基于Wi-Fi的便携式脑机接口关键技术研究

发布时间：2020-09-29 10:35

　　 脑机接口(Brain-computerinterface,BCI)可以连接人类的大脑与计算机,从而实现脑电活动监测、运动想象控制等。无论在临床医学、心理与认知科学方面,还是在机械控制、智能物联网应用等方面,脑机接口技术都有举足轻重的地位与不可估量的发展潜力。过去的脑机接口设备体积与功耗都非常大,为脑机接口的实际使用与商业化带来障碍。为解决此问题,本文针对脑机接口的便携化、低功耗技术等方面进行了深入研究,设计了一种基于Wi-Fi的脑机接口方案,使得脑机接口技术可以在更宽的领域得到应用。本文从硬件与软件两个方面具体研究了脑机接口的关键技术。硬件方面,本文研究了便携化、低功耗、抗噪声与Wi-Fi通信。本文从印刷电路板(Printed circuit board,简称PCB)工艺、器件选型等方面阐述了便携化的实现;从处理器、电源管理与Wi-Fi低功耗模式阐述了低功耗的实现;从右腿驱动器(Right-leg drive,简称RLD)、低噪声电源、模拟前级、有源电极、电磁隔离与屏蔽阐述了抗噪声的实现;从基于网络的用户数据报协议(UserDatagramProtocol,简称UDP)与传输控制协议(Transmission Control Protocol,简称TCP)阐述了基本通信技术的实现。软件方面,本文开发了用于脑电传感器的嵌入式软件和用于个人计算机系统的脑电信号采集应用软件。嵌入式软件主要面向具体硬件,主要实现驱动脑电传感器设备,读取模拟数字转换器(Analog-to-digitalconverter,简称ADC)数据,使用Wi-Fi片上系统(System on Chip,简称SoC)传输数据,解析用户指令并控制具体硬件状态,读取电池电量数据,控制电源管理系统并降低硬件功耗。计算机端应用软件主要面向具体用户,主要实现用户交互界面,通过图形界面显示实时脑电图形数据,并在后台处理脑电数据并校验,同时进行脑电数据格式转换、脑电数据存储与云端同步。最终,本文设计并实现了一种脑电传感器与脑电采集软件。其中脑电传感器可穿戴于人体,能够成功采集幅值为1μV的微弱电信号,并通过Wi-Fi无线技术接入局域网传输实时脑电数据。脑电采集软件后端使用户可以在个人计算机上采集脑电数据,能够语音提示用户,指导用户操作,并显示实时脑电图。整个方案达到了便携式脑机接口应用对脑电采集的技术要求,硬件做到了小体积、低功耗与高精度,软件做到了易于用户使用。本文所实现的脑机接口解决方案已经在抑郁风险预测系统与眼电人机交互系统中得到验证与实际应用。抑郁风险预测系统使用本文的脑机接口解决方案获得脑电数据,可以对使用者的心理压力状态进行长期监测并辅助专业心理医生评估使用者抑郁倾向。眼电人机交互系统应用本文的脑机接口解决方案,从脑电信号中提取眼电信号,根据眼电信号实现机器人控制。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN92;R-05
【部分图文】：

３．１脑机接口系统总体框架逡逑脑机接口系统主要由脑机接口使用者、脑电传感器、脑电采集与处理软件组逡逑成，如下图３－１所示。其中脑机接口使用者一般是指人类，主要提供可以被采集逡逑的脑电信号；脑电传感器是脑机接口的硬件前端，主要功能是将脑电信号数字化；逡逑脑电采集与处理软件是脑机接口的软件后端，主要功能是接收脑电传感器数据并逡逑进行处理。逡逑ｒ邋—逦＊逦逦逦逦逡逑Ｉ逦ｒ逦逦邋＾—逦？＞邋１逡逑Ｖ＂＿丨：逡逑：：逦ｉ脑电采集与｜逦：逡逑使用者；逦丨脑电传感器：逦：处理软件逡逑Ｉ逦ｊ逦）逦Ｉ逦｜逦！逦１逦Ｉ邋１逡逑；邋脑机接口系统逦Ｌ邋——啤玛—接？日＿车欠＿５更件逦！邋Ｉ逡逑图３－１脑机接口系统结构逡逑３．２脑机接口硬件结构逡逑本文的脑机接口硬件主要使用Ｗｉ－Ｆｉ片上系统与高精度模拟／数字（Ａ／Ｄ）转逡逑换器作为核心构建出低功耗、便携的硬件电路，如下图３－２所示。该电路可以将逡逑干电极采集到的脑电信号经过Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，并将数字信号在低逡逑功耗处理器与Ｗｉ－Ｆｉ片上系统中进行数字处理。逡逑６逡逑

３．１脑机接口系统总体框架逡逑脑机接口系统主要由脑机接口使用者、脑电传感器、脑电采集与处理软件组逡逑成，如下图３－１所示。其中脑机接口使用者一般是指人类，主要提供可以被采集逡逑的脑电信号；脑电传感器是脑机接口的硬件前端，主要功能是将脑电信号数字化；逡逑脑电采集与处理软件是脑机接口的软件后端，主要功能是接收脑电传感器数据并逡逑进行处理。逡逑ｒ邋—逦＊逦逦逦逦逡逑Ｉ逦ｒ逦逦邋＾—逦？＞邋１逡逑Ｖ＂＿丨：逡逑：：逦ｉ脑电采集与｜逦：逡逑使用者；逦丨脑电传感器：逦：处理软件逡逑Ｉ逦ｊ逦）逦Ｉ逦｜逦！逦１逦Ｉ邋１逡逑；邋脑机接口系统逦Ｌ邋——啤玛—接？日＿车欠＿５更件逦！邋Ｉ逡逑图３－１脑机接口系统结构逡逑３．２脑机接口硬件结构逡逑本文的脑机接口硬件主要使用Ｗｉ－Ｆｉ片上系统与高精度模拟／数字（Ａ／Ｄ）转逡逑换器作为核心构建出低功耗、便携的硬件电路，如下图３－２所示。该电路可以将逡逑干电极采集到的脑电信号经过Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，并将数字信号在低逡逑功耗处理器与Ｗｉ－Ｆｉ片上系统中进行数字处理。逡逑６逡逑

处理器将数据通过ｔｃｐ／ｉｐ协议发送到网络。逡逑３．３．１．〗低功耗ＭＣＵ软件逡逑低功耗ＭＣＵ软件，如下图３－３所示，主要是指运行在微混合处理器逡逑ＭＳＰ４３０ＦＲ５９６９之上的应用软件。该软件使用Ｃ语言开发，使用ｍｓｐ－ｇｃｃ编译。逡逑该软件主要由管理程序、ＧＰＩＯ驱动模块、ＳＰＩ驱动模块、Ｉ２Ｃ驱动模块、高精逡逑度ＡＤＣ驱动模块、ＵＡＲＴ驱动模块、姿态传感器驱动模块、电源管理驱动模块逡逑组成。逡逑ｆ逦＞逡逑１邋＼逦＊逦：：—逦逦逦：逦逦逦逦邋！逡逑１邋Ｉ逦？＂逦邋Ｉ逡逑管理程序逡逑？邋Ｉ逦？逦Ａ．逦Ａ逦▲逦！逦＊邋１逡逑逦Ｔ＿＇、ｒ逦逦逦逦逦ｐ逦逦邋；；逡逑精度ＡＤＣ邋；逦丨电源管理丨丨姿态传感器：逡逑：驱动模块逦丨逦丨驱动模块：｜驱动模块逡逑：；二＝Ｃ：二邋逦二彶！ｉ逡逑ＳＰＩ逦ｉｒｔｉ逦１２＾逦＾逦：邋ＵＡＲＴ逡逑！驱动潜块巧驱动蹇块，ｆ驱动ｆ块」ｉ翌动模块逡逑底层硬件逡逑图３－３低功耗ＭＣＵ软件结构逡逑管理程序主要功能是初始化硬件系统，通过调用各个子模块实现脑电传感器逡逑的控制逻辑与业务逻辑。ＧＰＩＯ驱动模块主要实现ＧＰＩＯ的输入输出控制、内部逡逑上下拉控制与中断控制。在总线接口不够用时，ＧＰＩＯ模块可以为其他总线提供逡逑软件模拟服务。ＳＰＩ驱动模块主要功能是实现ＳＰＩ总线的设备读写，其中硬件ＳＰＩ逡逑通过调用芯片寄存器实现

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈小刚;王毅军;张丹;;2018年脑机接口研发热点回眸[J];科技导报;2019年01期

2 胡剑锋;;未来不是梦——脑机接口综述[J];江西蓝天学院学报;2006年02期

3 张丹;陈菁菁;王毅军;;2017年脑机接口研发热点回眸[J];科技导报;2018年01期

4 李佩tD;薛贵;;脑机接口的伦理问题及对策[J];科技导报;2018年12期

5 陈小刚;王毅军;;基于脑电的无创脑机接口研究进展[J];科技导报;2018年12期

6 杨晓哲;;脑机接口离我们有多近[J];中国信息技术教育;2017年Z2期

7 ;脑机接口芯片用上玻璃碳电极[J];杭州化工;2017年01期

8 安兴伟;曹勇;焦学军;明东;;基于视听交互刺激的认知机理与脑机接口范式研究进展[J];电子测量与仪器学报;2017年07期

9 王伟;;脑机接口:打开神经控制的黑箱[J];中国经济报告;2017年09期

10 孙京诰;戚川;潘红光;;基于数据驱动的闭环脑机接口设计[J];华东理工大学学报(自然科学版);2017年05期

相关会议论文 前10条

1 李远清;;基于多模态脑机接口的意识检测[A];第三届全国神经动力学学术会议论文摘要集[C];2016年

2 刘子榆;;脑机接口人体实验首度成功,它用50年把科幻电影变为现实[A];《科学与现代化》2017年第1期（总第070期）[C];2017年

3 彬彬;;科学家警告:黑客可通过脑机接口监控大脑神经信号[A];《科学与现代化》2017年第1期（总第070期）[C];2017年

4 郭苗苗;徐桂芝;王磊;王江;;基于小波变换的听觉脑机接口特征信号分析[A];天津市生物医学工程学会第三十一届学术年会论文集[C];2011年

5 ;脑机接口数据竞赛[A];首届全国功能神经影像学和神经信息学研讨会论文汇编[C];2003年

6 赵冰;肖亮;于丹;张国胜;杜乔;盖振伟;徐碧云;;两种脑机接口算法对比研究[A];第十二届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文集[C];2018年

7 周鹏;赵欣;葛家怡;李宁;郁洪强;王明时;;基于运动想象的脑机接口的个性化设计方法研究[A];天津市生物医学工程学会2008年年会暨首届生物医学工程与临床论坛论文集[C];2008年

8 贾文艳;赵香花;高小榕;高上凯;杨福生;;2003年脑机接口数据竞赛论文之五——想像左右手运动的单次脑电信号分类[A];首届全国功能神经影像学和神经信息学研讨会论文汇编[C];2003年

9 S.西尔维希耶;;马斯克的新公司Neuralink,到底是干啥的?[A];《科学与现代化》2018年第1期（总第074期）[C];2018年

10 何庆华;吴宝明;王禾;钟渝;杜晓兰;彭承琳;;瞬态视觉诱发电位在脑机接口中的实验研究[A];中国生物医学工程学会第六次会员代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2004年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 刘园园;颠覆人机交互 脑机接口正走向现实[N];科技日报;2018年

2 记者 钱童心;修复人类记忆拼图 “脑机接口”成为资本风口[N];第一财经日报;2017年

3 本报记者 唐玮婕;脑机接口 脑洞大开[N];文汇报;2018年

4 东南大学哲学与科学系 张学义 东南大学—蒙纳士大学苏州联合研究生院 潘平平;脑机融合技术的应用与审思[N];中国社会科学报;2018年

5 记者 宁佳彦 实习生 梁润豪;脑机接口昭示“赛博人”时代到来[N];第一财经日报;2018年

6 本报记者 吴卫红;脑机接口距离临床有多远[N];健康报;2017年

7 潘政;制脑权：战争制权的“皇冠”[N];中国国防报;2017年

8 宋晖 罗蓉;“脑机接口”将带来什么？[N];中国国防报;2017年

9 赵先刚 国防大学;脑控：认知领域对抗的新方式[N];解放军报;2017年

10 记者 吴韬;脑机接口，开启“终极交互”[N];河北日报;2017年

相关博士学位论文 前10条

1 苏亿;多通道无线低功耗双向脑机接口关键技术研究[D];武汉大学;2016年

2 肖君;面向临床应用的脑机接口技术研究[D];华南理工大学;2018年

3 王洪涛;混合脑机接口实现及其应用研究[D];华南理工大学;2015年

4 程明;基于脑电信号的脑—计算机接口的研究[D];清华大学;2004年

5 毛大伟;分尺度复杂性及希尔伯特-黄变换在脑电分析中的应用[D];浙江大学;2005年

6 刘伯强;脑机接口分类算法及实验研究[D];天津大学;2005年

7 朱晓源;EEG脑机接口的连续预测方法研究[D];中国科学技术大学;2007年

8 龙锦益;脑信号分析的算法研究与多模态脑机接口[D];华南理工大学;2012年

9 周寅;运动型脑机接口中神经元峰电位记录与检测的关键技术研究[D];浙江大学;2017年

10 马征;高性能视觉ERP脑机接口若干问题研究[D];大连理工大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 黄锐;基于Wi-Fi的便携式脑机接口关键技术研究[D];兰州大学;2015年

2 张德顺;基于卷积神经网络的脑机接口系统的研究及实现[D];湖南大学;2018年

3 郭士杰;基于P300的脑机接口指令识别[D];杭州电子科技大学;2018年

4 李宏伟;基于P300的脑机接口拼写器的优化与实践[D];浙江大学;2018年

5 马建梅;基于混合模式的脑机接口研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

6 史凯阳;基于人脸辨别的脑机接口系统范式及分类算法研究[D];长春理工大学;2018年

7 王惊君;体感P300脑机接口范式研究[D];国防科学技术大学;2016年

8 王志华;基于GMI效应非屏蔽脑磁检测技术研究[D];国防科学技术大学;2016年

9 尧俊瑜;嵌入式脑机接口系统的研究[D];西华大学;2018年

10 廖文;基于脑机接口的智能导盲系统设计与实现[D];西安工程大学;2018年

本文编号：2829609