便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)及其運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含：采集電極，其對應(yīng)設(shè)置于被測目標(biāo)的腦部位置，采集腦電數(shù)據(jù)；預(yù)處理模塊，其輸入端電路連接采集電極的輸出端；采集前端模塊，其輸入端電路連接預(yù)處理模塊的輸出端；控制發(fā)射模塊，其輸入端電路連接采集前端模塊的輸出端，其對采集前端模塊進(jìn)行采集控制，并通過無線通信輸出采集數(shù)據(jù)；電源電路，其電路連接采集前端模塊和控制發(fā)射模塊；上位機(jī)，其無線連接控制發(fā)射模塊，發(fā)送控制命令并接收腦電采集數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用干電極代替濕電極，舒適安全：采用干電極不依賴于導(dǎo)電介質(zhì)，操作方便，對人體不會造成感染和損傷，具有便攜式、低功耗、高精度的特點(diǎn)。
【專利說明】便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)及其運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)工程，具體涉及一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]EEG常用于腦部疾病的醫(yī)療診斷、腦-機(jī)接口(Brain-computer interface, BCI )、游戲系統(tǒng)應(yīng)用方面，在疲勞駕駛方面也有較多應(yīng)用。對醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展和人類生活水平的提高起著非常重要的推動作用。
[0003]由于腦電采集設(shè)備在前端信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸形式的選擇有很多種方案，并且在轉(zhuǎn)換精度與功耗等技術(shù)上差異，因此現(xiàn)今市面上腦電信號采集裝置層出不窮。大部分實(shí)用化的腦電采集裝置在設(shè)計(jì)上仍存在一些不足:
1)在采集電極的使用上，傳統(tǒng)的采集電極使用的是表面濕電極，它需要配合導(dǎo)電膏使用，導(dǎo)電膏的缺失或蒸干將導(dǎo)致電極的信噪比變差甚至失效，同時還存在著電極準(zhǔn)備時間長、連續(xù)使用時間短、長期使用損害皮膚等缺點(diǎn)；
2)傳統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)都是由分離元器件搭建的，這樣一般會帶來體積相對較大、功耗比較高不便于攜帶等缺點(diǎn)；
3)在數(shù)據(jù)傳輸形式上，大部分腦電采集系統(tǒng)都采用有線的方式，由于有大量的連接線使得被測人員在進(jìn)行腦電采集時必須處于處理器旁(手持終端或者PC機(jī))，這樣會大大的降低腦電采集的靈活性并且會增加系統(tǒng)的總體體積；
4)盡管出現(xiàn)了少數(shù)的采集裝置具有較小的體積和無線傳輸特點(diǎn)，但是在數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗和實(shí)時性方面不夠好。`
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)及其運(yùn)行方法，采用干電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的表面濕電極，在滿足腦電信號相關(guān)應(yīng)用的需要前提下簡化腦電信號采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積和尺寸，在數(shù)據(jù)傳輸形式上采用無線傳輸形式，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)時性又保證系統(tǒng)具有極低的功耗。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，該系統(tǒng)包含:
采集電極，其對應(yīng)設(shè)置于被測目標(biāo)的腦部位置，采集腦電數(shù)據(jù)；
預(yù)處理模塊，其輸入端電路連接采集電極的輸出端；
采集前端模塊，其輸入端電路連接預(yù)處理模塊的輸出端；
控制發(fā)射模塊，其輸入端電路連接采集前端模塊的輸出端，其對采集前端模塊進(jìn)行采集控制，并通過無線通信輸出采集數(shù)據(jù)；
電源電路，其電路連接采集前端模塊和控制發(fā)射模塊；
上位機(jī)，其無線連接控制發(fā)射模塊，發(fā)送控制命令并接收腦電采集數(shù)據(jù)。[0006]上述采集電極采用微針式干電極，其包含:
金屬電極，其電極尖端接觸被測目標(biāo)腦部對應(yīng)處的皮膚或直接穿透皮膚角質(zhì)層；
金屬寸板，金屬電極并列分布在金屬寸板上；
接線端子，其電路連接金屬寸板，金屬寸板通過接線端子連接后續(xù)的系統(tǒng)模塊；
上述金屬電極與金屬寸板外包覆有絕緣聚合物，金屬電極的電極尖端伸出絕緣聚合
物；
上述金屬寸板與接線端子之間的連接部分包覆有固定絕緣硅膠。
[0007]上述預(yù)處理模塊包含二階無源濾波器，該二階無源濾波器輸出端還通過正接的二極管連接至模擬正工作電壓，還通過反接的二極管連接至模擬負(fù)工作電壓。
[0008]上述采集前端模塊包含接其輸入端的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出端的放大模塊，放大模塊接采集前端模塊輸出端。
[0009]上述采集前端模塊還連接有偏置驅(qū)動模塊，該偏置驅(qū)動模塊組成閉環(huán)反饋回路。
[0010]上述采集前端模塊與控制發(fā)射模塊通過SPI接口通信連接。
[0011]上述控制發(fā)射模塊通過wifi無線訪問接入點(diǎn)連接上位機(jī)；上位機(jī)還通過以太網(wǎng)連接遠(yuǎn)程主機(jī)。
[0012]一種上述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特點(diǎn)是，該運(yùn)行方法包含:
采集系統(tǒng)冷啟動并完成系統(tǒng)初始化配置后進(jìn)入應(yīng)用程序任務(wù)；
應(yīng)用程序任務(wù)為進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送；
任務(wù)完成后米集系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
[0013]上述腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送包含:
數(shù)據(jù)采集線程入口啟動，SPI接口初始化，配置采集前端模塊；
控制發(fā)射模塊讀取采集前端模塊采集的腦電數(shù)據(jù)；
判斷腦電數(shù)據(jù)有效后對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包；
通過無線通信發(fā)送腦電數(shù)據(jù)。
[0014]在待機(jī)狀態(tài)過程中,通過人工干預(yù)再次熱啟動或系統(tǒng)定時自動進(jìn)行熱啟動。
[0015]本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)及其運(yùn)行方法和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明選擇使用易于穿戴的干電極，選擇干電極作為采集帽，舒適安全:采用干電極不依賴于導(dǎo)電介質(zhì)，操作方便，對人體不會造成感染和損傷；
本發(fā)明在設(shè)計(jì)時采用的是低功耗的集成芯片，并且使用無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此使用者不易受環(huán)境制約，設(shè)備輕巧、功耗低便于攜帶；
本發(fā)明電路無需過多 的外圍設(shè)備擴(kuò)展，減小設(shè)備體積，降低功耗的同時減小開發(fā)成
本；
本發(fā)明在數(shù)據(jù)無線發(fā)射方面，W1-Fi傳輸模塊能夠達(dá)到IlM的最高發(fā)送速率，一般的平均速率也高達(dá)2M,具有高數(shù)據(jù)傳輸率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)造圖；
圖2為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的采集電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的采集電極的等效電路圖；
圖5為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的預(yù)處理模塊的電路圖；
圖6為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的采集前端模塊的電路圖；
圖7為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的偏置驅(qū)動模塊的電路圖；
圖8為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的電源電路圖；
圖9為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的采集前端模塊和控制發(fā)射模塊的連接圖；
圖10為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的主運(yùn)行方法流程圖；
圖11為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送的流程圖；
圖12為本發(fā)明便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。`
[0018]如圖1所示，本發(fā)明公開一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的實(shí)施例，實(shí)際構(gòu)造圖中，無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)從被測目標(biāo)處采集腦電模擬數(shù)據(jù)，通過802.11規(guī)則W1-FI無線與本地服務(wù)器建立連接，將腦電數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)內(nèi)無線訪問接入點(diǎn)(AP)發(fā)送至局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器，該局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器將數(shù)據(jù)再通過以太網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程電腦(遠(yuǎn)程主機(jī))。
[0019]該便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺是一個網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)平臺，腦電信號提供者(被測目標(biāo))通過佩戴在頭上的袖珍生理采集電極獲取到模擬腦電信號，經(jīng)過相關(guān)模擬預(yù)處理電路后、對信號放大再進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，再通過無線W1-Fi模塊把采集到的數(shù)字化數(shù)據(jù)通過設(shè)置的無線AP發(fā)送到指定的IP地址上位機(jī)(局域網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器)上，利用上位機(jī)豐富的軟硬件資源對接受到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)字算法分析和處理或者利用以太網(wǎng)發(fā)送到一個遠(yuǎn)程主機(jī)上進(jìn)行更進(jìn)一步的處理，此系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)腦電采集系統(tǒng)在時間和空間上的局限性，滿足了腦電采集所需要的便攜式、可移動、低功耗以及實(shí)時性等特點(diǎn)。
[0020]如圖2所示，便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)具體包含:采集電極1、預(yù)處理模塊2、采集前端模塊3、偏置驅(qū)動模塊(BIAS Drive) 4、控制發(fā)射模塊5、電源電路6、上位機(jī)7、無線訪問接入點(diǎn)8。
[0021]預(yù)處理模塊2輸入端電路連接采集電極I的輸出端。采集前端模塊3輸入端電路連接預(yù)處理模塊2的輸出端。采集前端模塊3中集成有偏置驅(qū)動模塊4?？刂瓢l(fā)射模塊5輸入端電路連接采集前端模塊3的輸出端，其對采集前端模塊3進(jìn)行采集控制，并通過無線通信輸出采集數(shù)據(jù)。電源電路6電路連接采集前端模塊3和控制發(fā)射模塊5，為系統(tǒng)的該兩個模塊供電。上位機(jī)7通過無線訪問接入點(diǎn)(AP) 8無線連接控制發(fā)射模塊5，發(fā)送控制命令并接收腦電采集數(shù)據(jù)。
[0022]采集電極I對應(yīng)設(shè)置于被測目標(biāo)的腦部位置，用于采集腦電數(shù)據(jù)。針對傳統(tǒng)濕電極存在著眾多缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)出一種使用簡單方便的干電極——有源微針陣列干電極，來取代傳統(tǒng)濕電極。我們采用金屬銀作為電極的材料，其形式常采用雙極型，并在兩電極間插入一個參考電極，以降低噪聲，提高對共模信號的抑制能力。我們在設(shè)計(jì)電極時前端采取鈍化處理，因此在與大腦皮層得到充分接觸時，不會傷害到被采集者的大腦皮層。在電氣隔離上，我們采用信號通路隔離和電源供應(yīng)隔離，以保護(hù)受試者的安全。
[0023]如圖3所示，采集電極I包含有金屬電極11，其電極尖端接觸被測目標(biāo)腦部對應(yīng)處的皮膚或直接穿透皮膚角質(zhì)層。若干金屬電極11并列分布在金屬寸板12上。金屬寸板12通過接線端子13連接后續(xù)的系統(tǒng)模塊。在金屬電極11與金屬寸板12外包覆有絕緣聚合物14。金屬電極11的電極尖端伸出絕緣聚合物14。金屬寸板12與接線端子13之間的連接部分包覆有固定絕緣硅膠15。
[0024]微針式干電極不需要使用導(dǎo)電膏，與皮膚的界面通常依靠其濕度(如汗水)來維系，這與傳統(tǒng)Ag/AgCl濕電極法最大的不同。如圖4所示為其等效電路圖，電容Zd與電阻Rd來源于電極微針與生發(fā)層直接接觸產(chǎn)生的電化學(xué)界面，Rm為生發(fā)層及其下組織的等效電阻。由于接觸式干電極等效電路圖與傳統(tǒng)濕電極等效電阻相比要簡單很多，因此接觸式干電極總體阻抗小于傳統(tǒng)濕電極，并且具有更低的化學(xué)噪聲。
[0025]如圖5所示，由于腦電信號頻率只有0.5~100Hz，實(shí)驗(yàn)分析的有效范圍一般在
0.5~30Hz。因此每個通道的信號都必須經(jīng)過預(yù)處理電路才能進(jìn)入轉(zhuǎn)換通道。本發(fā)明采集電極I的輸出端電路連接有預(yù)處理模塊2，用于對采集的腦電模擬信號進(jìn)行預(yù)處理，起到高階低通濾波和濾除大幅度信號和過壓保護(hù)的作用。預(yù)處理模塊2包含二階無源濾波器，二階無源濾波器包含串聯(lián)的電阻R51和電阻R52，以及由R51與R52之間通過電容C51模擬接地(AGND)，二階無源濾波器輸出端處通過電容C52接模擬地(AGND)。其中電阻R51為59K歐姆，電阻R52為59K歐姆，電容C51為33納法(uF)，電容C52同樣為33納法。二階無源濾波器輸出端連接至預(yù)處理模塊2的輸出端，在二階無源濾波器輸出端處通過正接(二極管正極接二階無源濾波器)的 二極管D51接模擬正工作電壓(AVDD)，并通過反接(二極管負(fù)極接二階無源濾波器)的二極管D52接模擬負(fù)工作電壓(AVSS)。
[0026]其限幅原理是取二極管的單向?qū)ㄌ匦?，可通過電壓幅值為±700mV ;而電路的濾波特性則是采用傳統(tǒng)的二階無源低通濾波電路結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算可以得到在選取電阻為59K歐姆，電容為33納法時，可以得到fH=30.46Hz可以達(dá)到有效的通帶范圍。
[0027]如圖6所示，采集前端模塊3輸入端電路連接預(yù)處理模塊2的輸出端。采集前端模塊3包含接其輸入端的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出端的放大模塊，放大模塊接采集前端模塊3輸出端。
[0028]本實(shí)施例中采集前端模塊3采用專門針對EEG信號采集而設(shè)計(jì)的高端信號采集芯片ADS1299。系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換精度高達(dá)24bit，采用差分形式進(jìn)行輸入，共模抑制比高達(dá)IlOdB,且內(nèi)部集成有了可編程放大器(PGA)再配合ADS1299集成的偏置驅(qū)動電路4 (BIAS)，能夠很好地保證系統(tǒng)抗干擾和采集精度要求。
[0029]雖然信號經(jīng)過了外接的前置信號預(yù)處理和ADS1299內(nèi)置的差分電路輸入，對共模干擾有較強(qiáng)的抑制能力，但是有些干擾以差分的形式存在，并且在還存在較強(qiáng)的工頻干擾，尤其是50/60HZ家用供電干擾。我們可以利用ADS1299內(nèi)置的偏置驅(qū)動模塊，加上很少的元器件就可以設(shè)計(jì)出一個偏置閉環(huán)回路。
[0030]如圖7所示，為偏置驅(qū)動模塊4的電路原理圖，可變電阻Res起到限流保護(hù)作用，因?yàn)楦鶕?jù)NFPA安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流經(jīng)人體的最大電流不能超過20--八；容(；的作用是進(jìn)行相位補(bǔ)償，防止放大電路產(chǎn)生自激而失去放大作用；在8^^ AMP運(yùn)放正參考端為(AVDD+AVSS)/2時，就形成了如上圖所示的一個閉環(huán)反饋回路，能有效的抑制共模干擾。
[0031]如圖8所示，為電源電路6的電路原理圖，由于系統(tǒng)各個模塊的電源要求各不相同，并且考慮到系統(tǒng)的采集精度非常高，采集轉(zhuǎn)換過程中需要的參考電壓就要求很高，所以設(shè)計(jì)了電源電路6，在系統(tǒng)電路中，需要供電的電壓有數(shù)字電壓DVDD:+3.3V、模擬電壓正端AVDD:+2.5V、模擬電壓負(fù)端AVSS:-2.5V。其中DVDD選擇的是AMS公司的AMSl117-3.3V電源芯片，它是一個正向低壓差電源芯片，輸出電壓溫度穩(wěn)定性為0.3%,由于該芯片輸出電壓非常穩(wěn)定，因此一般只需要連接一個22--F的電容即可；二隊(duì)系統(tǒng)模擬供電部分，都是采用TI公司的電源芯片，AVDD選取的是TPS72301，而AVSS部分是由TPS60403獲得一個-5V電壓再輸入到TPS72301得到一個2.5V的電壓。
[0032]這些電源芯片能夠很好地滿足系統(tǒng)的數(shù)模供電要求，在實(shí)際使用中我們可直接通過+5V電源對相關(guān)電源芯片進(jìn)行供電。
[0033]本實(shí)施例中，控制發(fā)射模塊5采用Gain-Span公司的SoC芯片GSlOlI。GSlOlI芯片集成有兩個ARM7微處理芯片，一個用于W1-Fi協(xié)議的編解碼，另一個用于應(yīng)用系統(tǒng)，且其具有非常多的外設(shè)及接口資源，可以方便的利用其集成的SPI接口控制并與外設(shè)進(jìn)行通信；在數(shù)據(jù)無線傳輸方面，能夠達(dá)到IlMBps的最高發(fā)送速率，一般的平穩(wěn)速率也高達(dá)3MBps，而其功耗只與zig-bea芯片相當(dāng)。
[0034]如圖9所示，為采集前端模塊3中ADS1299芯片與控制發(fā)射模塊5中GSlOll芯片的連接示意圖。ADS1299芯片的控制、寄存器的配置以及采集的數(shù)字化數(shù)據(jù)都是通過SPI接口完成的。ADS1299數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片主要是通過四線制SPI接口與外圍GSlOll控制發(fā)射芯片通信的。但是考慮到GSlOll的IO資源非常寶貴，所以在對ADS1299進(jìn)行控制處理時，盡量選取了采用軟件指令對其控制的形式。因此這兩個模塊采用5條連接線:MSPI_CLK、MSPI_DIN、MSPI_D0UT、CS、DRDY0 [0035]其中配置GSlOll的25號端口即I2C_CLK/GP109為通用IO 口功能，然后再與ADS1299的SPI片選段CS進(jìn)行連接；相應(yīng)的26號端口即I2CDATA/GP108同樣通過配置函數(shù)配置成通用IO端口作為單詞采集好的的中端信號輸入口，然后與ADS1299的DRDY管腳相連接。余下的三個端口鏈接為SPI數(shù)據(jù)通信的輸入端口、輸出端口、時鐘端口，連接方式是 MSPI_CLK-SCLK、MSPI_DIN-DIN、MSPI_D0UT--DOUT。
[0036]控制發(fā)射模塊5通過SPI接口與采集前端模塊3連接通信，接收腦電信息，通過WIFI遠(yuǎn)程發(fā)送至上位機(jī)。
[0037]上位機(jī)為使用Visual C++6.0編寫的PC，用于人機(jī)交互，用來發(fā)送控制命令和顯示并保存采集到的腦電數(shù)據(jù)。
[0038]上位機(jī)在VC6.0的環(huán)境下開發(fā)，選好通信方式，通信協(xié)議，用Socket網(wǎng)絡(luò)通信編程，把采集的腦電數(shù)據(jù)發(fā)送給作為服務(wù)器一端的電腦，這臺電腦與無線AP連接上之后就能在互聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)了。該通信方式提供了連接的三個參數(shù):通信協(xié)議(TCP/IP)、IP地址、端口號(一般大于1024), Socket特別適合點(diǎn)對點(diǎn)、Client/Server的通信模式。
[0039]如圖10所示，本發(fā)明還公開一種適用于便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的總運(yùn)行方法，該運(yùn)行方法總體包含:采集系統(tǒng)冷啟動并完成系統(tǒng)初始化配置后進(jìn)入應(yīng)用程序任務(wù)；應(yīng)用程序任務(wù)為進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送；任務(wù)完成后采集系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
[0040]運(yùn)行方法具體如下:
當(dāng)采集系統(tǒng)冷啟動，開啟低功耗時鐘、高頻時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、初始化配置，中斷控制器、系統(tǒng)控制器、看門狗時鐘初始化，創(chuàng)建應(yīng)用線程(應(yīng)用程序任務(wù)為進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送)，在進(jìn)入應(yīng)用線程時也開啟操作系統(tǒng)內(nèi)核，初始化主機(jī)接口硬件郵箱mailbox，初始化任務(wù)監(jiān)測、注冊和開啟，初始化核心(core)組件WLAN系統(tǒng)(WLAN SYS)，注冊啟動指示回調(diào)函數(shù)，開始監(jiān)聽郵箱mail box,然后等待啟動指示，當(dāng)收到啟動之時進(jìn)行處理，判斷啟動原因若是正常操作則繼續(xù)，判斷是否要關(guān)聯(lián)若是，則關(guān)聯(lián)一個指定的AP，關(guān)聯(lián)成功后分別進(jìn)行:系統(tǒng)時間同步(time sync);發(fā)送keep-alive或linkup trap消息；系統(tǒng)參數(shù)配置；開始用戶應(yīng)用任務(wù)，系統(tǒng)時間同步完成后調(diào)度下次喚醒時間；發(fā)送keep-alive或linkup trap消息后調(diào)度下次喚醒時間；系統(tǒng)參數(shù)配置調(diào)度下次配置時間；開始用戶應(yīng)用任務(wù)后調(diào)度下次運(yùn)行時間。完成后把狀態(tài)信息存儲到時鐘存儲器RTC RAM中準(zhǔn)備待機(jī)，開啟喚醒時鐘報警端口活動并進(jìn)入待機(jī)。在待機(jī)狀態(tài)過程中，可通過人工干預(yù)再次熱啟動或系統(tǒng)定時自動進(jìn)行熱啟動。
[0041]從圖10可以看出，系統(tǒng)的啟動與處理過程相對比較復(fù)雜，有冷啟動和熱啟動之分。采集系統(tǒng)在每次冷啟動并完成系統(tǒng)相關(guān)配置后會進(jìn)入應(yīng)用程序任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成后系統(tǒng)會進(jìn)到待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)過程中，可以人工干預(yù)再次啟動也可以由軟件中的定時器自動回復(fù)進(jìn)行熱啟動。系統(tǒng)啟動過程中的第一個需要處理的消息就是系統(tǒng)啟動消息，根據(jù)系統(tǒng)的啟動消息進(jìn)行相應(yīng)的配置和初始化工作。在完成相關(guān)的系統(tǒng)初始化后，就會進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用程序任務(wù)的創(chuàng)建，這是系統(tǒng)創(chuàng)建的第一個線程，對這個線程的調(diào)度運(yùn)行是在操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動以后開始的。
[0042]在完成系統(tǒng)和外設(shè)的初始化后，內(nèi)核開始工作，對系統(tǒng)消息和用戶消息進(jìn)行處理調(diào)度。系統(tǒng)會進(jìn)入到循環(huán)消息處理，這時應(yīng)用線程就能夠從消息郵箱Mail-Box中獲取系統(tǒng)所投遞的消息來執(zhí)行相關(guān)的工作。消息循環(huán)處理過程最主要的任務(wù)就是數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送，其執(zhí)行流程圖如下:
如圖11所示，腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送包含:數(shù)據(jù)采集線程入口啟動；系統(tǒng)IO端口初始化；SPI接口初始化；配置采集前端模塊ADS1299。
[0043]開啟系統(tǒng)中斷，判斷中斷標(biāo)志是否為1，若是則關(guān)閉系統(tǒng)中斷，若否則繼續(xù)判斷。
[0044]關(guān)閉系統(tǒng)中斷后控制發(fā)射模塊讀取采集前端模塊采集的腦電數(shù)據(jù)。
[0045]判斷腦電數(shù)據(jù)有效后對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包；并通過無線WIFI通信發(fā)送腦電數(shù)據(jù)。
[0046]當(dāng)中斷標(biāo)志為0，則開啟系統(tǒng)中斷，并實(shí)時判斷中斷標(biāo)志是否為1，循環(huán)進(jìn)行。
[0047]在完成數(shù)據(jù)采集后我們需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包使用W1-Fi發(fā)送到上位機(jī)界面顯示或保存起來。這里我們使用UDP的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。我們采用擴(kuò)展數(shù)據(jù)包格式(EDPF)來封裝采集數(shù)據(jù)，EDPF格式具有簡單、易擴(kuò)展、前向兼容等特點(diǎn)。EDPF格式各數(shù)據(jù)與格式如圖12所不。
[0048]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包含: 采集電極(I)，其對應(yīng)設(shè)置于被測目標(biāo)的腦部位置，采集腦電數(shù)據(jù)； 預(yù)處理模塊(2)，其輸入端電路連接所述采集電極(I)的輸出端； 采集前端模塊(3)，其輸入端電路連接所述預(yù)處理模塊(2)的輸出端； 控制發(fā)射模塊(5 )，其輸入端電路連接所述采集前端模塊(3 )的輸出端，其對采集前端模塊(3)進(jìn)行采集控制，并通過無線通信輸出采集數(shù)據(jù)； 電源電路(6)，其電路連接所述的采集前端模塊(3)和控制發(fā)射模塊(5)； 上位機(jī)(7)，其無線連接所述的控制發(fā)射模塊(5)，發(fā)送控制命令并接收腦電采集數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述采集電極(I)采用微針式干電極，其包含: 金屬電極(11 )，其電極尖端接觸被測目標(biāo)腦部對應(yīng)處的皮膚或直接穿透皮膚角質(zhì)層； 金屬寸板(12),所述金屬電極(11)并列分布在金屬寸板(12)上； 接線端子(13)，其電路連 接金屬寸板(12)，金屬寸板(12)通過接線端子(13)連接后續(xù)的系統(tǒng)模塊； 所述金屬電極(11)與金屬寸板(12 )外包覆有絕緣聚合物，金屬電極(11)的電極尖端伸出絕緣聚合物； 所述金屬寸板(12)與接線端子(13)之間的連接部分包覆有固定絕緣硅膠。
3.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)處理模塊(2)包含二階無源濾波器，該二階無源濾波器輸出端還通過正接的二極管連接至模擬正工作電壓，還通過反接的二極管連接至模擬負(fù)工作電壓。
4.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述采集前端模塊(3 )包含接其輸入端的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出端的放大模塊，放大模塊接采集前端模塊(3)輸出端。
5.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述采集前端模塊(3)還連接有偏置驅(qū)動模塊(4)，該偏置驅(qū)動模塊(4)組成閉環(huán)反饋回路。
6.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述采集前端模塊(3)與控制發(fā)射模塊(5)通過SPI接口通信連接。
7.如權(quán)利要求1所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)，其特征在于，所述控制發(fā)射模塊(5)通過wifi無線訪問接入點(diǎn)連接上位機(jī)(7);上位機(jī)(7)還通過以太網(wǎng)連接遠(yuǎn)程主機(jī)。
8.—種如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的便攜式無線腦電數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于，該運(yùn)行方法包含: 采集系統(tǒng)冷啟動并完成系統(tǒng)初始化配置后進(jìn)入應(yīng)用程序任務(wù)； 應(yīng)用程序任務(wù)為進(jìn)行腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送； 任務(wù)完成后米集系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)行方法，其特征在于，所述腦電數(shù)據(jù)的采集處理與發(fā)送包含: 數(shù)據(jù)采集線程入口啟動，SPI接口初始化，配置采集前端模塊； 控制發(fā)射模塊讀取采集前端模塊采集的腦電數(shù)據(jù)；判斷腦電數(shù)據(jù)有效后對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包； 通過無線通信發(fā)送腦電數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求8所述的運(yùn)行方法，其特征在于，在待機(jī)狀態(tài)過程中，通過人工干預(yù)再次熱啟動或系統(tǒng)定時自動進(jìn) 行熱啟動。
【文檔編號】A61B5/0478GK103767703SQ201410075988
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】謝宏, 李亞男, 姚楠, 夏斌, 楊文璐 申請人:上海海事大學(xué)