基于單片機的無線便攜式動物腦電遙測系統設計

2.2 無線單片機電路設計

由于無線采集部分背負在實驗動物身上，考慮到體積和重量，本文選擇Nordic公司的2.4 GHz無線單片機NRF24LE1，如圖2(c)所示。該單片機具有如下特性：

(1)內嵌2.4 GHz低功耗無線收發內核NRF24L01P，250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。

(2)高性能51內核,16 KB Flash，1 KB RAM，1 KB NV RAM。

(3)具有豐富的外設資源，內置128 bit AES硬件加密，32 bit 硬件乘除協處理器，6 bit~12 bit ADC。

(4)提供QFN24、QFN32、QFN48多種封裝，可靈活應用選擇。

2.3 電源電路設計

便攜式生物腦電信號采集系統中，無線發射部分供電電池只能采用可充電的鋰電池供電。由于鋰電池在使用過程中輸出電壓會下降，因此采用穩壓芯片TPS71334 (輸入2.5 V~4.2 V)來實現3.3 V電壓輸出。前置放大器和運放需要正負電源，采用外加電源反轉芯片MAX1697來實現-3.3 V輸出，且MAX1697最大輸出電流為60 mA。接收端供電來自PC機上USB口,利用電源芯片AMS1117將5 V電平轉換為3.3 V為NRF24LE1供電。電源具體電路可以參考電源芯片的數據手冊。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括：發射端A/D采樣程序、發射端數據處理、發射端與接收端通信協議和顯示界面。

3.1 發射端程序設計

NRF24LE1為高性能51內核，采用C語言編寫代碼。為提高發射功率，設置空中速率為250 kb/s，A/D采樣的參考電壓為內部1.22 V，采樣頻率為1 kHz，精度設置為12 bit，其中12 bit數據中的低8位存儲在ADCDATAL中，而高4位存儲在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高4位為地址，數據處理完成后進行打包發送。每次發送完數據后進行CRC校驗，如果校驗出錯則重新發送數據。

3.2 接收端及顯示界面設計

在接收端設置16 bit的緩沖器(buffer)，將接收的數據存入緩沖器中，通過串口打印出來即可。顯示界面采用VC++6.0編寫，調用MSCOMM控件實現Windows程序串口通信，接收端RS232串口送出AD采樣數據時會激發OnComm事件，在處理函數中將新的數據加入顯示隊列，波特率設置為9 600 b/s,界面的橫坐標為時間,縱坐標為電壓。

4 實驗方法及結果

4.1 手術方法及電極植入位置選擇

實驗采用SD級雄性大鼠，體重350 g，手術前用9%水合氯醛(40 mg/kg，腹腔注射)對其進行麻醉[7]并固定于腦立體定位儀上。根據大鼠腦圖譜[8]進行電極植入，切開表皮使其顱骨完全暴露后，用適量3%的雙氧水擦拭顱骨以去除表面油脂[9]，用高速顱鉆在顱骨上鉆開0.7 mm的孔。將0.17 mm漆包線兩端刮掉涂層，一端纏繞在直徑0.72 mm不銹鋼螺釘上，另外一端焊接在2.54 mm母接線槽上，然后將螺釘固定在顱骨上，最后用牙科水泥將螺絲釘和接線槽固定在大鼠顱骨上。測量電極坐標位置AP=-0.5 mm, ML=1.5 mm, DV=1.0 mm;參考電極坐標位置AP=+1.5 mm, ML=1.0 mm, DV=1.0 mm;為提高系統抗干擾能力，在大鼠腦部后加入相連的地電極與儀器地線,坐標位置AP=-8.5 mm, ML=0 mm, DV=1.0 mm。