無線腦電信號采集檢測系統，方案設計，軟硬件實現

一、項目概述

1.1 引言

腦電信號是由腦神經活動產生并且始終存在于中樞神經系統的自發性電位活動，含有豐富的大腦活動信息，經常用于腦部疾病、精神疾病、睡眠分析等腦科學相關研究，是大腦研究、生理研究、臨床醫學診斷的重要手段。因此，腦電信號采集系統具有非常重要的科學研究價值和臨床診斷意義。我們采用了Cypress公司的可編程片上系統芯片CY8C3866來設計腦電信號無線采集系統。

Cypress公司的PSoC系列芯片是一種真正具有混合信號處理能力的可編程片上系統芯片（PSoC），片內集成了可編程的模擬與數字系統，可靈活配置用戶所需的各種功能模塊，這樣提高了硬件開發的成功率、靈活性和可靠性。在本系統中我們設置了2導電極，它們采用單極導聯方式，通過這2個電極對腦電信號進行同時采集，然后進行信號調理、A/D變換、MCU處理，再經由USB與計算機通信，將采集到的腦電圖顯示在顯示器上并記錄到電腦中，以便于人機交互和數據分析。

1.2 項目背景/選題動機

當今社會腦部疾病困擾了越來越多的人，是導致人類死亡的主要疾病之一。例如癲癇，它發作時對患者帶來的痛苦和身心傷害，嚴重時甚至危及生命，患者若為兒童還將影響到身體和智力發育。據不完全統計，全國癲癇病患者總人數為900萬人，每一年新增抱病人35萬，其中兒童就占總癲癇病患者總人數的2/3，有癲癇專家指出兒童癲癇患者人數將持續走高。而癲癇的臨床診斷一般都通過分析患者的腦電波來完成；再如腦中風、腦癱、肌肉萎縮、多發性硬化等腦部及脊髓疾病都會損傷控制肌肉運動的神經通路或者損害肌肉本身，嚴重時將導致患者完全失去對肌肉的控制能力，不能以任何方式傳遞信息。然而可以通過實時采集監測腦電信號為大腦建立一條新型的信息與控制通道向外界傳送信息和指令以實現患者與外界溝通交流的愿望。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 增益可調節，以便處理信號幅值微弱且因人變化較大時的情況；

(2) 輸入阻抗大，以便拾取的信號強；

(3) 高共模抑制比，消除工頻及極化電壓的干擾；

(4) 低噪聲，以便提高信號的信噪比；

(5) 合適的帶寬，以便有效的抑制噪聲，提取有用信號；

(6) 高安全性，以確保人體的絕對安全；

(7) 硬件部分實現2導腦電信號采集；

(8) 2導采集到的腦電信號通過無線傳輸信號；

(9) 2導腦電信號在PC機上實時顯示。

2.2 性能要求

(1) 系統分辨率，達到5V；

(2) 系統精度，達到模數轉換的20位精度；

(3) 采樣頻率，達到128Hz；

(4) 無線通信距離，達到10m。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理（除圖片外需有文字介紹）

該項目主要由三個部分組成：腦電信號采集處理模塊、無線數據收發模塊和終端數據顯示模塊。系統設計采用以CY8C3866AXI為主微控制器的CY8CKIT-003開發板，將通過專用電極采集得到腦電信息，經過高精度高增益的放大電路和濾波預處理后送入主控制器（CY8C3866AXI）進行PSoc內部放大及A/D轉換模塊等處理，最后將處理得到的腦電信號傳輸到CyFi的節點RF Node，再通過CY8CKIT-003開發板上擴展RF Hub接收來自RF Node的腦電信息，利用USB控制芯片CY7C68013A控制與主機的USB數據傳輸。另外PC端設計上位機程序在線顯示腦電信號。系統框圖如下所示：

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用CY8CKIT-003

3.3系統軟件架構

系統的軟件設計主要包括：下位機（PSoC）程序編制和上位機（計算機）軟件。下位機的主要任務是完成腦電信號的調理、采集和計算機通信等；上位機軟件是用來實時顯示腦電圖、記錄腦電數據以及完成對下位機的監控等。上位機軟件用來同時顯示2導腦電波形圖。此外，我們也可以在PSoC芯片和計算機內部集成一些用戶自己編制的相關算法程序，以實現腦電信號分析處理和腦機接口等方面的應用研究。

3.4 系統軟件流程（除圖片外需有文字介紹）

（1） 腦電信號采集的程序流程圖設計如下圖所示：

（2） 無線數據傳輸的程序流程圖設計如下圖所示：

（3） 上位機見面設計的程序流程圖設計如下圖所示：

3.5 系統預計實現結果

在PC機上能實時監測采集到的腦電信號，預測在PC機上顯示的效果如下圖所示；