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关于无线脑电信号采集检测系统的方案设计分析
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2017-10-16
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一、项目概述
1.1 引言
脑电信号是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，经常用于脑部疾病、精神疾病、睡眠分析等脑科学相关研究，是大脑研究、生理研究、临床医学诊断的重要手段。因此，脑电信号采集系统具有非常重要的科学研究价值和临床诊断意义。我们采用了Cypress公司的可编程片上系统芯片CY8C3866来设计脑电信号无线采集系统。
Cypress公司的PSoC系列芯片是一种真正具有混合信号处理能力的可编程片上系统芯片（PSoC），片内集成了可编程的模拟与数字系统，可灵活配置用户所需的各种功能模块，这样提高了硬件开发的成功率、灵活性和可靠性。在本系统中我们设置了2导电极，它们采用单极导联方式，通过这2个电极对脑电信号进行同时采集，然后进行信号调理、A/D变换、MCU处理，再经由USB与计算机通信，将采集到的脑电图显示在显示器上并记录到电脑中，以便于人机交互和数据分析。
1.2 项目背景/选题动机
当今社会脑部疾病困扰了越来越多的人，是导致人类死亡的主要疾病之一。例如癫痫，它发作时对患者带来的痛苦和身心伤害，严重时甚至危及生命，患者若为儿童还将影响到身体和智力发育。据不完全统计，全国癫痫病患者总人数为900万人，每一年新增抱病人35万，其中儿童就占总癫痫病患者总人数的2/3，有癫痫专家指出儿童癫痫患者人数将持续走高。而癫痫的临床诊断一般都通过分析患者的脑电波来完成；再如脑中风、脑瘫、肌肉萎缩、多发性硬化等脑部及脊髓疾病都会损伤控制肌肉运动的神经通路或者损害肌肉本身，严重时将导致患者完全失去对肌肉的控制能力，不能以任何方式传递信息。然而可以通过实时采集监测脑电信号为大脑建立一条新型的信息与控制通道向外界传送信息和指令以实现患者与外界沟通交流的愿望。
二、需求分析
2.1 功能要求
（1） 增益可调节，以便处理信号幅值微弱且因人变化较大时的情况；
（2） 输入阻抗大，以便拾取的信号强；
（3） 高共模抑制比，消除工频及极化电压的干扰；
（4） 低噪声，以便提高信号的信噪比；
（5） 合适的带宽，以便有效的抑制噪声，提取有用信号；
（6） 高安全性，以确保人体的绝对安全；
（7） 硬件部分实现2导脑电信号采集；
（8） 2导采集到的脑电信号通过无线传输信号；
（9） 2导脑电信号在PC机上实时显示。
2.2 性能要求
（1） 系统分辨率，达到5V；
（2） 系统精度，达到模数转换的20位精度；
（3） 采样频率，达到128Hz；
（4） 无线通信距离，达到10m。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）
该项目主要由三个部分组成：脑电信号采集处理模块、无线数据收发模块和终端数据显示模块。系统设计采用以CY8C3866AXI为主微控制器的CY8CKIT-003开发板，将通过专用电极采集得到脑电信息，经过高精度高增益的放大电路和滤波预处理后送入主控制器（CY8C3866AXI）进行PSoc内部放大及A/D转换模块等处理，最后将处理得到的脑电信号传输到CyFi的节点RF Node，再通过CY8CKIT-003开发板上扩展RF Hub接收来自RF Node的脑电信息，利用USB控制芯片CY7C68013A控制与主机的USB数据传输。另外PC端设计上位机程序在线显示脑电信号。系统框图如下所示：
3.2 硬件平台选用及资源配置
硬件平台选用CY8CKIT-003
3.3系统软件架构
系统的软件设计主要包括：下位机（PSoC）程序编制和上位机（计算机）软件。下位机的主要任务是完成脑电信号的调理、采集和计算机通信等；上位机软件是用来实时显示脑电图、记录脑电数据以及完成对下位机的监控等。上位机软件用来同时显示2导脑电波形图。此外，我们也可以在PSoC芯片和计算机内部集成一些用户自己编制的相关算法程序，以实现脑电信号分析处理和脑机接口等方面的应用研究。
1.1 引言
脑电信号是由脑神经活动产生并且始终存在于中枢神经系统的自发性电位活动，含有丰富的大脑活动信息，经常用于脑部疾病、精神疾病、睡眠分析等脑科学相关研究，是大脑研究、生理研究、临床医学诊断的重要手段。因此，脑电信号采集系统具有非常重要的科学研究价值和临床诊断意义。我们采用了Cypress公司的可编程片上系统芯片CY8C3866来设计脑电信号无线采集系统。
Cypress公司的PSoC系列芯片是一种真正具有混合信号处理能力的可编程片上系统芯片（PSoC），片内集成了可编程的模拟与数字系统，可灵活配置用户所需的各种功能模块，这样提高了硬件开发的成功率、灵活性和可靠性。在本系统中我们设置了2导电极，它们采用单极导联方式，通过这2个电极对脑电信号进行同时采集，然后进行信号调理、A/D变换、MCU处理，再经由USB与计算机通信，将采集到的脑电图显示在显示器上并记录到电脑中，以便于人机交互和数据分析。
1.2 项目背景/选题动机
当今社会脑部疾病困扰了越来越多的人，是导致人类死亡的主要疾病之一。例如癫痫，它发作时对患者带来的痛苦和身心伤害，严重时甚至危及生命，患者若为儿童还将影响到身体和智力发育。据不完全统计，全国癫痫病患者总人数为900万人，每一年新增抱病人35万，其中儿童就占总癫痫病患者总人数的2/3，有癫痫专家指出儿童癫痫患者人数将持续走高。而癫痫的临床诊断一般都通过分析患者的脑电波来完成；再如脑中风、脑瘫、肌肉萎缩、多发性硬化等脑部及脊髓疾病都会损伤控制肌肉运动的神经通路或者损害肌肉本身，严重时将导致患者完全失去对肌肉的控制能力，不能以任何方式传递信息。然而可以通过实时采集监测脑电信号为大脑建立一条新型的信息与控制通道向外界传送信息和指令以实现患者与外界沟通交流的愿望。
二、需求分析
2.1 功能要求
（1） 增益可调节，以便处理信号幅值微弱且因人变化较大时的情况；
（2） 输入阻抗大，以便拾取的信号强；
（3） 高共模抑制比，消除工频及极化电压的干扰；
（4） 低噪声，以便提高信号的信噪比；
（5） 合适的带宽，以便有效的抑制噪声，提取有用信号；
（6） 高安全性，以确保人体的绝对安全；
（7） 硬件部分实现2导脑电信号采集；
（8） 2导采集到的脑电信号通过无线传输信号；
（9） 2导脑电信号在PC机上实时显示。
2.2 性能要求
（1） 系统分辨率，达到5V；
（2） 系统精度，达到模数转换的20位精度；
（3） 采样频率，达到128Hz；
（4） 无线通信距离，达到10m。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）
该项目主要由三个部分组成：脑电信号采集处理模块、无线数据收发模块和终端数据显示模块。系统设计采用以CY8C3866AXI为主微控制器的CY8CKIT-003开发板，将通过专用电极采集得到脑电信息，经过高精度高增益的放大电路和滤波预处理后送入主控制器（CY8C3866AXI）进行PSoc内部放大及A/D转换模块等处理，最后将处理得到的脑电信号传输到CyFi的节点RF Node，再通过CY8CKIT-003开发板上扩展RF Hub接收来自RF Node的脑电信息，利用USB控制芯片CY7C68013A控制与主机的USB数据传输。另外PC端设计上位机程序在线显示脑电信号。系统框图如下所示：
3.2 硬件平台选用及资源配置
硬件平台选用CY8CKIT-003
3.3系统软件架构
系统的软件设计主要包括：下位机（PSoC）程序编制和上位机（计算机）软件。下位机的主要任务是完成脑电信号的调理、采集和计算机通信等；上位机软件是用来实时显示脑电图、记录脑电数据以及完成对下位机的监控等。上位机软件用来同时显示2导脑电波形图。此外，我们也可以在PSoC芯片和计算机内部集成一些用户自己编制的相关算法程序，以实现脑电信号分析处理和脑机接口等方面的应用研究。
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