图12，作为本发明的一种改进，所述电源模块设置为充电锂电池供电模块，电池选择电压为3.7V，电池充电模块设置为LTC4065线性充电器芯片，电量检测模块设置为LTC2941芯片，实时监测电池电量，工作电路如图9所示。电源管理芯片选择LINEAR公司的LTC1763-3来产生3V的电压，工作电路如图10所示，选用LTC1763-2.5来输出2.5V的电压，工作电路如图11所示，选用LTC1614芯片输出_2.5V的电压，工作电路如图12所示。电源分配的这三个不同的电压值用来供给系统ARM处理器、ADS1298、USB模块、无线模块、串口模块和Spring有源干电极工作使用。
[0040]实施例9:参见图13-图14，生物电信号波形显示模块，显示模块选用美国国家仪器(NI)公司研制开发一款LABVIEW软件，LABVIEff软件使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，其编写的波形显示界面如图13为8通道和图14为16通道所示。
[0041]实施例10:参见图15，作为本发明的一种改进，所述采集装置的印刷电路板设置为四层布板结构，第一层(TopLayer)为信号布线层,第二层(Inner_lLayer)为模拟地和数字地层，第三层(Inner_2Layer)为电源层,第四层(BottomLayer)为信号布线层,第一层设置有STM32处理器、第一片ADS1298模块、串口通信模块和USB通信模块，第二层设置有模拟地和数字地覆铜块，第三层设置有电源层的分布块，第四层设置有第二片ADS1298模块和无线通信模块。当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于本发明的布线方案而言，底层的信号线较少，可以采用大面积的铜膜来与电源层耦合。而对于布线接地原则，一般都是就近接地，但要区分模拟和数字地:模拟器件就接模拟地，数字器件就接数字地，大信号地和小信号地也分开来，并且模拟地与数字地之间用磁珠连接。该电路板整体结构设计巧妙，分布更加紧凑、合理，大大减小了采集装置的体积。
[0042]本发明还可以将实施例2、3、4、5、6、7、8、9、10所述技术特征中的至少一个与实施例I组合形成新的实施方式。
[0043]需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
【权利要求】
1.一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述采集装置包括前端Spring有源干电极、AD转换器、ARM处理器、通信模块、电池供电模块和上位机波形显示模块，所述Spring有源干电极连接AD转换器，AD转换器与ARM处理器进行数据传输、交换，ARM处理器通过通信模块将数据发送给上位机波形显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述通信模块设置为USB通信模块、串口通信模块、无线通信模块三种模块中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，Spring有源电极设置为带有弹簧的指状针作为信号引入装置。
4.根据权利要求3所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述ARM处理器配置AD转换器的工作方式、接收AD转换器传输的数据，并把数据通过USB模块、串口模块或无线模块发送到上位机上显示，所述ARM处理器为STM32处理器，数量为两个，32位处理器，工作频率为72MHz。
5.根据权利要求4所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述AD转换器设置为ADS1298进行AD转换，其有24bit的高精度delta-sigma (Δ-Σ)型ADC，其采样频率为250SPS?32kSPS，具有8通道，各通道含可编程放大器，其放大倍数在f 12倍可调，内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端；采用SPI总线与外界进行数据交换。
6.根据权利要求4或5所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述USB通信模块设置为CH372芯片，辅助STM32处理器进行USB通信。
7.根据权利要求4或5所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述串口通信模块设置为CH340芯片，波特率设置为460800kb/s。
8.根据权利要求4或5所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述无线通信模块设置为单片无线收发器芯片NRF24L01，频段为2.4GHz^2.5GHz，通信接口为SPI同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s。
9.根据权利要求4所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述电源模块设置为充电锂电池供电模块，电池选择电压为3.7V，电池充电模块设置为LTC4065线性充电器芯片，电量检测模块设置为LTC2941芯片，实时监测电池电量。
10.根据权利要求5所述的一种多参数生物电生理信号采集装置，其特征在于，所述采集装置的印刷电路板设置为四层布板结构，第一层(TopLayer)为信号布线层，第二层(Inner_lLayer)为模拟地和数字地层，第三层(Inner_2Layer)为电源层，第四层(BottomLayer)为信号布线层，第一层设置有STM32处理器、第一片ADS1298模块、串口通信模块和USB通信模块，第二层设置有模拟地和数字地覆铜块，第三层设置有电源层的分布块，第四层设置有第二片ADS1298模块和无线通信模块。
【文档编号】A61B5/04GK203953642SQ201420252430
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月18日 优先权日:2014年5月18日
【发明者】吴正平, 马梅方, 贡旭彬, 李卫东 申请人:吴正平, 南京格瑞斯电子科技有限公司