CN102508000A - 一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统，包括通过USB进行通讯的上位机和下位机，其中，下位机包括控制器、阻抗分析模块、激励信号调理电路、反馈信号处理电路、电极阵列切换开关、通道切换电路、测量电路、电镀与激活模块和模式切换电路；控制器控制阻抗分析模块产生交流正弦信号，而激励信号调理电路对该信号进行处理后，通过电极阵列切换开关送入被测脑电神经信号探测器；控制器还连接通道切换电路，实现电路间的切换。此种系统可对脑电神经信号探测器的阻抗进行测量分析，并根据需要对不符合信号采集要求的脑电神经信号探测器进行激活，使其与信号采集系统相匹配，从而实现自动测试、分析、在线测试和分析于一体。

Description

一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统
技术领域
 本发明属于生物电子仪器领域，特别涉及一种脑电神经信号探测器。
背景技术
 脑电神经信号的采集对于医学分析有非常重要的价值，而信号的采集也需要特定的条件和探测设备，正确有效地采集脑电神经信号是分析脑电神经信号和诊疗的前提。脑电信号的采集质量主要依赖于脑电神经信号探测器的特性，其中阻抗特性是反映脑电神经信号探测器的重要指标，因此，对脑电神经信号探测器的阻抗特性进行测试和判断，以确保其工作性能便显得尤为重要。
国内目前还没有同类产品，国外目前有类似产品，但只能进行单通道手动人工测量，无法完成阵列切换和激活匹配功能，同时，产生的激励信号为固定频率（500Hz)方波信号，不易于后期的数据处理，其最终数据处理与显示依赖于单片31/2位电压测量芯片，不能进行数据保存与分析。
基于以上分析，本发明人针对探测器的测试系统进行深入研究，本案由此产生。
发明内容
 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统，其可对脑电神经信号探测器的阻抗进行测量分析，并根据需要对不符合信号采集要求的脑电神经信号探测器进行激活，使其与信号采集系统相匹配，从而实现自动测试、分析、在线测试和分析于一体。 
本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：
一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统，包括上位机和下位机，上位机与下位机进行USB通讯连接，其中，下位机包括控制器、阻抗分析模块、激励信号调理电路、反馈信号处理电路、电极阵列切换开关、通道切换电路、测量电路、电镀与激活模块和模式切换电路；控制器通过I2C协议对阻抗分析模块进行相关寄存器设置而产生交流正弦信号，而激励信号调理电路对该交流正弦信号进行处理后，通过电极阵列切换开关送入外接被测脑电神经信号探测器；控制器还通过控制总线连接通道切换电路，实现电路间的切换；控制器通过SPI协议控制模式切换电路的输出，而模式切换电路的输出分别连接测量电路和电镀与激活模块。
采用上述方案后，本发明利用DDS产生用户需求的激励信号施加于被测脑电神经信号探测器上，通过嵌入式单片机和上位机程序控制多路（可扩展至128路）模拟开关进行电极阵列的切换，利用1MSPS的A/D技术对被测脑电神经信号探测器上的模拟信号进行信号转换，再经过DSP处理进行DFT计算和算法处理得到脑电神经信号探测器的阻抗幅值和相位值。再利用自校准电路产生的幅值计算出增益系统，利用阻抗=1/(增益系数*幅度）计算出脑电神经信号探测器的实际阻抗，利用Z=(Φunknown-▽system）的算法进位相位的计算，上位机采用LabviewGUI编程进行控制和算法处理，同时具有保存测量数据功能。
本发明具有以下特点：
（1）利用先进的DDS技术产生频率可变、分辨率为0.1Hz、频率可实现范围为1Hz-100KHz的正统信号，利用DSP和快速AD技术实现数据的处理与分析功能，采用上下位机结构，利用USB接口进行数据传输，上位机采用Labview图形化编程技术，对采集到的数据进行显示、记录和分析，具有数据保存功能；
（2）本发明全部采用SMD贴片焊接技术，减小系统误差；
（3）本发明集在线测试和激活电路设计于一身，对不符合要求的探测器可进行-20uA-+20uA的电流激活，同时可进行扫频与相位分析功能，后期可扩展性和开发性极强。
附图说明
 图1是本发明的整体架构图；
图2是本发明的工作流程图。
具体实施方式
 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统，包括上位机和下位机，其中，上位机与下位机进行USB通信连接，基于Labview GUI编程平台，在PC机上利用上位机对下位机进行控制并显示下位机返回的结果，上位机采用直观、操作简便的编程风格，为使用者提供最合理的操作界面。
下位机采用以Atmega16为核心的控制系统，对测试、电镀、激活等电路进行相关协同工作，主要包括控制器、阻抗分析模块、激励信号调理电路、反馈信号处理电路、电极阵列切换开关、通道切换电路和模式切换电路，其中，控制器通过I2C协议对阻抗分析模块（本实施例中采用芯片AD5933）进行相关寄存器设置来产生所需要的交流正弦信号，激励信号调理电路对AD5933输出的交流信号进行衰减和限流处理，再外接电极阵列切换开关，电极阵列切换开关与外接被测脑电神经信号探测器相连接，通过参考电极返回激励信号调理电路，激励信号调理电路通过对被测脑电神经信号探测器上的浮地压差信号进行放大再反馈给阻抗分析芯片AD5933，基于比例测量法原理进行阻抗信息测量，使用片内DSP对脑电神经信号探测器进行特性阻抗计算，控制器通过I2C协议读取相差寄存器获得阻抗数据，再对获取的数据进行换算处理由USB通信上传至上位机作显示和外析，完成脑电神经信号探测器阻抗的测量工作，测量过程中通道和频率均可改变。
电镀与激活模块采用PWM控制的直流电流源电路设计方案，由控制器产生频率为10KHz的PWM波形，由轨到轨运放构成PWM到直流电压转换电路，将PWM转换成与占空比成比例的直流电压，再由运放和三极管构成直流可调恒流源电路，通过模拟开关进行极性控制，从而完成对脑电神经信号探测器的电镀和激活的功能。
所有模式下，通道切换均由上位机下达命令通过下位机控制器来控制继电器和模拟开关电路完成。
配合图2所示，本发明的工作过程是：
用户与上位机进行交互，根据实际需求进行相关模式及参数（如测量模式、测量频率、通道数等）的设定，将模式及相关参数设定完成后，用户控制上位机程序启动运行，上位机通过USB通信接口发送控制命令至下位机，由下位机通过解析协议解析相应的命令后对各个功能模块进行控制。
当下位机解析到的是测量模式后，通过I2C协议发送控制命令到阻抗分析模块，由阻抗分析模块配置内部DDS产生用户要求的初始信号，该信号再经过直流电路、隔离电路、限流电路得到电流最大有效值为70nA的恒压正弦激励信号，同时下位机根据解析到的被测通道和模式指令，通过SPI协议控制锁存器，由锁存器根据协议指令控制测量模式切换驱动电路和每32通道单元的片选信号，下位机通过I/O信号控制32路模拟开关切换至要测量的通道。激励信号经过当前被测通道后由放大和电平抬升电路将信号反馈回阻抗分析模块，利用片内DSP根据比例法计算出电极阻抗，由下位机控制器通过I2C协议取回测量值并通过USB接口传送回上位机，由上位机程序显示测量结果并分析和保存结果处理。
当下位机解析到的是电镀模式时，下位机控制器根据上位机要求的电镀时间、电流大小和通道选择进行恒流模式电镀，电镀模式也是由控制器通过SPI协议控制锁存器，由锁存器根据协议指令控制电镀模式切换驱动电路和每32通道单元的片选信号，及通过I/O信号控制32路模拟开关切换至要电镀的通道。数控可调恒流源设计方案，由控制器产生10KHz的PWM波，经过改进型sallen-key二阶有源滤波电路将PWM波变换成与PWM占空比成比例的直流电压信号，利用此电压信号控制三极管的射级电流Ie从而达到电流控制功能。
当下位机解析到的是激活模式时，下位机通过USB接口解析上位机发送的指令，从而控制下位机控制器产生占空比和频率可调的方波，经过交流恒流电路产生-10uA-+10uA的电流，V-I转换电路实现精密电流（-20uA～+20uA）输出功能，在镀金液中完成脑电神经信号探测器的激活，完成产生PWM波，通过直流变换电路将PWM波变成所有的直流恒流电流。
综上，本发明主要实现在满足测试条件下，利用某一频率和电流的交流信号进行激励，对脑电神经信号探测器的阻抗进行测量分析，并能进行脑电神经信号探测器阵列的自动切换，测量结果通过USB发送到上位机，通过上位机测试的结果用户根据实际情况需要对不符合信号采集要求的脑电神经信号探测器进行激活，使其与信号采集系统相匹配。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种脑电神经信号探测器阻抗测试与激活匹配系统，其特征在于：包括上位机和下位机，上位机与下位机进行USB通讯连接，其中，下位机包括控制器、阻抗分析模块、激励信号调理电路、反馈信号处理电路、电极阵列切换开关、通道切换电路、测量电路、电镀与激活模块和模式切换电路；控制器通过I2C协议控制阻抗分析模块产生交流正弦信号，而激励信号调理电路对该交流正弦信号进行处理后，通过电极阵列切换开关送入外接被测脑点神经信号探测器；控制器还通过控制总线连接通道切换电路，实现电路间的切换；控制器通过SPI协议控制模式切换电路的输出，而模式切换电路的输出分别连接测量电路和电镀与激活模块。
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