腦機(jī)接口(Brain-computerinterface,BCI)可以連接人類的大腦與計(jì)算機(jī),從而實(shí)現(xiàn)腦電活動(dòng)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)想象控制等。無論在臨床醫(yī)學(xué)、心理與認(rèn)知科學(xué)方面,還是在機(jī)械控制、智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面,腦機(jī)接口技術(shù)都有舉足輕重的地位與不可估量的發(fā)展?jié)摿�。過去的腦機(jī)接口設(shè)備體積與功耗都非常大,為腦機(jī)接口的實(shí)際使用與商業(yè)化帶來障礙。為解決此問題,本文針對(duì)腦機(jī)接口的便攜化、低功耗技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi的腦機(jī)接口方案,使得腦機(jī)接口技術(shù)可以在更寬的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文從硬件與軟件兩個(gè)方面具體研究了腦機(jī)接口的關(guān)鍵技術(shù)。硬件方面,本文研究了便攜化、低功耗、抗噪聲與Wi-Fi通信。本文從印刷電路板(Printed circuit board,簡(jiǎn)稱PCB)工藝、器件選型等方面闡述了便攜化的實(shí)現(xiàn);從處理器、電源管理與Wi-Fi低功耗模式闡述了低功耗的實(shí)現(xiàn);從右腿驅(qū)動(dòng)器(Right-leg drive,簡(jiǎn)稱RLD)、低噪聲電源、模擬前級(jí)、有源電極、電磁隔離與屏蔽闡述了抗噪聲的實(shí)現(xiàn);從基于網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UserDatagramProtocol,簡(jiǎn)稱UDP)與傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol,簡(jiǎn)稱TCP)闡述了基本通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。軟件方面,本文開發(fā)了用于腦電傳感器的嵌入式軟件和用于個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的腦電信號(hào)采集應(yīng)用軟件。嵌入式軟件主要面向具體硬件,主要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)腦電傳感器設(shè)備,讀取模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalconverter,簡(jiǎn)稱ADC)數(shù)據(jù),使用Wi-Fi片上系統(tǒng)(System on Chip,簡(jiǎn)稱SoC)傳輸數(shù)據(jù),解析用戶指令并控制具體硬件狀態(tài),讀取電池電量數(shù)據(jù),控制電源管理系統(tǒng)并降低硬件功耗。計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件主要面向具體用戶,主要實(shí)現(xiàn)用戶交互界面,通過圖形界面顯示實(shí)時(shí)腦電圖形數(shù)據(jù),并在后臺(tái)處理腦電數(shù)據(jù)并校驗(yàn),同時(shí)進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、腦電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與云端同步。最終,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種腦電傳感器與腦電采集軟件。其中腦電傳感器可穿戴于人體,能夠成功采集幅值為1μV的微弱電信號(hào),并通過Wi-Fi無線技術(shù)接入局域網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)腦電數(shù)據(jù)。腦電采集軟件后端使用戶可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上采集腦電數(shù)據(jù),能夠語音提示用戶,指導(dǎo)用戶操作,并顯示實(shí)時(shí)腦電圖。整個(gè)方案達(dá)到了便攜式腦機(jī)接口應(yīng)用對(duì)腦電采集的技術(shù)要求,硬件做到了小體積、低功耗與高精度,軟件做到了易于用戶使用。本文所實(shí)現(xiàn)的腦機(jī)接口解決方案已經(jīng)在抑郁風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)與眼電人機(jī)交互系統(tǒng)中得到驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用。抑郁風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)使用本文的腦機(jī)接口解決方案獲得腦電數(shù)據(jù),可以對(duì)使用者的心理壓力狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并輔助專業(yè)心理醫(yī)生評(píng)估使用者抑郁傾向。眼電人機(jī)交互系統(tǒng)應(yīng)用本文的腦機(jī)接口解決方案,從腦電信號(hào)中提取眼電信號(hào),根據(jù)眼電信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN92;R-05
【部分圖文】：

３．１腦機(jī)接口系統(tǒng)總體框架逡逑腦機(jī)接口系統(tǒng)主要由腦機(jī)接口使用者、腦電傳感器、腦電采集與處理軟件組逡逑成，如下圖３－１所示。其中腦機(jī)接口使用者一般是指人類，主要提供可以被采集逡逑的腦電信號(hào)；腦電傳感器是腦機(jī)接口的硬件前端，主要功能是將腦電信號(hào)數(shù)字化；逡逑腦電采集與處理軟件是腦機(jī)接口的軟件后端，主要功能是接收腦電傳感器數(shù)據(jù)并逡逑進(jìn)行處理。逡逑ｒ邋—邐＊邐邐邐邐逡逑Ｉ邐ｒ邐邐邋＾—邐？＞邋１逡逑Ｖ＂＿丨：逡逑：：邐ｉ腦電采集與｜邐：逡逑使用者；邐丨腦電傳感器：邐：處理軟件逡逑Ｉ邐ｊ邐）邐Ｉ邐｜邐！邐１邐Ｉ邋１逡逑；邋腦機(jī)接口系統(tǒng)邐Ｌ邋——啤瑪—接？日＿車欠＿５更件邐！邋Ｉ逡逑圖３－１腦機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逡逑３．２腦機(jī)接口硬件結(jié)構(gòu)逡逑本文的腦機(jī)接口硬件主要使用Ｗｉ－Ｆｉ片上系統(tǒng)與高精度模擬／數(shù)字（Ａ／Ｄ）轉(zhuǎn)逡逑換器作為核心構(gòu)建出低功耗、便攜的硬件電路，如下圖３－２所示。該電路可以將逡逑干電極采集到的腦電信號(hào)經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)在低逡逑功耗處理器與Ｗｉ－Ｆｉ片上系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字處理。逡逑６逡逑

３．１腦機(jī)接口系統(tǒng)總體框架逡逑腦機(jī)接口系統(tǒng)主要由腦機(jī)接口使用者、腦電傳感器、腦電采集與處理軟件組逡逑成，如下圖３－１所示。其中腦機(jī)接口使用者一般是指人類，主要提供可以被采集逡逑的腦電信號(hào)；腦電傳感器是腦機(jī)接口的硬件前端，主要功能是將腦電信號(hào)數(shù)字化；逡逑腦電采集與處理軟件是腦機(jī)接口的軟件后端，主要功能是接收腦電傳感器數(shù)據(jù)并逡逑進(jìn)行處理。逡逑ｒ邋—邐＊邐邐邐邐逡逑Ｉ邐ｒ邐邐邋＾—邐？＞邋１逡逑Ｖ＂＿丨：逡逑：：邐ｉ腦電采集與｜邐：逡逑使用者；邐丨腦電傳感器：邐：處理軟件逡逑Ｉ邐ｊ邐）邐Ｉ邐｜邐！邐１邐Ｉ邋１逡逑；邋腦機(jī)接口系統(tǒng)邐Ｌ邋——啤瑪—接？日＿車欠＿５更件邐！邋Ｉ逡逑圖３－１腦機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逡逑３．２腦機(jī)接口硬件結(jié)構(gòu)逡逑本文的腦機(jī)接口硬件主要使用Ｗｉ－Ｆｉ片上系統(tǒng)與高精度模擬／數(shù)字（Ａ／Ｄ）轉(zhuǎn)逡逑換器作為核心構(gòu)建出低功耗、便攜的硬件電路，如下圖３－２所示。該電路可以將逡逑干電極采集到的腦電信號(hào)經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)在低逡逑功耗處理器與Ｗｉ－Ｆｉ片上系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字處理。逡逑６逡逑

處理器將數(shù)據(jù)通過ｔｃｐ／ｉｐ協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。逡逑３．３．１．〗低功耗ＭＣＵ軟件逡逑低功耗ＭＣＵ軟件，如下圖３－３所示，主要是指運(yùn)行在微混合處理器逡逑ＭＳＰ４３０ＦＲ５９６９之上的應(yīng)用軟件。該軟件使用Ｃ語言開發(fā)，使用ｍｓｐ－ｇｃｃ編譯。逡逑該軟件主要由管理程序、ＧＰＩＯ驅(qū)動(dòng)模塊、ＳＰＩ驅(qū)動(dòng)模塊、Ｉ２Ｃ驅(qū)動(dòng)模塊、高精逡逑度ＡＤＣ驅(qū)動(dòng)模塊、ＵＡＲＴ驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理驅(qū)動(dòng)模塊逡逑組成。逡逑ｆ邐＞逡逑１邋＼邐＊邐：：—邐邐邐：邐邐邐邐邋！逡逑１邋Ｉ邐？＂邐邋Ｉ逡逑管理程序逡逑？邋Ｉ邐？邐Ａ．邐Ａ邐▲邐！邐＊邋１逡逑邐Ｔ＿＇、ｒ邐邐邐邐邐ｐ邐邐邋；；逡逑精度ＡＤＣ邋；邐丨電源管理丨丨姿態(tài)傳感器：逡逑：驅(qū)動(dòng)模塊邐丨邐丨驅(qū)動(dòng)模塊：｜驅(qū)動(dòng)模塊逡逑：；二＝Ｃ：二邋邐二彶�。殄义希樱校蛇姡椋颍簦檫姡保玻捱姡捱姡哄澹眨粒遥藻义�！驅(qū)動(dòng)潛塊巧驅(qū)動(dòng)蹇塊，ｆ驅(qū)動(dòng)ｆ塊」ｉ翌動(dòng)模塊逡逑底層硬件逡逑圖３－３低功耗ＭＣＵ軟件結(jié)構(gòu)逡逑管理程序主要功能是初始化硬件系統(tǒng)，通過調(diào)用各個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)腦電傳感器逡逑的控制邏輯與業(yè)務(wù)邏輯。ＧＰＩＯ驅(qū)動(dòng)模塊主要實(shí)現(xiàn)ＧＰＩＯ的輸入輸出控制、內(nèi)部逡逑上下拉控制與中斷控制。在總線接口不夠用時(shí)，ＧＰＩＯ模塊可以為其他總線提供逡逑軟件模擬服務(wù)。ＳＰＩ驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)ＳＰＩ總線的設(shè)備讀寫，其中硬件ＳＰＩ逡逑通過調(diào)用芯片寄存器實(shí)現(xiàn)

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本文編號(hào)：2829609