李畢鵬，謝宏，夏斌，姚楠，楊文璐
（上海海事大學 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。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。上位機程序利用VS2010進行開發，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 Nearinfrared 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、空間分辨率等優點，可以對腦血氧進行無損、實時、連續的檢測，在醫療、康復、運動生理等領域的應用研究越來越受到重視［12］。
信號采集傳輸模塊是便攜式fNIRS系統的重要組成部分，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系統采用的是ZigBee技術日本日立公司2009年發布的11通道WOT系統采用的是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就更有優勢［6］。
作為對參考文獻［5］中研究系統的補充，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系統的數據傳輸系統的性能。
1系統總框架
本文設計的系統中選用760 nm、850 nm波長的近紅外LED作為發射光源，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節，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節，簡化系統結構，降低復雜性。控制模塊采用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。完整的系統框圖如圖1所示。
2硬件設計
2.1模擬前端ADS1299
本系統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芯片作為整個系統的MCU，該芯片是以CortexM4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（PGA1PGA8）的放大倍數和A/D轉換器（ADC1ADC8）的采樣頻率。當一次采集完成時，DRDY引腳變為低電平，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，通過使能USB端點將數據發送到上位機，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，通過調用Windows API函數，實現與HID設備的通信。Windows系統提供有幾千個API函數，作為應用程序和操作系統的接口，與HID相關的API函數被封裝在hid.dll、setuppapi.dll文件中［8］。上位機程序的開發實現數據采集傳輸，包含數據發送、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視和控制的軟件，可以采集到數據發送過程。經測試上位機向下位機發送采集指令，下位機可以通過USB端點將采集到的數據發送到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。控制器STM32F407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，提高了系統數據傳輸速度，增強了系統的安全性、便攜性，在便攜式醫療設備中會得到廣泛應用。
參考文獻
［1］ 錢志余, 李韙韜. 功能近紅外光譜技術(fNIRs)臨床應用綜述［J］. 生命科學儀器, 2013, 11(3):4552.
［2］ FERRARI M, QUARESIMA V. A brief review on the history of human functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application［J］. Neuroimage, 2012, 63(2): 921935.
［3］ 劉方, 駱清銘, 李鵬程，等. 基于RF無線數據傳輸技術的近紅外血氧監測儀的研制［J］. 中國醫療器械雜志, 2003(3):162166.
［4］ 周娟. 基于RF的近紅外無線肌氧檢測系統的研制［D］. 武漢：華中科技大學, 2008.
［5］ 謝宏，王光明，姚楠，等. 可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統的前端設計［J］. 微型機與應用, 2015, 34(10):2933.
［6］ PIPER S K, KRUEGER A, KOCH S P, et al. A wearable multichannel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects［J］. NeuroImage, 2014, 85(6): 6471.
［7］ TEXAS INSTRUMENTS. ADS1299用于生物電勢測量的低噪聲、8通道、24位模擬前端［EB/OL］.（201207xx）［20160228］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads1299.pdf.
［8］ 周洪利. 計算機高級接口技術［M］. 北京：清華大學出版社, 2008.
［9］ 徐剛, 李小俚, 劉曉民. 簡易腦功能近紅外光譜系統設計［J］. 光譜學與光譜分析,2015，35(2):552556.