新型便携式脑功能近红外信号采集传输系统

李必鹏、谢红、夏斌、姚楠、杨文禄

（上海海事大学信息工程学院，上海）

：设计了一种新型便携式脑功能近红外信号采集传输系统。 基于功能近红外光谱（Near-，fNIRS）检测脑血氧浓度的原理，采用双波长LED和光电传感器作为探头，实时采集和传输脑功能近红外信号，并显示并保存数据。 系统的下位机由单片机和TI公司的模拟前端集成组成。 它体积小、功耗低、精度高。 通过USB HID协议与上位机传输数据，方便快捷，无需开发驱动程序。 开发上位机程序，调用USB HID设备相关的API函数，实现上位机与下位机的通信。

：大脑功能近红外信号； 功能性近红外光谱技术；； USB HID 协议

功能近红外光谱（Near，fNIRS）作为一种非侵入性脑功能成像技术，不仅具有安全、体积小、易于与其他设备集成等特点，而且还具有高时空信息的优点。解决。 它可以无损、实时、连续地检测脑血氧，其在医疗、康复、运动生理等领域的应用研究越来越受到关注[12]。

信号采集与传输模块是便携式fNIRS系统的重要组成部分，广泛应用蓝牙、WiFi、RF等无线数字传输技术。 例如美国fNIR公司的fNIR 1100W系统就采用了技术。 日本日立公司2009年发布的11通道WOT系统采用802.11b无线局域网。 日本和荷兰公司分别开发了基于蓝牙技术的双通道和单通道设备[2]。 参考文献[3]和[4]分别开发了基于无线射频（RF）技术（最高运行速率仅20 kb/s）和GPRS技术的便携式肌肉氧检测装置。 参考文献[5]的设计中，采用集成802.11协议（WiFi）的低功耗无线传输芯片来无线传输信号。 然而，上述无线传输技术在多通道系统中的应用速率存在一定的瓶颈。 例如，使用802.11协议的WiFi速率为2Mb/s，而其他协议均不超过1Mb/s。 相比之下，有线传输技术例如USB2.0更具优势[6]。

作为对文献[5]研究体系的补充，本文采用USB2.0作为有线数据传输方式。 由于其最大传输速率可达480 Mb/s，可以满足多通道系统的需求，并且与高精度模数转换芯片结合可以提高便携式fNIRS系统的数据传输系统的性能。

1系统总体框架

在本文设计的系统中，选择波长为760 nm和850 nm的近红外LED作为发射光源。 为了提高抗干扰性能，分别采用频率为0.8 kHz和1.2 kHz的正弦波作为调制信号，实现双波长频分复用。 由于脑功能近红外光探头采集到的信号比较微弱，一般需要在模数转换之前进行放大和滤波。 在本文的设计中，模数转换采用了TI的低功耗芯片。 一方面，其最大采样率可以达到16 kS。 /s，满足0.8kHz和1.2kHz调制信号采样率要求； 另一方面，芯片的每个通道都内置可编程增益放大器（PGA），放大倍数最大可达24倍，结合24位模数转换精度，其电压分辨率达到0.119μV，可以省去信号放大和滤波，简化系统结构，降低复杂度。 采用控制模块，可通过SPI总线进行控制。 同时，采集到的数字信号通过USB接口高速传输至上位机。 上位机接收并存储收集到的数据以供进一步处理和分析。 完整的系统框图如图 1 所示。

2硬件设计

2.1 模拟前端

该系统的模拟前端使用了一块芯片，该芯片最初是为脑电信号采集应用而设计的。 它具有低噪声、低功耗、多通道、高精度等优点，主要特点参见参考文献[7]。 其内部结构框图如图2所示。

与外界的通信是通过SPI接口完成的，这需要配置主机遵守从机的时序协议。 图3是SPI接口的工作时序图。

图3中，CS为SPI接口的片选信号，SCLK为主机提供通信时钟的信号线，DIN为数据输入端口，DOUT为数据输出端口。 芯片的数据输入和输出工作在边沿模式，有信号建立时间（setup time）和信号保持时间（hold time）。 从其工作时序图可以看出，芯片在上升沿输出数据，在下降沿锁存数据。 SPI接口工作模式选择模式1（CPOL=0红外通信速率，CPHA=1）。 确定从机SPI接口的工作模式后，相应配置主机的工作模式，然后双方就可以通过SPI进行通信了。

2.2MCU控制实现

整个系统的MCU选用ST公司的芯片。 该芯片是以M4为核心的32位微处理器，支持USB OTG HS/FS，具有高性能和丰富的外设。 对于模拟前端，MCU 充当主机。 当系统上电时，芯片通过SPI接口与主机模块通信，发送和接收数据。 该接口包含 4 条信号线：CS、SCLK、DIN 和 DOUT。 通过 SPI 与主机通信时，CS 信号必须为低电平。 由于从机SPI接口工作模式为模式1，因此相应设置MCU工作模式红外通信速率，主线连接如图4所示。

主电路连接图根据信号采集的具体要求，通过MCU配置的多路复用器的各个输入端，确定放大器的放大倍数（PGA1PGA8）和A/D转换器的采样频率（ ADC1～ADC8）。 当采集完成后，DRDY引脚变为低电平，数据就绪，MCU可以通过SPI接口读取数据。

对于PC主机来说，MCU作为从机，使用USB与主机进行通信。 接收到数据后，将其转换为USB数据包并发送给上位机。

3软件编程

3.1 下位机程序设计

该采集系统各通道最大采样率为16 kS/s，采样精度为24 bit。 如果通道数为8，则数据传输速度为3072 kb/s。 使用普通串口无法有效实时传输近红外脑。 信号数据，因此系统采用USB实现下位机与PC机的通信。

人机接口设备（Human，HID）是USB设备中常用的设备类型。 将程序设计为HID类型可以省去编写较为复杂的USB驱动程序，直接使用内置的HID驱动程序与设备进行通信。 HID设备交换的数据存储在()结构中，主机通过发送和请求报告来传输和接收数据[8]。 HID设备全速端点速度可达64KB/s，高速端点速度可达24.576MB/s，满足系统传输速率要求。

基于ST公司提供的USB驱动库中的HID例程修改下位机程序并移植到开发板上。 将微控制器描述为可以被PC主机识别的设备。 设备通过USB连接到PC主机后，主机会发送读取HID设备描述符的请求。 枚举完成后进行初始化，首先将采集到的数据放入USB缓冲区中，通过使能USB端点将数据发送至上位机。 基本流程如图5所示。

3.2 上位机程序设计

设计、使用和开发上位机程序，通过调用API函数实现与HID设备的通信。 系统提供了数千个API函数，作为应用程序与操作系统之间的接口。 与HID相关的API函数封装在hid.dll和.dll文件中[8]。 上位机程序的开发实现数据采集和传输，包括数据发送、显示等功能。 基本流程如图6所示。

在程序流程中，打开USB并找到特定的HID设备。 具体流程如下： (1) 调用该函数获取USB设备的GUID； (2)调用该函数获取所有HID信息； (3) 调用该函数识别具体的HID。 设备接口； (4) 调用该函数获取指向设备的路径名； (5) 调用该函数获取设备句柄； (6) 调用该函数获取特定HID的制造商ID和产品ID。

4 数据采集测试

系统构建完成后，您可以使用它来捕获数据。 它是一款专用于监视和控制各种总线数据包的软件，并且可以采集数据发送过程。 测试后，上位机向下位机发送采集指令，下位机可以将采集到的数据通过USB端点发送给PC机。 数据采集​​显示界面如图7所示。

以上数据采集测试表明数据可以成功传输。 数据传输完成后，点击界面上的“保存”，即可将其以TXT格式保存至硬盘，以供后续分析。

5 结论

大脑功能的近红外信号极其微弱，不易被检测到[9]。 基于本文的模拟前端24位ADC技术可以对模拟信号进行高分辨率的精确采样。 控制器可通过SPI实现对系统的控制，并将前端采集的脑功能近红外信号通过USB2.0快速传输至上位机PC，实现数据实时传输和显示，提高系统数据传输速度和增强系统以其安全性和便携性，将广泛应用于便携式医疗设备。

参考

[1]钱志宇，李涛涛。 功能性近红外光谱(fNIRs)临床应用综述[J]. 生命科学仪器，2013，11(3)：4552。

［2］ M，V. 人类近红外光谱（fNIRS）和近红外光谱简介［J］． , 2012, 63(2): 921935.

[3] 刘芳，罗清明，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研制［D］. 武汉：华中科技大学，2008。

[5] 谢红，王光明，姚楠，等。 可穿戴功能性近红外光谱成像系统前端设计[J]. 微型计算机及其应用，2015，34(10)：2933。

［6］ PIPER SK，A，KOCH SP，等。 脑部多fNIRS研究［J］． , 2014, 85(6): 6471.

[7] 德克萨斯州。 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]。

[8] 周红利. 先进计算机接口技术[M]． 北京：清华大学出版社，2008。

[9]徐刚，李晓莉，刘晓敏。 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.