CN103268717A - 一种基于生物信号的远程教学系统 - Google Patents

Abstract

一种基于生物信号的远程教学系统，包括：头带式采集器，包括有电极、第一信号处理电路和第一数据传输模块；腕带式采集器，包括有皮温采集器、脉搏波检测器和第二数据传输模块；学习终端，接收来自所述第一、第二数据传输模块传输的信号，并通过Internet传输至远端；远端管理平台，接收生理信息数据并比对处理，且根据比对结果进行学习内容控制与干预的反馈。本发明通过远端管理平台充当虚拟教师，对学习者进行远程管理或监控，不受时间、地点的限制，提高学习者自主学习的效率；第一、第二数据传输模块可以设置成基于音频传输、基于USB传输和基于蓝牙传输等以满足不同场合需求。

Description

一种基于生物信号的远程教学系统

技术领域

本发明涉及一种不受时间、地点的限制的基于生物信号的远程教学系统。

背景技术

随着WI-FI网络技术、3G网络技术的成熟，智能手机、手提计算机的普及，作为远程教育的另一种学习方式移动学习也开始得到广泛应用。远程教育作为终身学习的一种手段，已被人们接受。但是，远程教育的学习与课堂学习的最大区别是：课堂学习是在教师的监管下完成的，而远程教育的学习是一种自主学习。由于没有教师的监管，加上人的自身原因及环境因素等等，使得远程教学的学习效果很难达到课堂学习的效果。有些学习者甚至无法完成学习任务。最大缺陷就是缺少教师这个角色。

人的学习状态可分为三种。在专心学习时，注意力集中，在生理上表现为脑电波有规律比较平稳（称α频率在8Hz-13Hz）；兴奋时（称β频率在13Hz以上），表现为频率变快，幅度变大，脉搏变快，皮温，皮电上升，持续时间不易过长；学习疲劳时（称θ频率在4Hz-7Hz），表现为注意力分散，脑电波比较杂乱。总趋势频率变慢。脉搏、皮温和皮电等生物信号也会变慢。睡眠后，脉搏（心率）减慢，血压下降，新陈代谢变慢，呼吸次数减少。正常的平均脉搏76次/分。（皮温，皮电由于个体差异，将影响采集变化量）

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种能创造一个虚拟‘教师’角色，对学习者进行远程管理或监控的基于生物信号的远程教学系统。

本发明采用如下技术方案：

一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：包括：头带式采集器，用于脑电波信号采集和处理且包括有电极、第一信号处理电路和第一数据传输模块；腕带式采集器，用于皮温、脉搏信号采集和处理且包括有皮温采集器、脉搏波检测器和第二数据传输模块；学习终端，接收来自所述第一、第二数据传输模块传输的信号，处理后得到生理信息数据并通过Internet传输至远端；远端管理平台，通过Internet接收学习终端传输来的生理信息数据比对处理，且根据比对结果进行学习内容控制与干预的反馈。

进一步的，所述第一信号处理电路包括与电极相连的前置放大电路、与第一数据传输模块相连的输出放大电路以及连接于前置放大电路和输出放大电路之间的负反馈电路。

进一步的，所述前置放大电路采用INA333数据放大器，该放大器的差分输入端与电极相连，一输出端与输出放大电路输入端相连，另一参考输出端与负反馈电路输出端相连，所述输出放大电路包括一第一运放器，该第一运放器的信号输入端与所述前置放大电路的输出端之间串联一第二电阻，该第一运放器的输出端与其信号输入端之间并联有一第一电容，且该第一运放器的输出端与前置放大电路的参考输出端相连，所述负反馈电路包括一第二运放器，该第二运放器的信号输入端与所述前置放大电路的输出端之间串联有第一电阻，该第二运放器的输出端与其信号输入端之间并联有一第三电阻和一第二电容，且该第二运放器的输出端与所述第一数据传输模块的输入端相连。

进一步的，所述第一数据传输模块为第一USB接口，所述头带式采集器还包括有第一模/数转换电路，该第一模/数转换电路连接于所述第一信号处理电路输出端和该第一USB接口输入端之间。

进一步的，所述皮温采集器的输出端与所述第二数据传输模块相连，且包括温度采集变换电路、功率放大电路，温度采集变换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接，温度采集变换电路包括矩形波振荡器、热敏电阻型温度传感器，热敏电阻型温度传感器与矩形波振荡器的运算放大器的负极引脚上的电阻串联。

进一步的，脉搏波检测器的输出端与所述第二数据传输模块相连，且包括信号拾取电路、第二信号处理电路，信号拾取电路的输出端与第二信号处理电路的输入端相连，信号拾取电路包括透射遮光式光电传感器，透射遮光式光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管，红外发光二极管的光线与光敏三极管的感光窗口对准，被测的腕动脉处在红外发光二极管、光敏三极管之间。

进一步的，第二信号处理电路包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路，阻抗变换电路的输入端与信号拾取电路的输出端相连，阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路依次相连。

进一步的，所述第二数据传输模块为第二USB接口，所述腕带式采集器还包括第二有模/数转换电路，该第二模/数转换电路连接于所述皮温采集器和脉搏波检测器的输出端和该第二USB接口输入端之间。

进一步的，所述第一数据传输模块/第二数据传输模块为蓝牙模块，该蓝牙模块采用蓝牙芯片BC358239A。

进一步的，所述远端管理平台包括数据接收与处理模块，用于实时动态接收来自学习终端的生理信息数据；数据库模块，用于存储预先建立的学习者的生理信息数据；生理信息数据分析模块，用于将接收到的生理信息数据与数据库的生理信息进行比对处理并发送异常数据；管理与控制模块、对接收到的异常数据进行分析判断并发出反馈指令；学习内容控制与干预模块，根据反馈指令发送对应学习内容至学习终端对学习者进行控制和干预。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的基于生物信号的远程教学系统，通过头带式采集器和腕带式采集器动态采集人体的脑电信号、皮温信号和脉搏信号进行处理后分别通过第一、第二数据传输模块发送至学习终端，学习终端接收该生理信息数据并通过Internet发送至远端管理平台，远端管理平台可充当虚拟教师，对学习者进行远程管理或监控，不受时间、地点的限制，提高学习者自主学习的效率；第一、第二数据传输模块可以根据需要设置成基于音频传输、基于USB传输和基于蓝牙传输等，信号传输方式多样，以满足不同场合需求；本发明整体结构简单、操作和使用方便、成本低，效果好。

附图说明

图1为本发明的头带式采集器的使用示意图；

图2具体实施方式一的头带式采集器的整体结构示意图为

图3为本发明的INA333放大器的内部结构示意图；

图4本发明的第一信号处理电路原理图；

图5为具体实施方式一的腕带式采集器的结构示意图；

图6为具体实施方式一的腕带式采集器的电路框架示意图；

图7为皮温采集器的电路连接示意图；

图8为脉搏波检测器的电路连接示意图；

图9为本发明整体系统的结构原理示意图；

图10为具体实施方式二的头带式采集器的整体结构示意图；

图11为具体实施方式二集成电路UAC3554B及其外围电路图；

图12为具体实施方式二的腕带式采集器的结构示意图；

图13为具体实施方式二的腕带式采集器的电路框图；

图14为具体实施方式三的头带式采集器的结构示意图；

图15为具体实施方式三的腕带式采集器的结构示意图；

图16为具体实施方式三的腕带式采集器的电路框图；

图17为蓝牙芯片358239A及其外围电路的示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

脑电波信号是属于强噪声背景下的超低频（0.5-100Hz）、微弱（0.1-1mV）信号，当生物信号通过电极转换成电量时，获得的信号电压变化量很小，而共模电压却很高，所以电极后面的数据放大器必须具有很高的共模抑制比，同时要求有较高的输入电阻，以免对电极产生影响。为了提高测量精度，数据放大器还应有较高的开环增益，较低的失调电压、失调电流、噪声以及漂移等。作为便携采集装置还要考虑低电压，低功耗。

具体实施方式一

本发明的一种基于生物信号的远程教学系统，参照图9，包括：

一、头带式采集器

参照图1-图4，包括带体A1和与带体A1相连的装置主体A2，带体A1上设置有电极A3。装置主体A2上包括有与电极A3相连的第一信号处理电路A4、与信号处理电路A4相连的第一数据传输模块A5、与上述电极A3和第一信号处理电路A4相连的供电装置A6，以及与供电装置相连的充电接口A7。供电装置A6可采用4.3V锂聚合物电池。

第一信号处理电路A4包括与电极A3相连的前置放大电路、与输出接口A5相连的输出放大电路以及连接于前置放大电路和输出放大电路之间的负反馈电路。其中，前置放大电路采用三运放组成的仪器专用的INA333数据放大器，其内部原理和外部结构图参照图3所示。其中每个集成运放都接成比例运算电路。电路包含两个放大级，A₁、A₂组成第一级，二者均接成同相输入方式，因此输入电阻很高。由于电路结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。A₃组成差分放大级，将差分输入转换成为单端输出。R_G是增益设置电阻。其中G=1+100KΩ/R_G,V_O=G*(V_IN+-V_IN)，本设计G=200。各引脚定义：2、3脚是差分输入端VIN、VIN+；1、8脚是增益设置端；4、7脚是电源端；6脚是输出端；5脚是参考输出端（调整）。该差分输入端VIN、VIN+与电极A3相连，一输出端V0(6脚)与输出放大电路输入端相连，另一参考输出端（5脚）与负反馈电路输出端相连。

负反馈电路用于保持输出信号的稳定，包括一第一运放器B1，该第一运放器B1采用OPA2333运放器，参照图4，其信号输入端（2脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联一第二电阻R2，该第一运放器B1的输出端(1脚)与其信号输入端(2脚)之间并联有一第一电容C1，且该第一运放器B1的输出端（1脚）与前置放大电路的参考输出端相连。

输出放大电路是将信号进行进一步放大，包括一第二运放器B2，该第二运放器B2的信号输入端（6脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联有第一电阻R1，该第二运放器B2的输出端V_OUT与其信号输入端(6脚)之间并联有一第三电阻R3和一第二电容C2，且该第二运放器B2的输出端V_OUT与第一数据传输模块A5相连。图3中，R4和R5是分压电阻，为输出放大电路和负反馈电路提供参考电压1/2VS。

二、腕带式采集器

参照图5-图8，包括腕带主体1，腕带主体1上设置有皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二数据传输模块5、电源6。如图6所示，皮温采集器3、脉搏波检测器4的输出端分别与信号输出模块5的输入端连接，电源6分别与皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二数据传输模块5，为皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二数据传输模块5供电。第二数据传输模块5的信号输出口8用于与外部设备连接（例如：学习终端）。电源6包括充电电池7、USB接口2，USB接口2与充电电池7相连，用于对充电电池7进行充电。

本实施例中的，充电电池7为4.3V锂聚合物电池，可以定制为薄片型；皮温采集器3、脉搏波检测器4，采集的数据由第二数据传输模块5的信号输出口8输出，与观测设备9连接进行观察，信号输出口8为双通道。为了防止二路信号的干扰，将温度处理成频率函数信号（水平变化），将脉搏处理成幅度函数信号（垂直变化）。

皮温采集器包括温度采集变换电路、功率放大电路，温度采集变换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。温度采集变换电路包括矩形波振荡器、热敏电阻型温度传感器，热敏电阻型温度传感器与矩形波振荡器的运算放大器的负极引脚上的电阻串联。

如图7所示，皮温采集器基于低功耗精密运放TLV2242进行实现，包含温度采集变换电路和功率放大电路。其中温度采集变换电路将温度转换为相应的电信号，功率放大电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集频率的要求。

温度采集变换电路，由运放A21及周围阻容元件组成矩形波振荡器，阻容元件包括电阻R23、R24、R25、R26、Rx，电容C21。振荡频率由R25、Rx、C21决定。Rx为热敏电阻型温度传感器，当温度发生变化时，Rx的阻值也随之变化，从而导致频率的变化。

功率放大电路，由运放A22及周围阻容元件组成，阻容元件包括电阻R21、R22。实际上是将电流放大，以满足频率不失真。

脉搏波检测器包括信号拾取电路、第二信号处理电路，信号拾取电路的输出端与第二信号处理电路的输入端相连。信号拾取电路包括透射遮光式光电传感器，透射遮光式光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管，红外发光二极管的光线与光敏三极管的感光窗口对准，被测的腕动脉旋转在红外发光二极管、光敏三极管之间。第二信号处理电路包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路，阻抗变换电路的输入端与信号拾取电路的输出端相连，阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路依次相连。阻抗变换电路为电压跟随器。

如图8所示，脉搏波检测器包含信号拾取电路和第二信号处理电路。其中信号拾取电路将脉搏波转换为相应的电信号，第二信号处理电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集幅度的要求。

信号拾取电路，采用红外发光二极管LED和光敏三极管VT，以及周围阻容元件组成透射遮光式光电传感器，阻容元件包括R31、R32、R33。红外发光二极管的波长稳定性好，遮光式的装置减少了外界光的干扰。测试时，被测的腕动脉正好处在红外发光二极管LED和光敏三极管VT之间，红外发光二极管LED发出的光线通过人手腕照射到在光敏三极管VT的感光窗口上，随着动脉血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管VT的电流也发生波动性变化，间接检测出脉搏信号，从而完成了信号拾取。

第二信号处理电路基于低功耗精密运放TLV2244进行实现，包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路。先将传感器的微弱信号通过阻抗变换电路增大其带负载的能力，送入通过低通滤波电路除去干扰信号，再经过一级放大电路将信号进一步放大，最后经整形电路可输出一个规则的矩形波。

阻抗变换电路包括运放A31，电容C31，电阻R34、R35。阻抗变换电路为电压跟随器，其主要作用是进行阻抗变换，加大该电路带负载的能力，其实质是对电流进行动态放大，随后级电路电流的变化进行放大。

低通滤波电路包括运放A32，电容C32、C33，电阻R36、R37。低通滤波电路为低通滤波器，由于前级电路输出信号比较微弱，且存在其它高频干扰，所以需经一级低通滤波电路。

放大电路包括运放A33，电阻R38、R39。经低通滤波器输出的信号为微弱脉压波动信号,故需经一级反相放大器，本实施例中，放大倍数为100倍。

整形电路包括运放A34，电容C34，电阻R310、R311、R312。通过同相端R310、R311、C34的充放电过程，可将前级电路输出的脉压峰以外的各种波动信号电平保持在一定的幅度，确保在脉压波动期间准确地输出矩形波。

三、学习终端

本发明的学习终端可以是智能手机，笔记本、台式计算机和平板电脑等学习终端。能与上述头带式采集器和腕带式采集器的第一、第二数据传输模块连接通信，接收第一、第二数据传输模块传输的生理信息射频信号，处理后得到生理信息数据并通过Internet传输至远端管理平台。

四、远端管理平台

参照图9，包括数据接收与处理模块，用于实时动态接收来自学习终端的生理信息数据。数据库模块，用于存储预先采集的生理信息数据，包括人的生理疲劳类型等。生理信息数据分析模块，用于将接收到的生理信息数据与数据库的生理信息进行比对，若找到与之匹配类型则预先判断其疲劳类型和疲劳可能出现的时间；若找不到与之匹配的类型，则发送异常数据。管理与控制模块、对接收到的异常数据进行分析判断并发出反馈指令来管理学习者。学习内容控制与干预模块，根据反馈指令通过数据接收与处理模块发送对应学习内容至学习终端对学习者进行控制和干预，包括学习内容的变换、学习者学习状态的提醒和互动等。另外，针对通过上述方法所不能解决的专业学习内容，还可通过网络教师人工辅助学习。

本发明在使用时，通过头带式采集器和腕带式采集器动态采集人体的脑电信号、皮温信号和脉搏信号进行处理后分别通过第一、第二数据传输模块传输至学习终端，学习终端接收该生理信息数据并通过Internet发送至远端管理平台，远端管理平台接收该生理信息数据，并与数据库中的生理信息数据进行比对，若找到与之匹配的类型，则预先判断其疲劳类型和疲劳可能出现的时间；若找不到与之匹配的类型，则发送异常数据。管理与控制模块对接收到的异常数据进行分析判断并发出反馈指令来管理学习者。学习内容控制与干预模块根据反馈指令通过数据接收与处理模块发送对应学习内容至学习终端对学习者进行控制和干预，包括学习内容的变换、学习者学习状态的提醒和互动等。另外，针对通过上述方法所不能解决的专业学习内容，还可通过网络教师人工辅助学习。

具体实施方式二

参照图9，一种基于生物信息的远程教学系统，包括：

一、头带式采集器

参照图10、图3、图4、图1，包括带体A1和与带体A1相连的装置主体A2，带体A1上设置有电极A3。装置主体A2上包括有与电极A3相连的第一信号处理电路A4、与第一信号处理电路A4相连第一模/数转换电路A5、与该第一模/数转换电路A5相连的第一USB接口A6。该第一USB接口A6作为第一数据传输模块，还可通过该第一USB接口A6提供5V电源，可以给第一模/数转换电路A5、电极A3及第一信号处理电路A4供电。

第一信号处理电路A4包括与电极A3相连的前置放大电路、与第一模/数转换电路A5相连的输出放大电路以及连接于前置放大电路和输出放大电路之间的负反馈电路。其中，前置放大电路采用三运放组成的仪器专用的INA333数据放大器，其内部原理和外部结构图参照图3所示。其中每个集成运放都接成比例运算电路。电路包含两个放大级，A₁、A₂组成第一级，二者均接成同相输入方式，因此输入电阻很高。由于电路结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。A₃组成差分放大级，将差分输入转换成为单端输出。R_G是增益设置电阻。G=1+100KΩ/R_G,V_O=G*(V_IN+-V_IN)，本设计G=200。各引脚定义：2、3脚是差分输入端VIN、VIN+；1、8脚是增益设置端；4、7脚是电源端；6脚是输出端；5脚是参考输出端（调整）。该差分输入端VIN、VIN+与电极A3相连，一输出端V0(6脚)与输出放大电路输入端相连，另一参考输出端（5脚）与负反馈电路输出端相连。

负反馈电路用于保持输出信号的稳定，包括一第一运放器B1，该第一运放器B1采用OPA2333运放器，参照图4，其信号输入端（2脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联一第二电阻R2，该第一运放器B1的输出端(1脚)与其信号输入端(2脚)之间并联有一第一电容C1，且该第一运放器B1的输出端（1脚）与前置放大电路的参考输出端相连。

输出放大电路是将信号进行进一步放大，包括一第二运放器B2，该第二运放器B2的信号输入端（6脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联有第一电阻R1，该第二运放器B2的输出端VOUT与其信号输入端(6脚)之间并联有一第三电阻R3和一第二电容C2，且该第二运放器B2的输出端VOUT与第一模/数转换电路A5相连。

第一模/数转换电路A5由集成电路UAC3554B及其外围电路组成，参照图11，该集成电路是一片模拟音频编号数字信号的电路，由输出放大电路输出端VOUT输出的信号，从图中A、B任一路输入，它们的频率范围也在变换的范围以内，经过UAC3554B的59、60脚输入，将模拟信号转换为数字信号，由第一USB接口A6输出。

二、腕带式采集器

参照图12、图13，包括腕带主体1，腕带主体1上设置有第二USB接口2、皮温采集器3、脉搏波检测器4、模数转换电路5。其中第二USB接口2即为第二数据传输模块，如图13所示，皮温采集器3、脉搏波检测器4的输出端分别与模数转换电路5的输入端连接，第二模/数转换电路5的输出端与第二USB接口2连接。通过第二USB接口2提供5V电源，可以给皮温采集器3、脉搏波检测器4及第二模/数转换电路5供电；皮温采集器3、脉搏波检测器4，采集的数据经第二模/数转换电路5变换成数字信号，由第二USB接口2输出，输入到计算机里。为了防止二路信号的干扰，将温度处理成频率函数信号（水平变化），将脉搏处理成幅度函数信号（垂直变化）。

皮温采集器包括温度采集变换电路、功率放大电路，温度采集变换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。温度采集变换电路包括矩形波振荡器、热敏电阻型温度传感器，热敏电阻型温度传感器与矩形波振荡器的运算放大器的负极引脚上的电阻串联。

如图7所示，皮温采集器基于低功耗精密运放TLV2242进行实现，包含温度采集变换电路和功率放大电路。其中温度采集变换电路将温度转换为相应的电信号，功率放大电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集频率的要求。

温度采集变换电路，由运放A21及周围阻容元件组成矩形波振荡器，阻容元件包括电阻R23、R24、R25、R26、Rx，电容C21。振荡频率由R25、Rx、C21决定。Rx为热敏电阻型温度传感器，当温度发生变化时，Rx的阻值也随之变化，从而导致频率的变化。

功率放大电路，由运放A22及周围阻容元件组成，阻容元件包括电阻R21、R22。实际上是将电流放大，以满足频率不失真。

脉搏波检测器包括信号拾取电路、信号处理电路，信号拾取电路的输出端与信号处理电路的输入端相连。信号拾取电路包括透射遮光式光电传感器，透射遮光式光电传感器包括红外发光二极管LED、光敏三极管VT，红外发光二极管LED的光线与光敏三极管VT的感光窗口对准，被测的腕动脉处在红外发光二极管LED、光敏三极管VT之间。红外发光二极管LED发出的光线通过人手腕照射到在光敏三极管VT的感光窗口上，随着动脉血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管VT的电流也发生波动性变化，间接检测出脉搏信号，从而完成了信号拾取。信号处理电路包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路，阻抗变换电路的输入端与信号拾取电路的输出端相连，阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路依次相连。阻抗变换电路为电压跟随器。

如图8所示，脉搏波检测器包含信号拾取电路和第二信号处理电路。其中信号拾取电路将脉搏波转换为相应的电信号，第二信号处理电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集幅度的要求。

信号拾取电路，采用红外发光二极管LED和光敏三极管VT，以及周围阻容元件组成透射遮光式光电传感器，阻容元件包括R31、R32、R33。红外发光二极管LED的波长稳定性好，遮光式的装置减少了外界光的干扰。测试时，被测的腕动脉正好处在红外发光二极管LED和光敏三极管VT之间，红外发光二极管LED发出的光线通过人手腕照射到在光敏三极管VT的感光窗口上，随着动脉血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管VT的电流也发生波动性变化，间接检测出脉搏信号，从而完成了信号拾取。

第二信号处理电路基于低功耗精密运放TLV2244进行实现，包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路。先将传感器的微弱信号通过阻抗变换电路增大其带负载的能力，送入通过低通滤波电路除去干扰信号，再经过一级放大电路将信号进一步放大，最后经整形电路可输出一个规则的矩形波。

阻抗变换电路包括运放A31，电容C31，电阻R34、R35。阻抗变换电路为电压跟随器，其主要作用是进行阻抗变换，加大该电路带负载的能力，其实质是对电流进行动态放大，随后级电路电流的变化进行放大。

低通滤波电路包括运放A32，电容C32、C33，电阻R36、R37。低通滤波电路为低通滤波器，由于前级电路输出信号比较微弱，且存在其它高频干扰，所以需经一级低通滤波电路。

放大电路包括运放A33，电阻R38、R39。经低通滤波器输出的信号为微弱脉压波动信号,故需经一级反相放大器，本实施例中，放大倍数为100倍。

整形电路包括运放A34，电容C34，电阻R310、R311、R312。通过同相端R310、R311、C34的充放电过程，可将前级电路输出的脉压峰以外的各种波动信号电平保持在一定的幅度，确保在脉压波动期间准确地输出矩形波。

第二模/数转换电路5为模拟音频/数字信号变换电路。如图11所示，第二模/数转换电路5由集成电路UAC3554B及其外围电路组成。UAC3554B为模拟音频变换数字信号的电路。皮温采集器输出的温度信号A和脉搏波检测器输出的脉搏信号B，它们的频率范围也在变换的范围以内，经过UAC3554B的59、60脚输入，将交流模拟信号转换为数字信号，由第二USB接口2输出。

本实施例的学习终端与头带式采集器和腕带式采集器分别通过第一、二USB接口与学习终端进行连接通信，学习终端与远端管理平台之间的工作过程与具体实施方式一相同，整体结构原理参照图9。

具体实施方式三

一、头带式采集器，

参照图1、图14，包括带体A1和与带体A1相连的装置主体A2，带体A1上设置有电极A3。装置主体A2上包括有与电极A3相连的第一信号处理电路A4、与第一信号处理电路A4相连的第一蓝牙模块A5、与第一信号处理电路A4和第一蓝牙模块相连的供电装置A6、以及与供电装置A6相连的USB充电接口A7。第一蓝牙模块A5即为第一数据传输模块，供电装置采用内置可充电电池，可提供5V电源，为各个电路供电。通过USB充电接口A7对可充电电池进行充电。

第一信号处理电路包括与电极A3相连的前置放大电路、与第一蓝牙模块A5相连的输出放大电路以及连接于前置放大电路和输出放大电路之间的负反馈电路。其中，前置放大电路采用三运放组成的仪器专用的INA333数据放大器，其内部原理和外部结构图参照图3所示。其中每个集成运放都接成比例运算电路。电路包含两个放大级，A₁、A₂组成第一级，二者均接成同相输入方式，因此输入电阻很高。由于电路结构对称，它们的漂移和失调都有互相抵消的作用。A₃组成差分放大级，将差分输入转换成为单端输出。R_G是增益设置电阻。G=1+100KΩ/R_G,V_O=G*(V_IN+-V_IN)，本设计G=200。各引脚定义：2、3脚是差分输入端VIN、VIN+；1、8脚是增益设置端；4、7脚是电源端；6脚是输出端；5脚是参考输出端（调整）。该差分输入端VIN、VIN+与电极A3相连，一输出端V0(6脚)与输出放大电路输入端相连，另一参考输出端（5脚）与负反馈电路输出端相连。

负反馈电路用于保持输出信号的稳定，包括一第一运放器B1，该第一运放器B1采用OPA2333运放器，参照图4，其信号输入端（2脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联一第二电阻R2，该第一运放器B1的输出端(1脚)与其信号输入端(2脚脚)之间并联有一第一电容C1，且该第一运放器B1的输出端（1脚）与前置放大电路的参考输出端相连。

输出放大电路是将信号进行进一步放大，包括一第二运放器B2，该第二运放器B2的信号输入端（6脚）与前置放大电路的输出端（6脚）之间串联有第一电阻R1，该第二运放器B2的输出端VOUT与其信号输入端(6脚)之间并联有一第三电阻R3和一第二电容C2，且该第二运放器B2的输出端VOUT与第一蓝牙模块A5相连。

参照图17第一蓝牙模块A5由U2（蓝牙ICBC358239A）及其外围电路组成，从输出放大电路的输出端VOUT输出的脑电波信号，由U2的IN3或NI4输入，经过U2为核心的蓝牙发射模块，将脑电波信号调制为2.4GHz高频信号，由第一蓝牙模块A5的天线T1发射输出。U3（RT913-18CB）为稳压集成电路用于为U2提供稳定电压。U4(VA7205DF)为电池充电控制集成电路与供电装置A6相连。

二、腕带式采集器

参照图15、图16，包括腕带主体1，腕带主体1上设置有皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二蓝牙模块5、电源6。如图16所示，皮温采集器3、脉搏波检测器4的输出端分别与第二蓝牙模块5的输入端连接，电源6分别与皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二蓝牙模块5连接，为皮温采集器3、脉搏波检测器4、第二蓝牙模块5供电。第二蓝牙模块5包括蓝牙发射电路、稳压集成电路、电池充电控制集成电路。电源6包括充电电池7、USB接口2，USB接口2通过电池充电控制集成电路与充电电池7相连，用于对充电电池7进行充电。

本实施例中的，充电电池7为4.3V锂聚合物电池，可以定制为薄片型；皮温采集器3、脉搏波检测器4，采集的数据经第二蓝牙模块5，由第二蓝牙模块5的天线输出。为了防止二路信号的干扰，将温度处理成频率函数信号（水平变化），将脉搏处理成幅度函数信号（垂直变化）。

皮温采集器包括温度采集变换电路、功率放大电路，温度采集变换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接。温度采集变换电路包括矩形波振荡器、热敏电阻型温度传感器，热敏电阻型温度传感器与矩形波振荡器的运算放大器的负极引脚上的电阻串联。

如图7所示，皮温采集器基于低功耗精密运放TLV2242进行实现，包含温度采集变换电路和功率放大电路。其中温度采集变换电路将温度转换为相应的电信号，功率放大电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集频率的要求。

温度采集变换电路，由运放A21及周围阻容元件组成矩形波振荡器，阻容元件包括电阻R23、R24、R25、R26、Rx，电容C21。振荡频率由R25、Rx、C21决定。Rx为热敏电阻型温度传感器，当温度发生变化时，Rx的阻值也随之变化，从而导致频率的变化。

功率放大电路，由运放A22及周围阻容元件组成，阻容元件包括电阻R21、R22。实际上是将电流放大，以满足频率不失真。

脉搏波检测器包括信号拾取电路、第二信号处理电路，信号拾取电路的输出端与第二信号处理电路的输入端相连。信号拾取电路包括透射遮光式光电传感器，透射遮光式光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管，红外发光二极管的光线与光敏三极管的感光窗口对准，被测的腕动脉旋转在红外发光二极管、光敏三极管之间。第二信号处理电路包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路，阻抗变换电路的输入端与信号拾取电路的输出端相连，阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路依次相连。阻抗变换电路为电压跟随器。

如图8所示，脉搏波检测器包含信号拾取电路和第二信号处理电路。其中信号拾取电路将脉搏波转换为相应的电信号，第二信号处理电路将传感器输出的电信号进行处理，以满足计算机声卡采集幅度的要求。

信号拾取电路，采用红外发光二极管LED和光敏三极管VT，以及周围阻容元件组成透射遮光式光电传感器，阻容元件包括R31、R32、R33。红外发光二极管的波长稳定性好，遮光式的装置减少了外界光的干扰。测试时，被测的腕动脉正好处在红外发光二极管LED和光敏三极管VT之间，红外发光二极管LED发出的光线通过人手腕照射到在光敏三极管VT的感光窗口上，随着动脉血管脉压波动的变化，其透光度也随其变化，这样光敏三极管VT的电流也发生波动性变化，间接检测出脉搏信号，从而完成了信号拾取。

第二信号处理电路基于低功耗精密运放TLV2244进行实现，包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路。先将传感器的微弱信号通过阻抗变换电路增大其带负载的能力，送入通过低通滤波电路除去干扰信号，再经过一级放大电路将信号进一步放大，最后经整形电路可输出一个规则的矩形波。

阻抗变换电路包括运放A31，电容C31，电阻R34、R35。阻抗变换电路为电压跟随器，其主要作用是进行阻抗变换，加大该电路带负载的能力，其实质是对电流进行动态放大，随后级电路电流的变化进行放大。

低通滤波电路包括运放A32，电容C32、C33，电阻R36、R37。低通滤波电路为低通滤波器，由于前级电路输出信号比较微弱，且存在其它高频干扰，所以需经一级低通滤波电路。

放大电路包括运放A33，电阻R38、R39。经低通滤波器输出的信号为微弱脉压波动信号,故需经一级反相放大器，本实施例中，放大倍数为100倍。

整形电路包括运放A34，电容C34，电阻R310、R311、R312。通过同相端R310、R311、C34的充放电过程，可将前级电路输出的脉压峰以外的各种波动信号电平保持在一定的幅度，确保在脉压波动期间准确地输出矩形波。

第二蓝牙模块5及蓝牙无线输出电路原理图如图15所示，第二蓝牙模块5包括蓝牙发射电路、稳压集成电路、电池充电控制集成电路。蓝牙发射电路基于蓝牙集成电路芯片U2（BC358239A）及其外围电路进行实现，皮温采集器3输出的温度信号、脉搏波检测器4输出的脉搏信号，两路交流信号，由蓝牙集成电路芯片U2的IN3和NI4输入，再将交流信号调制为2.4GHz高频信号，由蓝牙无线输出天线发射输出。

稳压集成电路基于稳压芯片U3（RT913-18CB）进行实现，充电电池7与稳压芯片U3的IV8连接，为U2提供稳定电压。电池充电控制集成电路基于充电管理集成电路芯片U4（VA7205DF）进行实现，USB接口2通过电池充电控制集成电路与充电电池7相连，用于对充电电池7进行充电。

第二蓝牙模块5的具体实现方式还可以基于其他蓝牙模块的设计方案，在本申请的说明书中无一一指出。

本实施例的学习终端与头带式采集器和腕带式采集器分别通过第一蓝牙模块和第二蓝牙模块进行无线通信，学习终端与远端管理平台之间的工作过程与具体实施方式一相同，整体结构原理参照图9。

上述仅为本发明的三个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：包括：头带式采集器，用于脑电波信号采集和处理且包括有电极、第一信号处理电路和第一数据传输模块；腕带式采集器，用于皮温、脉搏信号采集和处理且包括有皮温采集器、脉搏波检测器和第二数据传输模块；学习终端，接收来自所述第一、第二数据传输模块传输的信号，处理后得到生理信息数据并通过Internet传输至远端；远端管理平台，通过Internet接收学习终端传输来的生理信息数据比对处理，且根据比对结果进行学习内容控制与干预的反馈。

2.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述第一信号处理电路包括与电极相连的前置放大电路、与第一数据传输模块相连的输出放大电路以及连接于前置放大电路和输出放大电路之间的负反馈电路。

3.如权利要求2所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述前置放大电路采用INA333数据放大器，该放大器的差分输入端与电极相连，一输出端与输出放大电路输入端相连，另一参考输出端与负反馈电路输出端相连，所述输出放大电路包括一第一运放器，该第一运放器的信号输入端与所述前置放大电路的输出端之间串联一第二电阻，该第一运放器的输出端与其信号输入端之间并联有一第一电容，且该第一运放器的输出端与前置放大电路的参考输出端相连，所述负反馈电路包括一第二运放器，该第二运放器的信号输入端与所述前置放大电路的输出端之间串联有第一电阻，该第二运放器的输出端与其信号输入端之间并联有一第三电阻和一第二电容，且该第二运放器的输出端与所述第一数据传输模块的输入端相连。

4.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述第一数据传输模块为第一USB接口，所述头带式采集器还包括有第一模/数转换电路，该第一模/数转换电路连接于所述第一信号处理电路输出端和该第一USB接口输入端之间。

5.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述皮温采集器的输出端与所述第二数据传输模块相连，且包括温度采集变换电路、功率放大电路，温度采集变换电路的输出端与功率放大电路的输入端连接，温度采集变换电路包括矩形波振荡器、热敏电阻型温度传感器，热敏电阻型温度传感器与矩形波振荡器的运算放大器的负极引脚上的电阻串联。

6.根据权利要求1所述一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：脉搏波检测器的输出端与所述第二数据传输模块相连，且包括信号拾取电路、第二信号处理电路，信号拾取电路的输出端与第二信号处理电路的输入端相连，信号拾取电路包括透射遮光式光电传感器，透射遮光式光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管，红外发光二极管的光线与光敏三极管的感光窗口对准，被测的腕动脉处在红外发光二极管、光敏三极管之间。

7.根据权利要求6所述一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：第二信号处理电路包括阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路，阻抗变换电路的输入端与信号拾取电路的输出端相连，阻抗变换电路、低通滤波电路、放大电路、整形电路依次相连。

8.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述第二数据传输模块为第二USB接口，所述腕带式采集器还包括第二有模/数转换电路，该第二模/数转换电路连接于所述皮温采集器和脉搏波检测器的输出端和该第二USB接口输入端之间。

9.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述第一数据传输模块/第二数据传输模块为蓝牙模块，该蓝牙模块采用蓝牙芯片BC358239A。

10.如权利要求1所述的一种基于生物信号的远程教学系统，其特征在于：所述远端管理平台包括数据接收与处理模块，用于实时动态接收来自学习终端的生理信息数据；数据库模块，用于存储预先建立的学习者的生理信息数据；生理信息数据分析模块，用于将接收到的生理信息数据与数据库的生理信息进行比对处理并发送异常数据；管理与控制模块、对接收到的异常数据进行分析判断并发出反馈指令；学习内容控制与干预模块，根据反馈指令发送对应学习内容至学习终端对学习者进行控制和干预。

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