李毕鹏，谢宏，夏斌，姚楠，杨文璐

　　（上海海事大学 信息工程学院，上海 201306）

摘要：设计了一套新型便携式脑功能近红外信号采集传输系统。根据功能近红外光谱技术（functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）检测脑血氧浓度原理，使用双波长的LED和光电传感器作为探头，可以对脑功能近红外信号进行实时采集传输，并对数据进行显示保存。该系统下位机采用STM32F407单片机和TI公司的ADS1299模拟前端集成构成，体积小，功耗低，精度高，通过USB HID协议与上位机进行数据传输，方便快速，避免了驱动程序的开发。上位机程序利用VS2010进行开发，调用与USB HID设备相关的Windows API函数，实现上位机与下位机之间的通信。

关键词：脑功能近红外信号；功能近红外光谱技术；STM32F407；ADS1299；USB HID协议

0引言

　　功能近红外光谱技术（functional Nearinfrared Spectroscopy,fNIRS）作为一种非侵入式脑功能成像技术，不仅具有安全、体积小、易于与其他设备集成等特点，还具有较高的时间、空间分辨率等优点，可以对脑血氧进行无损、实时、连续的检测，在医疗、康复、运动生理等领域的应用研究越来越受到重视［12］。

　　信号采集传输模块是便携式fNIRS系统的重要组成部分，蓝牙、ZigBee、WiFi、RF等无线数字传输技术被广泛采用。如美国fNIR Devices公司的fNIR 1100W系统采用的是ZigBee技术日本日立公司2009年发布的11通道WOT系统采用的是802.11b无线局域网，日本DynaSense与荷兰Artinis公司分别基于蓝牙技术开发了双通道与单通道设备［2］。参考文献［3］与［4］分别基于无线射频(RF)技术(工作最高速率仅20 kb/s)与GPRS技术针对肌氧检测的便携式设备进行了研制。参考文献［5］的设计中采用低功耗的集成有802.11协议(WiFi)的无线传输芯片GS1011对信号进行无线传输。然而，对于多通道系统应用以上无线传输技术的速率都有一定的瓶颈，例如采用802.11协议的WiFi速率为2 Mb/s，而其他的都不超过1 Mb/s，相比而言有线传输技术如USB2.0就更有优势［6］。

　　作为对参考文献［5］中研究系统的补充，本文采用USB2.0作为有线数据传输方式。由于其最高传输速率可达480 Mb/s，可满足多通道系统的需要，结合高精度的模数转换芯片ADS1299可提高便携式fNIRS系统的数据传输系统的性能。

1系统总框架

　　本文设计的系统中选用760 nm、850 nm波长的近红外LED作为发射光源，为提高抗干扰性分别采用频率为0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波作为调制信号，实现双波长的频分复用。由于脑功能近红外光探头获取的信号比较微弱，进行模数转换前一般需要放大滤波等环节，本文设计中模数转换采用TI公司的低功耗ADS1299芯片，一方面其最大采样率可达到16 kS/s，满足对0.8 kHz和1.2 kHz调制信号采样率的要求；另一方面该芯片各通道内置有可编程增益放大器（PGA），最高放大倍数可达到24倍，结合24 bit的模数转换精度，其电压分辨率达到0.119 μV，这样可以省去对信号的放大滤波环节，简化系统结构，降低复杂性。控制模块采用STM32F407，可以通过SPI总线对ADS1299进行控制，同时将采集到的数字信号通过USB接口高速传输至上位机。上位机接收并存储采集的数据，以便进一步处理分析。完整的系统框图如图1所示。

2硬件设计

　　2.1模拟前端ADS1299

　　本系统的模拟前端采用的是芯片ADS1299，其原本是为脑电信号采集应用而设计的，具有低噪声、低功耗、多通道、高精度等优点，主要特性参见参考文献［7］。其内部结构框图如图2所示。

　　ADS1299与外界通信是通过SPI接口来完成的，这就需要配置主机符合从机的时序协议，图3是ADS1299的SPI接口工作时序图。

　　图3中，CS是SPI接口的片选信号，SCLK是主机提供通信时钟的信号线，DIN是数据输入端口，DOUT是数据输出端口。ADS1299芯片的数据输入输出是边沿工作方式，存在信号建立时间（setup time）和信号保持时间（hold time）。从其工作时序图可知，ADS1299芯片在上升沿时输出数据，下降沿时锁存数据， SPI接口工作模式选用模式1（CPOL=0，CPHA=1）。确定ADS1299从机的SPI接口的工作模式后，相应配置好主机的工作模式，相互之间就可以通过SPI通信。

2.2MCU控制实现

　　选用ST的STM32F407芯片作为整个系统的MCU，该芯片是以CortexM4为内核的32位微处理器，支持USB OTG HS/FS，高性能、具有丰富的外设。对于模拟前端ADS1299，MCU作为主机。当系统上电后， 芯片ADS1299通过SPI接口与主机模块进行通信，实现数据发送接收。该接口包含4个信号线：CS、SCLK、DIN、DOUT。在与主机通过SPI通信时，CS信号必须为低电平。由于从机ADS1299 SPI接口工作模式选用模式1，与之对应设置好MCU工作模式，主要线路连接如图4所示。

　　主要线路连接图根据信号采集的具体要求，通过MCU配置ADS1299的多路选择器各个输入端、放大器（PGA1PGA8）的放大倍数和A/D转换器（ADC1ADC8）的采样频率。当一次采集完成时，DRDY引脚变为低电平，数据准备完毕，MCU可以通过SPI接口来读取数据。

　　而对于PC上位机，MCU作为从机，采用USB与上位机进行通信，接收到数据后，将其转化成USB数据包传送给上位机。

3软件程序设计

　　3.1下位机程序设计

　　本采集系统每通道的最大采样率为16 kS/s，采样精度24 bit，若通道数为8，则数据传输速度为3 072 kb/s，采用普通的串口并不能实时有效地传输近红外脑信号数据，因此系统选用USB来实现下位机与PC的通信。

　　人机接口设备（Human Interface Device，HID）是USB设备中常用的设备类型，将程序设计为HID类型，可以省去比较复杂的USB驱动程序的编写，直接利用Windows内置的HID驱动程序与设备进行通信。HID设备交换的数据储存在报表（Report）的结构体中，主机通过发送和请求报表来传送和接收数据［8］。HID设备全速端点速度可达64 KB/s，高速端点速度可达24.576 MB/s，满足系统传输速率要求。

　　下位机程序是基于ST公司提供的USB驱动库中的HID例程经修改移植到STM32F407开发板上的。将单片机描述成PC主机能识别的设备，待设备通过USB连接到PC主机后，主机会发送Get_Descriptor请求读取HID设备的描述符。枚举完成后，初始化ADS1299，将采集到的数据首先放在USB缓冲区，通过使能USB端点将数据发送到上位机，基本流程如图5所示。

　　3.2上位机程序设计

　　上位机程序设计使用VS2010开发，通过调用Windows API函数，实现与HID设备的通信。Windows系统提供有几千个API函数，作为应用程序和操作系统的接口，与HID相关的API函数被封装在hid.dll、setuppapi.dll文件中［8］。上位机程序的开发实现数据采集传输，包含数据发送、显示等功能，其基本流程如图6所示。

　　程序流程中，打开USB，查找特定的HID设备具体过程如下：（1）调用HidD_GetHidGuid函数，获得USB设备的GUID；（2）调用SetupDiGet ClassDevs函数,获得全部的HID信息；（3）调用SetupDiEnum DeviceInterfaces函数，识别特定的HID设备接口；（4）调用SetupDiEnumDeviceInterfaceDetail函数，获取一个指向该设备的路径名；（5）调用CreateFile，获取设备句柄；（6）调用HidD_GetAttributes函数，获取特定HID的厂商ID、产品ID。

4数据抓取测试

　　系统搭建完成后，可以利用BusHound对数据进行抓取，它是一款专用于各种总线数据包监视和控制的软件，可以采集到数据发送过程。经测试上位机向下位机发送采集指令，下位机可以通过USB端点将采集到的数据发送到PC端。BusHound数据采集显示界面如图7所示。

　　以上数据抓取测试，说明数据可以传输成功。待数据传输完成后，点击BusHound界面上Save保存为TXT格式至硬盘，供后续分析。

5结论

　　脑功能近红外信号极其微弱，是不容易被检测到的［9］。本文基于ADS1299的模拟前端24位ADC技术，能够对模拟信号进行准确高分辨采样。控制器STM32F407能够通过SPI实现对ADS1299的控制，并将前端采集到的脑功能近红外信号通过USB2.0快速传送到上位机PC端，实现数据实时传输、显示，提高了系统数据传输速度，增强了系统的安全性、便携性，在便携式医疗设备中会得到广泛应用。

　参考文献

　　［1］ 钱志余, 李韪韬. 功能近红外光谱技术(fNIRs)临床应用综述［J］. 生命科学仪器, 2013, 11(3):4552.

　　［2］ FERRARI M, QUARESIMA V. A brief review on the history of human functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application［J］. Neuroimage, 2012, 63(2): 921935.

　　［3］ 刘方, 骆清铭, 李鹏程，等. 基于RF无线数据传输技术的近红外血氧监测仪的研制［J］. 中国医疗器械杂志, 2003(3):162166.

　　［4］ 周娟. 基于RF的近红外无线肌氧检测系统的研制［D］. 武汉：华中科技大学, 2008.

　　［5］ 谢宏，王光明，姚楠，等. 可穿戴式的功能近红外光谱成像系统的前端设计［J］. 微型机与应用, 2015, 34(10):2933.

　　［6］ PIPER S K, KRUEGER A, KOCH S P, et al. A wearable multichannel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects［J］. NeuroImage, 2014, 85(6): 6471.

　　［7］ TEXAS INSTRUMENTS. ADS1299用于生物电势测量的低噪声、8通道、24位模拟前端［EB/OL］.（201207xx）［20160228］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1299.pdf.

　　［8］ 周洪利. 计算机高级接口技术［M］. 北京：清华大学出版社, 2008.

　　［9］ 徐刚, 李小俚, 刘晓民. 简易脑功能近红外光谱系统设计［J］. 光谱学与光谱分析,2015，35(2):552556.