便携式脑电信号实时采集系统

1.本发明涉及人工智能脑机接口技术领域，特别是一种便携式脑电信号实时采集系统。


背景技术：

2.随着人们对大脑研究的逐渐深入，脑机接口技术应用的领域越来越广泛。通过对特定脑电信号的识别，可以做到通过脑电信号生成控制指令控制外部设备执行操作的目的，也可通过脑电信号来判断被试者的身体、精神状态等。这使得脑机接口在康复训练、教育娱乐、智能控制等领域具有广泛应用意义。
3.传统脑电采集设备精度高、工作稳定，但设备体积大，需在专业人员辅助下操作进行测试，同时采集信号时需要在特定的电磁屏蔽房中进行以防外界干扰。这样的设备严重限制了脑机接口系统的灵活运用，为满足脑机接口系统可以随身佩戴方便被测者使用的要求，需要对脑电信号采集设备进行便携式改进，缩小设备体积的同时能够在各种环境条件下使用。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种便携式脑电信号实时采集系统。
5.实现本发明目的的技术方案如下：一种便携式脑电信号实时采集系统，包括滤波电路、ad转换电路、mcu控制电路、wifi模块电路和电源转换电路；
6.滤波电路对输入的脑电信号进行隔离保护和低通滤波，经该预处理后信号输入ad转换电路进行放大并采集输出数字信号，mcu控制电路用于控制ad转换电路及wifi传输模块，wifi模块电路将系统采集到的信号无线传输到上位机或其他外部设备，电源转换电路将6v供电转换为+5v，再将+5v转换为+2.5v、-2.5v电压为ad转换电路模拟端供电，以及+5v电压转换为+3.3v电压为ad转换电路数字端、mcu控制电路、wifi模块电路供电。
7.进一步的，脑电信号输入端采用静电放电保护器对低通滤波电路进行信号保护，脑电信号由采集系统的输入端口到ad转换器输入端口，依次经过静电放电保护器的一个io引脚和无源一阶rc低通滤波器。
8.进一步的，电源转换电路对输入电压进行三级电压转换buck型降压电路设计，第一级电压转换由6v转为5v输出，采用单路输出ldo电路将+6v电压降至标准的+5v输出；第二级转换对+5v电压进一步转换，采用dc-dc转换电路将+5v电压转换为-5v电压和+2.5v电压以及采用ldo电路输出+3.3v电压；第三级转换电路采用dc-dc转换电路将-5v电压转换为-2.5v电压输出。
9.进一步的，第二级转换电路中+5v电压转换为+3.3v电压，根据ad转换芯片、mcu控制芯片和wifi模块不同的供电需求对+5v转+3.3v电压输出采取双路的多功率ldo转换电路完成，一路由+5v输入接ldo转换芯片输出单路+3.3v电压为ad转换芯片、mcu芯片供电，另一路由+5v接二选一拨键开关后连接到ldo转换芯片输入，后输出单路+3.3v电压为wifi模块
供电。
10.进一步的，pcb板采用双面板形式设计，电源开关及电源转换电路位于pcb板下方；wifi模块电路位于pcb板上方，板载天线伸出电路板。
11.进一步的，处理器的控制软件移植操作系统freertos，将信号的采集、处理和输出加密分别打包为线程进行实时控制处理。
12.进一步的，使用des加密方法对采集到的一组64位实时eeg信号进行初始置换后分为前后两部分，通过扩展置换将数据右半部分扩展到48位，通过异或操作及计算后与从56位密钥中选出的48位子密钥结合通过8个s盒将48位替换成新的32位数据再进行一次置换，再通过一个异或运算将运算函数f的输出与前半部分结合，作为新的后半部分数据，旧的后半数据成为新的前半部分数据；该计算过程重复多轮，每轮密钥进行移位成为新的密钥，最后前半数据与后半数据合在一起通过一个逆初始置换，得到加密后的输出数据。
13.与现有技术相比，本发明的显著优点为：
14.(1)结合ad转换芯片ads1299的高度集成化对硬件系统电路进行简化处理，尤其表现在滤波部分电路；滤波电路采用静电放电保护器将外部信号与内部电路及电子元件隔离，以减小外部电磁干扰对采集脑电信号造成的干扰；保护器后接一阶rc低通滤波器对6.6khz以上的高频噪声进行隔离；相比其他脑电信号采集系统，本发明在对信号预处理部分的电路较为简单，大大减小了系统的硬件体积，更加便携。
15.(2)电源电压转换部分采用三级降压电路，其中在+5v电压转换为+3.3v电压的降压电路中设计了两种电路分别输出+3.3v电压，一路使用ams1117-3.3芯片输出+3.3v电压为ad转换芯片的数字端和mcu控制芯片供电，另一路使用lt1086cm-3.3芯片输出+3.3v电压为wifi模块供电；wifi模块推荐3.3v电压，要求峰值500ma以上电流进行供电，单独的降压电路供电保证了wifi模块的正常工作，与mcu控制芯片以及ad转换芯片供电相互独立不受干扰，为信号传输的稳定提供更好的保障。
16.(3)mcu控制软件移植实时操作系统freertos将各任务打包成不同线程进行有序控制，包括ad转换芯片的信号转换任务、信号加密处理任务、wifi模块信号传输任务；多个任务在该操作系统控制时序下有序、同步进行，进一步保障了采集系统的实时性。
17.(4)利用des加密算法对采集到的脑电信号进行加密处理后再进行传输，防止相关信息被有意者窃取，保护了被采集者的隐私。
附图说明
18.图1为本发明硬件系统框图。
19.图2为滤波电路示意图。
20.图3为第一级降压转换电路示意图。
21.图4为+5v电压转-5v电压电路示意图。
22.图5为+5v电压转+3.3v电压电路第一部分示意图。
23.图6为+5v电压转+3.3v电压电路第二部分示意图。
24.图7为第三级降压转换电路示意图。
25.图8为本发明软件流程图。
具体实施方式
26.本发明提出一种便携式脑电信号实时采集系统，能够采集到微弱脑电信号，通过滤波电路对输入信号进行初步滤波后转换为数字信号由控制器进行进一步处理、计算，结合des加密算法对需要输出的信号加密后通过esp-12swifi模块以无线wifi形式将信息传递到上位机或其他设备。嵌入式控制软件移植freertos实时操作系统对采集任务进行分配、执行确保多个任务同时进行，保证脑电信号采集、处理、传输的实时性和准确性。
27.如图1所示，便携式脑电信号实时采集系统包括：滤波电路、ad转换电路、mcu控制电路、wifi模块电路、电源转换电路，用于完成对实时头皮脑电信号的采集、处理和输出加密；
28.滤波电路对输入的脑电信号进行隔离保护和低通滤波，经该预处理后信号输入ad转换电路由模数转换芯片ads1299进行放大并采集输出数字信号，mcu控制电路负责控制ad转换芯片及wifi传输模块的工作包括脑电信号的采集、处理、传输，wifi模块在mcu控制下将系统采集到的信号无线传输到上位机或其他外部设备，电源转换电路将6v供电转换为+5v，再将+5v转换为+2.5v、-2.5v电压为ad转换芯片模拟端供电，以及+5v电压转换为+3.3v电压为ad转换芯片数字端、mcu控制芯片、wifi模块供电。
29.对系统的脑电信号输入端采用静电放电保护器对低通滤波电路进行信号保护，脑电信号由采集系统的输入端口到ad转换器输入端口需要依次经过静电放电保护器的一个io引脚和无源一阶rc低通滤波器，在减小处理电路体积的同时达到对信号的预处理功能。
30.根据系统电源供电需求，对输入电压进行了三级电压转换buck型降压电路设计，系统采取4节干电池，共6v电压供电，第一级电压转换由6v转为5v输出，采用单路输出ldo电路将+6v电压降至标准的+5v输出。第二级转换对+5v电压进一步转换，采用dc-dc转换电路将+5v电压转换为-5v电压和+2.5v电压以及采用ldo电路输出+3.3v电压。第三级转换电路采用dc-dc转换电路将-5v电压转换为-2.5v电压输出。其中+2.5v、-2.5v电压为ad转换芯片模拟端供电，+3.3v为ad转换芯片数字端、mcu芯片及wifi模块供电。
31.第二级转换电路中+5v电压转换为+3.3v电压，根据ad转换芯片、mcu控制芯片和wifi模块不同的供电需求对+5v转+3.3v电压输出采取双路的多功率ldo转换电路完成，一路由+5v输入接ldo转换芯片输出单路+3.3v电压为ad转换芯片、mcu芯片供电，另一路由+5v接2选一拨键开关后连接到ldo转换芯片输入，后输出单路+3.3v电压为wifi模块供电，在对ldo转换芯片的选择上，为wifi模块供电的转换芯片输出功率较大，峰值电流500ma以上。
32.硬件电路pcb板采用双面板形式设计，不同功能模块区域化处理，防止不同元件间的相互干扰，尤其电源开关及转换电路位于板子下方部分，远离信号传输电路；wifi传输模块位于板子上方部分，板载天线伸出电路板以防受到周围电子元件的干扰；整体电路板形状为总长约8.4cm，总宽约6.5cm不规则方形形状，具有体积小、易于携带的优点。
33.处理器的控制软件移植实时操作系统freertos，将信号的采集、处理和输出加密等多个任务分别打包为线程进行实时控制处理。
34.使用des加密方法对采集到的一组64位实时eeg信号进行初始置换后分为前后两部分，通过扩展置换将数据右半部分扩展到48位，通过异或操作及计算后与从56位密钥中选出的48位子密钥结合通过8个s盒将48位替换成新的32位数据再进行一次置换，再通过一个异或运算将运算函数f的输出与前半部分结合，作为新的后半部分数据，旧的后半数据成
为新的前半部分数据。该计算过程重复多轮，每轮密钥进行移位成为新的密钥，最后前半数据与后半数据合在一起通过一个逆初始置换，得到加密后的输出数据。
35.下面结合附图对本发明各电路进行说明。
36.如图2所示，滤波电路连接外部电极采集脑电信号，输入信号由p7端口接入到采集板电路后，每路信号首先通过静电放电保护器tpd4e1b06的一个io引脚进行隔离，防止外部电路的磁场环境对采集电路影响产生瞬态电压的改变。接着信号流经5.1k电阻后一路接47nf后接地，一路接入ad转换芯片，其中4.7nf电容与5.1k电阻构成一阶rc滤波电路对输入进行低通滤波。由于脑电信号为低频信号频率范围0.5～50hz，因此在静电放电保护器后接一个低通滤波器，由设计该rc滤波电路由5.1kω电阻和4.7nf电容构成，滤除高于6.6khz高频噪声。
37.ad转换电路采用低噪声生物电势测量模数转换器ads1299，该芯片内置可编程增益放大器、内部基准以及板载振荡器，具有高集成度和性能，大大减小采集设备体积、功耗和成本。
38.中心处理器电路采用芯片stm32f407vet，mcu需控制ads1299进行数据转换，对数据进一步处理，控制esp-12s模块对数据进行传输。在电路连接上stm32与ads1299、esp-12s均采取spi通讯方式连接，烧录方式采取jtag接口。
39.电源模块采取4块干电池共6v电压为系统供电，通过三级降压转换电路转换分别输出+2.5v电压和-2.5v电压为ad转换芯片模拟端供电、输出+3.3v电压为ad转换芯片数字端和mcu控制芯片供电、输出+3.3v电压vcc_3.3v为wifi芯片供电。如图3所示，p5为电源接口，电源接入后由s4拨键开关控制系统的电源通断，第一级降压转换电路使用芯片reg104ga-5将输入电压+6v转换输出+5v电压，输入电容c40选择0.1μf，保证输入环路的稳定，芯片的nr引脚接0.1μf电容以减小输出噪声。
40.第二级降压转换电路将+5v电压分别转换为-5v电压输出、+2.5v电压输出和+3.3v电压输出。如图4所示，+5v电压转-5v电压电路采用芯片tps60403dbv构成电压逆变换电路，+5v电压输入串联一个3.3μh电感l5后接入芯片u5输入端vin脚，同时vin脚与地agnd间并联接入两个电容c46、c47，电容值分别为10μf和1μf，l5、c46、c47构成一个滤波电路，保证输入电源的稳定性。芯片u5的cfly+、cfly-引脚间接入1μf跨接电容c61，输出电容c49、c50选择1μf并联，作为转换电路储能电容，后接3.3μh电感l2以及1μf电容c51，c51一端与l2相连另一端接地agnd与l2构成lc滤波使得输出的-5v电压保持稳定。+5v转+2.5v电路中采用芯片tps73225dbvt构成ldo电压转换电路，同样的+5v输入电压接入l5电感后接u6的输入端in脚，同时in脚与地agnd间接一个1μf电容，l5、c48构成lc滤波电路稳定输入电压，芯片u6使能引脚en和输入引脚in与l5、c48相接的地方相连，芯片out引脚与nr/fb引脚间接入39.2k电阻r15，nr/fb与地agnd间并联接入36.5k电阻r16和1μf电容c54，r15、r16构成分压电阻使得输出电压为+2.5v，c54为旁路电容用于减小输出信号的噪声，输出电压经分压电阻分压后由2.2μf和10μf两个并联的输出电容c52、c53进行储能，后接3.3μh电感l3以及10μf电容c55的一端输出，c55另一端接地agnd，l3、c55构成lc滤波电路起到稳定+2.5v输出电压的作用。+5v电压转+3.3v电压电路分为两个部分，一个部分采用芯片ams1117-3.3构成ldo电路为ad转换芯片数字端及mcu芯片供电，如图5，该部分电路+5v电源输入接芯片u4输入端vin引脚，vin与地agnd间并联接入一个10μf钽电容c42和一个0.1μf普通电容c43作为输入电容
防止电压断电后倒置，u4芯片输出脚vout与地agnd间并联接入一个10μf钽电容c44和一个0.1μf普通电容作为输出滤波电容，保证输出电压的稳定。如图6，另一个部分采用芯片lt1086cm-3.3将+5v电压转换输出3.3v电压vcc_3.3v为wifi模块供电，+5v电源输入后接拨键开关s3用于控制wifi模块供电的通断，电源由开关输入后接芯片u2输入引脚vin，vin与地agnd间接入一个10μf钽电容作为输入电容稳定输入电压，芯片u2输出脚vout与地agnd间并联接入一个10μf钽电容c37、一个0.1μf电容c38和一个1nf电容c39以及一个1k电阻与led灯d3串联组成的支路，后接10mh电感l1输出，其中c37、c38作为电压转换的储能电容同时起到稳压作用，c39、l1构成输出电源滤波电路，起到稳定输出电压的作用，d3用作wifi电源指示灯r14限制其电流。
41.如图7所示，第三级电压转换电路采用芯片tps73225dbvt将-5v电压转换为-2.5v电压输出。-5v输入电压接入u7的输入端in脚，同时in脚与地agnd间接一个2.2μf电容，芯片u7使能引脚en和输入引脚in相连，芯片out引脚与nr/fb引脚间接入39.2k电阻r17，nr/fb与地agnd间并联接入36.5k电阻r18和4.7μf电容c60，r17、r18构成分压电阻使得输出电压为-2.5v，c60为旁路电容用于减小输出信号的噪声，输出电压经分压电阻分压后由2.2μf和10μf两个并联的输出电容c57、c58进行储能，后接3.3μh电感l4以及10μf电容c59的一端输出，c59另一端接地agnd，l3、c55构成lc滤波电路起到稳定-2.5v输出电压的作用。
42.整个控制系统硬件pcb板采用双面板设计，将不同功能模块元件进行分区域放置，电源部分元件位于板子底端，远离信号密集部分电路且pcb电源部分在top层对+3.3v电源进行铺铜，在bottom层对agnd、dgnd分别进行铺铜，agnd、dgnd由0欧电阻隔离。信号输入滤波部分即ad转换部分电路位于板子中间部分的左半边，mcu控制芯片电路部分位于板子中间部分的右半边，两个模块电路信号交流密集，对采集信号输入采用差分式布线以减小共模干扰。wifi模块电路位于板子上方部分远离其他元件，防止干扰信号传输。
43.中心处理器的控制软件需要完成对实时脑电数据的采集、处理、传输，系统控制的实时性要求较高，本发明移植实时操作系统freertos完成对多个任务线程的执行分配，包括外设硬件的初始化及相关配置的设置、数据采集任务的执行、数据处理任务的执行、数据传输任务的执行、led亮暗控制，使用freertos抢占式任务调度器来协调各任务的执行，提高系统的运行效率。
44.其中，脑电信号的加密方法如下：
45.1)针对提供的初始64位密钥，其中8位校验位在计算时可以忽略，按照表1对原始密钥进行转换，表中数字表示原始密钥的位置，再将转换后的56位密钥分为前28位c0和后28位d0。
46.表1
[0047][0048]
将c0、d0进行循环左移变换，每轮循环左移的位数如表2所示，变换后得到cn、dn，将cn、dn合并，并通过表3所示置换生成子密钥kn。
[0049]
表2
[0050][0051]
表3
[0052][0053]
2)针对需要加密的数据，将一组64位数据进行如表4所示的初始置换，置换后的数据分为前32位l0和后32位r0，r0在进行如表5所示置换扩展到48位，将置换后的r0与密钥k1进行异或运算获得中间值r
tem
，即r
tem
(n)＝e(r
n-1
)
⊕kn
，e为扩展置换。
[0054]
表4
[0055][0056]
表5
[0057][0058]
中间值r通过8个s盒进行8次替换操作如表6所示，r
tem
的第i位～i+6位对应第i个s盒，六位数据的首末两位对应表格行数，中间四位对应列数，表格中的数据即为s盒运算后输出的四位二进制数。
[0059]
表6
[0060]
[0061][0062]
完成s盒替换后，得到一组32位数据r
tem
‘
，将该组数值进行如表7所示p盒置换后与原始数据l
n-1
进行异或计算得到l
n-1’，下一轮初始数据rn＝l
n-1
‘
、ln＝r
n-1
，最后一轮中不用交换数据的前后半部分。
[0063]
表7
[0064]
[0065]
将l
16r16
进行初始置换的逆置换如表8所示，即得到加密后的输出信号。
[0066]
表8
[0067][0068]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
[0069]
实施例
[0070]
如图1所示，一种便携式脑电信号实时采集系统硬件设计，整体系统采用干电池提供6v电源，电压转换模块为其他模块的芯片工作提供不同的电源电压，信号输入模块复杂对外部电极输入的脑电信号进行初步滤波处理后输入到ad转换模块进行采集转换为数字信号，中心处理器mcu负责控制ad转换芯片的工作，以及对脑电信号数据的处理，处理后的数据通过wifi芯片传输到外部设备。
[0071]
使用时通过8通道干电极帽采集的头皮脑电信号将生物信号转换为电信号后由输入端口p7接入采集电路，输入信号经过esd保护器、rc低通滤波器输入到ads1299进行模数转换，中心处理器stm32f407通过spi通讯控制ads1299的配置放大倍数、采集频率等设置开始对脑电数据的采集转换，数字信号传递到控制器后进一步处理，再由spi通讯连接到传输模块esp-12s控制其通过wifi方式进行数据的无线传输，进一步连接到上位机或其他外部设备。为减小硬件设备的体积，信号调理电路部分仅具有截止频率约为6.6khz的低通滤波功能，更多的信号的滤波、伪迹的消除采取软件的方式实现。
[0072]
pcb板总体长约8.4cm，宽约6.5mm，采取双面板的设计减小成本。电极引线由电路板左侧p7端口连接输入，信号处理转换部分位于电路板左半部分，6v供电电源由接口p5接入，电压转换部分位于电路板下方部分，中心处理器stm32f407位于电路右半部分，无线传输模块esp-12s位于电路板上方，其中板载天线伸出电路板防止收到电路中其他元件的干扰。电路板电源+3.3v、+2.5v顶层铺铜，dgnd、agnd采取底层铺铜减少电流回路，利于电磁防护。
[0073]
软件方面，如图8所示控制软件采用freertos操作系统，开始工作时首先进行系统的初始化设置，创建各项任务并对任务进行空间分配，主要有start_task、led_task、eeg_acquisition_task、data_processing_task、data_transmision_task，开始任务和led状态显示任务设为第一优先级，eeg信号的获取、处理为第二优先级、数据的发送任务为第三优先级。接着进行spi的相关配置，调用map_spiconfigsetexpclk()函数给spi_if_bit_rate配置spi时钟为20mhz、spi_mode_master配置spi为主模式，spi_cs_activehigh配置spi为cs高电平有效，完成好spi的配置后即可通过spi控制ads1299、esp-12s的配置与读写。
[0074]
通过boardinit()函数初始化ads1299硬件，初始化流程包括通过spi接口发送命令启动ads1299监测器是否能够正常工作，发送wreg命令配置内部寄存器，clksel置1后启动时钟，向rst引脚发送脉冲等待寄存器重置，发送命令sdatac(停止数据连续读)停止数据连读，配置通道寄存器，配置config3寄存器的内部参考电压工作方式，发送命令rdatac(使能数据连续读)开始数据转换，等待引脚drdy电平变化，drdy变低电平即转换结束，控制器通过spi通信rdata命令读取数据。启动ad转换的条件位start引脚电平由低变高或被发送
start指令，当ad转换启动时，drdy引脚电平被拉高，在数据准备好后，drdy电平被拉低。控制器在drdy电平发生变化后发射sclk时钟给ads129，通过spi通讯读取数据。运行方式采取连续转换模式，拉高start引脚，当ads1299的start引脚被连续拉高至少2tclk或start指令被发送时，转化开始。当start引脚被拉低或者stop指令被发送时转换停止。
[0075]
控制器mcu读取数据后暂存缓冲区后进行data_processing_task任务对数据进行进一步处理，对于运动想象类脑电信号其有用波段集中在8～30hz频段，软件设计一个fir数字滤波器采用窗函数法进行8～30hz带通滤波。根据给定的频率响应h(e
jw
)，导出hd(n)，用窗函数w(n)截取hd(n)，即h(n)＝w(n)hd(n),根据时域的乘积对应频域的卷积，有积对应频域的卷积，有其中wr(e
jw
)是矩形窗谱，h(e
jw
)是fir滤波器频率响应。常见窗函数有矩形窗、三角窗、海明窗、汉宁窗、巴特利特窗，通过分析选择海明窗兼顾信号h(n)滤波器的长度和主瓣能量集中，将运动想象类脑电信号经过fir滤波之后幅频特性表现在8～30hz范围内，保留有效信息同时避免了高频噪声干扰也缩小了数据量。滤波处理后的数据等待控制指令进行下一步操作。
[0076]
进一步，对滤波后的运动想象eeg信号通过共空间模式csp进行特征提取，先计算信号的协方差矩阵ci为第i类eeg信号空间协方差矩阵；ei为第i类eeg信号矩阵。c＝c1+c2，对c进行正交变换c＝uλu
t
，对特征向量矩阵进行白化转换，可得到白化矩阵白化处理后的矩阵s1＝pc1p
t
、s2＝pc2p
t
，对其进行特征分解s1＝bλ1b
t
、s2＝bλ2b
t
，构建空间滤波器q＝pb
t
，将脑电信号e1、e2送入空间滤波器，得到特征矩阵z1＝qe1、z2＝qe2，特征矩阵归一化处理后，得到eeg信号在空间中对应的特征向量完成后在继续数据的传递前对获得的数据进行加密处理。
[0077]
进一步，将处理好的数据分为64位一组打包，每组数据经过des加密后由spi传输到wifi模块进而传输到上位机，在上位机中进行数据解密得到运动想象类eeg信号。des算法的软件实现通过对算法的移植，定义密钥置换映射、子密钥置换选择映射、数据块初始化转换映射、数据块扩展转换映射、s盒转换的s盒表、数据块转换的p盒映射表、数据块最终转换映射，定义des_main函数为加密或解密数据计算函数，函数输入项包括原数据、目标数据、原始密钥、加密/解密。嵌入式处理器仅执行加密任务，即使用函数des_encipher()调用des_main(plaintext,ciphertext,key,encipher)。
[0078]
上面所述实施例讲述了本发明脑电信号采集系统硬件的信号控制流程，以及针对便携式脑电信号采集特点进行的小体积、无线传输等设计。此外还对软件的工作流程进行了介绍，更进一步了解系统的工作情况，通过freertos操作系统完成对脑电信号的采集、处理及加密传输任务，确保信号传递的实时性和安全性。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方案，任何人在本专利提示下做出的移植实时操作系统的嵌入式脑电信号采集双面板软硬件系统设计，凡依本发明申请专利范围所作的变化和改进，皆应属于本专利的涵盖范围。