一种多通道的脑电信号采集装置及方法

本发明属于脑机接口，具体涉及一种多通道的脑电信号采集装置及方法。

背景技术：

1、脑电信号的幅度处于微伏级别，对其采集时需要高倍数的放大。传统的脑电采集是采用多通道的电极接口进行信号放大、模数转换等，它具有体积大、功耗高等问题，脑机接口的公司常常针对特殊的情况进行定制，单一化，不易拓展和适应各种脑电任务。并且市面上的常规脑电信号采集设备体积庞大，价格高昂，不适合为一般公众使用或入门级开发，阻碍了更多人进行更广泛的脑机接口研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提出了一种多通道的脑电信号采集装置及方法，包括模拟前端、模数转换模块、微控制器模块、蓝牙模块、数据存储模块和上位机，该装置易拓展、易开发、易携带、成本较低，适合用于多种脑机任务。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种多通道的脑电信号采集装置，包括模拟前端、模数转换模块、微控制器模块、蓝牙模块、数据存储模块、上位机。

4、为了从混有强背景噪声(肌电、心电、50hz工频干扰等)中有效地提取出脑电转换为数字信号，放大器的输入阻抗以及共模抑制比直接影响着系统性能。对于脑电信号采集系统的设计，由于脑电信号的幅值微弱、受干扰性强等特征，因此要求选型的放大器具有高共模抑制比、高增益等特点，普通运算放大器是无法满足设计需求的，为满足设计需求，选择rha2116芯片。

5、模拟前端，用于接收来自脑电电极的脑电信号，对其进行低通滤波和噪音滤除，将处理后的脑电信号发送到模数转换模块。

6、模数转换模块，用于采集模拟前端处理后的脑电信号，将其转换成数字信号，并通过spi接口把数字信号传输至微控制器模块。

7、微控制器模块，用于接收模数转换模块处理后的脑电信号数，将数据打包后通过串口发送至上位机；并通过引脚的高低电平，选择模拟前端的脑电采集通道。

8、蓝牙模块，用于将微控制器模块中的脑电信号通过串口传输给上位机。

9、数据存储模块，微控制器模块通过spi接口将脑电信号数据存储到数据存储模块中。

10、上位机，用于接收微控制器模块的脑电信号，并将数据进行实时显示和处理。

11、进一步的，所述模拟前端，包括16路单极性信号输入端与一个多路复用器输出端，16路输入端用于脑电信号的采集，一个多路复用器输出端作为ad7980芯片的单端信号输入，每组脑电信号均通过模拟前端初步降噪滤波，并将产生的运动伪影和其他高频噪声滤除。

12、进一步的，两个模拟前端rha2116并联时，rha2216-1的14引脚sel0、15引脚sel1、16引脚sel2、17引脚sel3分别连接到rha2116-2的14引脚sel0、15引脚sel1、16引脚sel2、17引脚sel3，rha2216-1的18引脚hiz_mux接反相器的输出端，rha2216-2的18引脚hiz_mux接反相器的输入端，rha2216-1的12引脚mux_out与rha2216-2的12引脚mux_out连接，再一起连接到模数转换模块的in引脚。

13、进一步的，模数转换模块中adr381芯片的vout端连接到ad7980芯片的ref端，得到基准电压；adp1710芯片的out端连接到ad7080芯片的vdd端，获得稳压；adp1710芯片的gnd引脚和adr381芯片的gnd引脚接地；adp1710芯片的in引脚、en引脚和adr381芯片的vin引脚接到rha2116芯片的avdd引脚。

14、模拟前端输出的信号通过mux_out引脚接到ad7980芯片的in+引脚进行电压采集，经过ad7980芯片模数转换后的脑电信号通过sdo引脚接到微控制器模块的pb2引脚(mosi)，ad7980芯片的sck引脚接到微控制器模块的pb1引脚，cnv引脚接到微控制器模块的pc0引脚。

15、进一步的，微控制器模块采用atmega2560，其富含大量的io接口，并且提供4个uart通信端口(tx-rx)，5个spi外设和1个i2c外设。具体体现为可连接多个功能芯片，可拓展性高。

16、进一步的，本发明还提出了一种多通道的脑电信号采集方法，包括：

17、s1、利用模拟前端的rha2116芯片对16通道的脑电信号进行采集，并且将16通道的脑电信号通过mux_out(12脚)输出，得到放大及滤波后的模拟电压信号。

18、s2、使用16位分辨率的ad7980芯片对模拟前端输出的模拟电压信号进行实时电压采集转换成数字信号；ad7980芯片的输出用16bit二进制表示，其满量程输出为ffffh，参考电压是2.5v；其输出的电压值与对应的数据关系是：其中，vref表示参考电压。

19、s3、将数字信号通过spi接口传输到以atmega2560为核心的微控制器模块。

20、s4、微控制器模块将数据通过串口pe0引脚和pe1引脚发送到上位机进行信号实时显示。其中rha2116的内部增益固定为200；亦可搭配ad8221实现增益可编程放大，具体实现：通过单一电阻，可在1到1000范围内设置增益。

21、进一步的，rha2116芯片的19引脚mode置1时，通过使用复位、步进和同步推进片上计数器，选择连续的放大器通道；置0时，使用引脚14引脚sel0、15引脚sel1、16引脚sel2、17引脚sel3选择放大器通道，通过控制器产生高低电平进行片选；24引脚test_en置1时，27引脚elec_test连接到选定的放大器输入引脚，测量和激活电极阻抗。

22、进一步的，模数转换模块中，在上升沿可启动转换并选择器件的接口模式：链模式或cs模式；cs模式下，cnv为低电平时sdo引脚使能；链模式下，数据在cnv为高电平时读取。

23、如果sdi在cnv上升沿期间为低电平，则选择链模式，此模式下，sdi作为数据输入，将两个或更多adc的转换结果以菊花链方式传输到单一sdo线路上，sdi上的数字数据电平通过sdo输出，延迟16个sck周期。

24、如果sdi在cnv上升沿期间为高电平，则选择cs模式，此模式下，sdi或cnv在低电平时均可使能串行输出信号，当转换完成时，如果sdi或cnv为低电平，繁忙指示功能被使能。

25、在三线式串行接口上以菊花链形式连接多个ad7980芯片，拓展多通道脑电采集；sdi和cnv为低电平时，sdo变为低电平；将sck置为低电平时，cnv上的上升沿启动转换，选择链模式，并禁用繁忙指示，此模式下，cnv在转换阶段和随后的数据回读期间保持高电平，转换完成后，msb输出至sdo，而ad7980芯片进入采集阶段并关断，存储在内部移位寄存器中的剩余数据位则在随后的sck下降沿逐个输出；对于每个adc、sdi馈入内部移位寄存器的输入，并通过sck下降沿逐个输出，链内每个adc输出数据msb，回读n个adc需要16×n个时钟，数据在sck的上升沿和下降沿均有效；微控制器模块的convert信号相当于片选cs，所有从器件接收同一个时钟信号sck，ad7980芯片将数据通过sdo引脚输出至微处理器的pb2引脚(mosi)。

26、进一步的，微控制器模块中atmega2560通过spi接口与模数转换模块进行通信，模数转换模块将转换后的数字信号传输到微控制器模块，即ad7980芯片的sdo引脚接到微控制器模块的pb2引脚(mosi)；微控制器模块通过对cnv引脚高低电平的切换对模数转换模块进行配置。

27、蓝牙模块中uart_txd引脚与uart_rxd引脚分别接到微控制器模块的45脚，46脚进行数据传输。

28、脑电数据通过sda引脚(pin44)通过i2c总线协议方式传给数据存储模块。

29、上位机与微控制器的通信接口使用串口收发方式，波特率为192000，通过将单片机的pe0、pe1口复用为串口的rxd、txd经由ch340实现usb-ttl电平转换，完成pc端与微控制器的数据传输。

30、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

31、本发明提出的系统易拓展，易开发，节约成本，适合用于多种脑机任务，便于研究人员的开发，且体积小、便携性高。该系统可通过对rha2116芯片引脚的配置灵活配置采样通道，控制不同通道的脑电信号采集；可通过搭配ad8221芯片实现灵活配置模拟前端的增益，配合模数转换模块可实现不同类型的应用和其他微弱生理电信号的采集；可利用控制器大量io接口的资源，通过蓝牙传输原始脑电图信号或者将本地数据读入sd卡中。