1、硕士学位论文（20 届）低 功 耗 可 穿 戴 生 物 电 信 号 采 集 系 统 的 设 计姓 名学 科 、 专 业 电子与通信工程研 究 方 向指 导 教 师论文提交日期低功耗可穿戴生物电信号采集系统的设计 邓智勇武汉理工大学独 创 性 声 明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签 名： 日 期： 学位论文使用授权书本
2、人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）： 导师（签名）： 日期:武汉理工大学硕士学位论文I摘 要人体的生物电信号包含心电、脑电、肌电等。心电的监控与分析被广泛应用于临床医疗、科学研究、病理分析等多个领域；而脑电的分析和研究除了被应
3、用于医疗外，还被用于进行想象运动、脑机接口、模拟大脑等智能扩展和人工智能领域。随着人类对心脑电信号研究的不断深入，传统的生物电采集设备已无法满足人们的使用需求。因此，设计一个低功耗、可穿戴的生物电信号采集系统，对于电生理研究有着重要意义。本文首先对心电、脑电信号采集的发展现状进行了研究与分析，针对现存的心、脑电采集仪器和设备存在使用场合单一、功耗较大等不足与缺陷，提出了一个低功耗可穿戴生物电信号采集系统的设计方案。该方案针对心电、脑电的幅频特点，结合低功耗元器件、无线传输器件的利用，基于中科院深圳先进技术研究院医疗芯片设计实验室自主研发的前端芯片 AFE_MC04，设计出一套包括电源管理、信号
4、采集、信号处理、信号传输等模块的硬件电路。与此同时，本方案基于意法半导体公司的低功耗 Cotex-M4F内核的 STM32F411 微处理器实现了系统的电源管理、状态控制以及信号的数字滤波，并通过 dialog 公司的 DA14580 蓝牙 SoC 实现了信号的低功耗蓝牙(BLE)传输。最后，本文以专业电生理记录仪 Biopaq MP150 为参照对低功耗可穿戴生物电信号采集系统的功能和性能进行了测试，并针对测试结果根据心电和脑电采集的相关标准进行分析总结，验证了该系统的可行性。同时针对系统在脑电采集上的应用，进行了脑电采集眼镜的设计与实现。关键词：生物电信号采集，可穿戴，数字滤波，低功耗蓝牙
5、武汉理工大学硕士学位论文IIAbstractThe bio-potential signal of human body includes ECG,EEG and EMG etc. The monitoring and analyzing of ECG has been widely used on clinical medical,pathology analyzing and science research. Besides medical usage, EEG is also use for the research of Brain-Computer Interface(BCI),
6、brain simulation and Imaginative movement. As the research on ECG and EEG is moving forward, the traditional equipment for EEG and ECG acquisition is not able to meet the requirement any longer. Therefore, it carries significance to design a low-power wearable bio-potential acquisition system.The pr
7、esent situation of ECG and EEG acquisition is investigated and researched firstly in this paper. Pointing at the weaknesses and shortcomings of the present acquisition equipment such as the narrow occasions of applications and the high consumption of power, the solution of a low-power wearable bio-p
8、otential acquisition system is proposed.Dueling to the amplitude frequency characteristic of ECG and EEG signal, and the usage of low power components and wireless components, a circuit is designed based on AFE_MC04, a front end chip designed by Medical Chip Lab of SIAT. The circuit contains the mod
9、ules of power managing, signal acquisition, signal processing and digital signal transmitting. Meanwhile, a program based on the Cortex-M4F core micro controller STM32F411 platform achieves the functions of power management, status control and digital filtering. Data transmitting on Low-power Blueto
10、oth is enable through DA14580 SOC designed by Dialog.Finally, functional test and performance test according to the international standard are carried out. As a contrast, Biopac MP150, a professional acquisition equipment, has been tested together. Analyzing and summary are worked out to verify the
11、feasibility of the system. Also, a EEG acquisition glass has been designed and realized for the application of wearable EEG acquisition.武汉理工大学硕士学位论文IIIKeywords：bio-potential signal acquisition, wearable, digital filtering,BLE武汉理工大学硕士学位论文1目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .1第 1 章 绪论 .41.1 课题来源 .41.2 背景及意义 .41
12、.3 研究现状 .51.3.1 心电信号采集研究现状 .51.3.2 脑电信号采集研究现状 .61.4 系统重点难点分析 .81.4.1 抗干扰与去噪 .81.4.2 低功耗与小型化 .81.4.3 无线传输速率控制 .91.5 论文研究内容与结构安排 .9第 2 章 低功耗可穿戴生物电信号采集系统方案设计 .112.1 系统需求分析 .112.1.1 生物电信号的采集 .112.1.2 生物电信号的处理 .14武汉理工大学硕士学位论文22.1.3 生物电信号的传输与显示 .142.1.4 功耗控制及电源管理 .142.2 系统方案设计 .152.2.1 系统结构与功能 .152.2.2 系统
13、主要元器件选型 .162.3 本章小结 .18第 3 章 低功耗可穿戴生物电信号采集系统硬件设计 .203.1 电源模块硬件设计 .203.2 信号采集模块硬件设计 .243.3 信号处理模块硬件设计 .263.4 电路板级设计 .283.4.1 PCB 叠层设计 .293.4.2 PCB 布局及布线设计 .293.5 本章小结 .31第 4 章 低功耗可穿戴生物电信号采集系统软件设计 .324.1 逻辑控制部分 .324.1.1 系统状态控制 .324.1.2 系统电源管理 .364.2 信号处理部分 .364.2.1 FIR 低通、高通滤波器设计 .36武汉理工大学硕士学位论文34.2.2
14、 FIR 低通、高通滤波器的仿真测试 .394.2.3 FIR 滤波器在 CORTEX-M4F 内核上的实现 .424.2.4 工频滤波器的设计与实现 .434.3 数字通信部分 .434.3.1 串行外设接口通信 .444.3.2 低功耗蓝牙通信 .454.4 本章小结 .46第 5 章 低功耗可穿戴生物电信号采集系统的测试及应用 .475.1 各硬件模块功能测试 .475.1.1 电源电压与纹波测试 .475.1.2 信号采集电路测试 .495.2 调试用 PC 端上位机软件的设计 .515.3 系统整体功能测试 .525.3.1 模拟心电采集测试 .525.3.2 人体心电采集测试 .525.3.3 人体脑电采集测试 .545.4 系统整体性能分析 .555.4.1 心电采集性能分析 .555.4.2 脑电采集性能分析 .565.5 系统功耗计算及测试 .58武汉理工大学硕士学位论文45.6 低功耗可穿戴生物电信号采集系统的实际应用 .595.7 本章小结 .61第 6 章 总结与展望 .63参考文献 .64致谢 .68攻读学位期间参加科研情况 .69
