李畢鵬,，謝宏,，夏斌，姚楠,，楊文璐

　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W 信息工程學院，上海 201306）

       摘要：設計了一套新型便攜式腦功能近紅外信號采集傳輸系統(tǒng),。根據功能近紅外光譜技術（functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）檢測腦血氧濃度原理,，使用雙波長的LED和光電傳感器作為探頭，可以對腦功能近紅外信號進行實時采集傳輸,，并對數據進行顯示保存,。該系統(tǒng)下位機采用STM32F407單片機和TI公司的ADS1299模擬前端集成構成，體積小,，功耗低,，精度高，通過USB HID協議與上位機進行數據傳輸,，方便快速,，避免了驅動程序的開發(fā)。上位機程序利用VS2010進行開發(fā),，調用與USB HID設備相關的Windows API函數,，實現上位機與下位機之間的通信。

　　關鍵詞：腦功能近紅外信號,；功能近紅外光譜技術,；STM32F407；ADS1299,；USB HID協議

0引言

　　功能近紅外光譜技術（functional Nearinfrared Spectroscopy,fNIRS）作為一種非侵入式腦功能成像技術,，不僅具有安全、體積小,、易于與其他設備集成等特點,，還具有較高的時間、空間分辨率等優(yōu)點,，可以對腦血氧進行無損,、實時、連續(xù)的檢測,，在醫(yī)療、康復,、運動生理等領域的應用研究越來越受到重視［12］,。

　　信號采集傳輸模塊是便攜式fNIRS系統(tǒng)的重要組成部分,，藍牙、ZigBee,、WiFi,、RF等無線數字傳輸技術被廣泛采用。如美國fNIR Devices公司的fNIR 1100W系統(tǒng)采用的是ZigBee技術日本日立公司2009年發(fā)布的11通道WOT系統(tǒng)采用的是802.11b無線局域網,，日本DynaSense與荷蘭Artinis公司分別基于藍牙技術開發(fā)了雙通道與單通道設備［2］,。參考文獻［3］與［4］分別基于無線射頻(RF)技術(工作最高速率僅20 kb/s)與GPRS技術針對肌氧檢測的便攜式設備進行了研制。參考文獻［5］的設計中采用低功耗的集成有802.11協議(WiFi)的無線傳輸芯片GS1011對信號進行無線傳輸,。然而,，對于多通道系統(tǒng)應用以上無線傳輸技術的速率都有一定的瓶頸，例如采用802.11協議的WiFi速率為2 Mb/s,，而其他的都不超過1 Mb/s,，相比而言有線傳輸技術如USB2.0就更有優(yōu)勢［6］。

　　作為對參考文獻［5］中研究系統(tǒng)的補充,，本文采用USB2.0作為有線數據傳輸方式,。由于其最高傳輸速率可達480 Mb/s，可滿足多通道系統(tǒng)的需要,，結合高精度的模數轉換芯片ADS1299可提高便攜式fNIRS系統(tǒng)的數據傳輸系統(tǒng)的性能,。

1系統(tǒng)總框架

　　本文設計的系統(tǒng)中選用760 nm、850 nm波長的近紅外LED作為發(fā)射光源,，為提高抗干擾性分別采用頻率為0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波作為調制信號,，實現雙波長的頻分復用。由于腦功能近紅外光探頭獲取的信號比較微弱,，進行模數轉換前一般需要放大濾波等環(huán)節(jié),，本文設計中模數轉換采用TI公司的低功耗ADS1299芯片，一方面其最大采樣率可達到16 kS/s,，滿足對0.8 kHz和1.2 kHz調制信號采樣率的要求,；另一方面該芯片各通道內置有可編程增益放大器（PGA），最高放大倍數可達到24倍,，結合24 bit的模數轉換精度,，其電壓分辨率達到0.119 μV，這樣可以省去對信號的放大濾波環(huán)節(jié),，簡化系統(tǒng)結構,，降低復雜性?？刂颇K采用STM32F407,，可以通過SPI總線對ADS1299進行控制，同時將采集到的數字信號通過USB接口高速傳輸至上位機,。上位機接收并存儲采集的數據,，以便進一步處理分析,。完整的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件設計

　　2.1模擬前端ADS1299

　　本系統(tǒng)的模擬前端采用的是芯片ADS1299,，其原本是為腦電信號采集應用而設計的,，具有低噪聲、低功耗,、多通道,、高精度等優(yōu)點，主要特性參見參考文獻［7］,。其內部結構框圖如圖2所示,。

　　ADS1299與外界通信是通過SPI接口來完成的，這就需要配置主機符合從機的時序協議,，圖3是ADS1299的SPI接口工作時序圖,。

　　圖3中，CS是SPI接口的片選信號,，SCLK是主機提供通信時鐘的信號線,，DIN是數據輸入端口，DOUT是數據輸出端口,。ADS1299芯片的數據輸入輸出是邊沿工作方式,，存在信號建立時間（setup time）和信號保持時間（hold time）。從其工作時序圖可知,，ADS1299芯片在上升沿時輸出數據,，下降沿時鎖存數據， SPI接口工作模式選用模式1（CPOL=0,，CPHA=1）,。確定ADS1299從機的SPI接口的工作模式后，相應配置好主機的工作模式,，相互之間就可以通過SPI通信,。

　　2.2MCU控制實現

　　選用ST的STM32F407芯片作為整個系統(tǒng)的MCU，該芯片是以CortexM4為內核的32位微處理器,，支持USB OTG HS/FS,，高性能、具有豐富的外設,。對于模擬前端ADS1299,，MCU作為主機。當系統(tǒng)上電后,， 芯片ADS1299通過SPI接口與主機模塊進行通信,，實現數據發(fā)送接收。該接口包含4個信號線：CS、SCLK,、DIN,、DOUT。在與主機通過SPI通信時,，CS信號必須為低電平。由于從機ADS1299 SPI接口工作模式選用模式1,，與之對應設置好MCU工作模式,，主要線路連接如圖4所示。

　　主要線路連接圖根據信號采集的具體要求,，通過MCU配置ADS1299的多路選擇器各個輸入端,、放大器（PGA1PGA8）的放大倍數和A/D轉換器（ADC1ADC8）的采樣頻率。當一次采集完成時,，DRDY引腳變?yōu)榈碗娖?，數據準備完畢，MCU可以通過SPI接口來讀取數據,。

　　而對于PC上位機,，MCU作為從機，采用USB與上位機進行通信,，接收到數據后,，將其轉化成USB數據包傳送給上位機。

3軟件程序設計

　　3.1下位機程序設計

　　本采集系統(tǒng)每通道的最大采樣率為16 kS/s,，采樣精度24 bit,，若通道數為8，則數據傳輸速度為3 072 kb/s,，采用普通的串口并不能實時有效地傳輸近紅外腦信號數據,，因此系統(tǒng)選用USB來實現下位機與PC的通信。

　　人機接口設備（Human Interface Device,，HID）是USB設備中常用的設備類型,，將程序設計為HID類型，可以省去比較復雜的USB驅動程序的編寫,，直接利用Windows內置的HID驅動程序與設備進行通信,。HID設備交換的數據儲存在報表（Report）的結構體中，主機通過發(fā)送和請求報表來傳送和接收數據［8］,。HID設備全速端點速度可達64 KB/s,，高速端點速度可達24.576 MB/s，滿足系統(tǒng)傳輸速率要求,。

　　下位機程序是基于ST公司提供的USB驅動庫中的HID例程經修改移植到STM32F407開發(fā)板上的,。將單片機描述成PC主機能識別的設備，待設備通過USB連接到PC主機后，主機會發(fā)送Get_Descriptor請求讀取HID設備的描述符,。枚舉完成后,，初始化ADS1299，將采集到的數據首先放在USB緩沖區(qū),，通過使能USB端點將數據發(fā)送到上位機,，基本流程如圖5所示。

　　3.2上位機程序設計

　　上位機程序設計使用VS2010開發(fā),，通過調用Windows API函數,，實現與HID設備的通信。Windows系統(tǒng)提供有幾千個API函數,，作為應用程序和操作系統(tǒng)的接口,，與HID相關的API函數被封裝在hid.dll、setuppapi.dll文件中［8］,。上位機程序的開發(fā)實現數據采集傳輸,，包含數據發(fā)送、顯示等功能,，其基本流程如圖6所示,。

　　程序流程中，打開USB,，查找特定的HID設備具體過程如下：（1）調用HidD_GetHidGuid函數,，獲得USB設備的GUID；（2）調用SetupDiGet ClassDevs函數,獲得全部的HID信息,；（3）調用SetupDiEnum DeviceInterfaces函數,，識別特定的HID設備接口；（4）調用SetupDiEnumDeviceInterfaceDetail函數,，獲取一個指向該設備的路徑名,；（5）調用CreateFile，獲取設備句柄,；（6）調用HidD_GetAttributes函數,，獲取特定HID的廠商ID、產品ID,。

4數據抓取測試

　　系統(tǒng)搭建完成后,，可以利用BusHound對數據進行抓取，它是一款專用于各種總線數據包監(jiān)視和控制的軟件,，可以采集到數據發(fā)送過程,。經測試上位機向下位機發(fā)送采集指令，下位機可以通過USB端點將采集到的數據發(fā)送到PC端,。BusHound數據采集顯示界面如圖7所示,。

　　以上數據抓取測試,，說明數據可以傳輸成功。待數據傳輸完成后,，點擊BusHound界面上Save保存為TXT格式至硬盤,，供后續(xù)分析。

　5結論

　　腦功能近紅外信號極其微弱,，是不容易被檢測到的［9］,。本文基于ADS1299的模擬前端24位ADC技術，能夠對模擬信號進行準確高分辨采樣,?？刂破鱏TM32F407能夠通過SPI實現對ADS1299的控制，并將前端采集到的腦功能近紅外信號通過USB2.0快速傳送到上位機PC端,，實現數據實時傳輸、顯示,，提高了系統(tǒng)數據傳輸速度,，增強了系統(tǒng)的安全性、便攜性,，在便攜式醫(yī)療設備中會得到廣泛應用,。

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