CN104068851A - 基于fpga的脑电信号采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA的脑电信号采集系统和方法，该系统包括有多通道信号接收模块、并行处理模块、信号滤波模块、峰值检测模块和信号提取模块，所述多通道信号接收模块的输出端依次通过并行处理模块、信号滤波模块和峰值检测模块连接至信号提取模块的输入端。本发明通过基于FPGA的处理平台接收脑电信号，利用移位寄存器进行均值滤波、峰值检测，利用存储队列和计数器进行信号提取，实用较少的资源达到滤波效果，将有用信号从每个通道中提取出来，具备高灵活性和高速并行计算等优势，能够并行处理多个通道，从而实时采集和提取，以便下游模块分析和处理。本发明作为基于FPGA的脑电信号采集系统和方法可广泛应用于信号分析领域。

Description

基于FPGA的脑电信号采集系统和方法

技术领域

本发明涉及信号分析领域，尤其是基于FPGA的脑电信号采集系统和方法。

背景技术

研究大脑皮层活动状况，从而了解大脑的工作原理、医治脑疾病等，具有重要的科学意义及广阔的应用前景。但是当大脑皮层生物电信号通道数多、信息量大时，如何保证对大规模信号的实时采集和提取，成为了一个亟需迫切解决的问题。

传统的大规模脑电信号采集和提取可分为软件与硬件方法两大类：软件方法优点是成本较低，操作较为简单。缺点是由于运算速度的限制，无法满足对大规模脑电信号的在线处理要求；硬件方法多采用高性能计算机作为主要处理单元，优点是能满足信号的在线处理要求，缺点是其移植性非常差且配置复杂，价格昂贵，功耗过高，使其仅限于实验研究，难以作为产业化实现。传统的脑电采集和提取方法，最多仅能处理1000个通道，相对于大脑皮层数以亿计的活动细胞，完全不能满足需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于FPGA的以较少硬件资源实现的应对干扰环境的多通道脑电信号采集系统。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种基于FPGA的以较少硬件资源实现的应对干扰环境的多通道脑电信号采集方法。

本发明所采用的技术方案是：基于FPGA的脑电信号采集系统，包括有多通道信号接收模块、并行处理模块、信号滤波模块、峰值检测模块和信号提取模块，所述多通道信号接收模块的输出端依次通过并行处理模块、信号滤波模块和峰值检测模块连接至信号提取模块的输入端。

进一步，所述多通道信号接收模块包括有第一计数器和用于接收脑电信号并将脑电信号送到相应通道进行并行输出的脑电信号选择器，所述第一计数器的输出端连接至脑电信号选择器的输入端。

进一步，所述并行处理模块包括有与脑电信号选择器中通道数相应的多通道处理模块，所述多通道处理模块为根据TGAM模块编码标准实现的解码模块。

进一步，所述信号滤波模块包括有移位寄存器和均值滤波器，所述移位寄存器用于保存脑电信号数据，所述移位寄存器的输出端连接至均值滤波器的输入端。

进一步，所述峰值检测模块包括有数据寄存器、波峰检测子模块和峰值判断子模块，所述数据寄存器用于接收均值滤波器的输出信号，所述数据寄存器的输出端通过波峰检测子模块连接至峰值判断子模块的输出端。

进一步，所述信号提取模块包括有存储器、脑电信号计数器和数据发送子模块，所述存储器用于接收峰值检测模块发送的信号，所述存储器的输出端连接至数据发送子模块的输入端，所述脑电信号计数器与存储器连接。

本发明所采用的另一技术方案是：基于FPGA的脑电信号采集方法，包括以下步骤：

A、多通道信号接收模块将脑电信号按照时分复用方式分别送到相应的通道中并行输出；

B、并行处理模块接收上述并行输出信号，并根据编码标准对每个通道的信号解码从而得到原始脑电信号；

C、利用移位寄存器对上述原始脑电信号进行均值滤波；

D、利用上述均值滤波的结果对信号进行波峰检测，然后进行峰值判断；

E、将峰值判断的结果发送至信号提取模块并输出。

进一步，所述移位寄存器中保存4个脑电信号，所述均值滤波的滤波表达式为：

p’=p+n₁/4+n₄/4，

其中p为当前的均值，p’为下一时刻的均值，n₁为当前的脑电信号幅度值，n₄为前面第四个时刻的脑电信号幅度值。

进一步，所述步骤D具体包括以下子步骤：

D1、将最近的6个均值滤波结果数据存入数据寄存器；

D2、读取数据寄存器中的数据，若前三个数据逐渐变大，后三个数据逐渐变小，则记录峰值；

D3、利用上述得到的峰值和3个设定好的峰值判断值分离出3种不同细胞的脑电信号。

进一步，所述步骤E具体包括以下子步骤：

E1、步骤D3中的脑电信号存储到信号提取模块中的存储队列中； 

E2、信号提取模块中，对应3种不同细胞的脑电信号的3个计数器分别对3种不同细胞的脑电信号进行计数。

本发明的有益效果是：本发明系统通过基于FPGA的处理平台接收脑电信号，利用移位寄存器进行均值滤波、峰值检测，利用存储队列和计数器进行信号提取，实用较少的资源达到滤波效果，将有用信号从每个通道中提取出来，具备高灵活性和高速并行计算等优势，能够并行处理多个通道，从而实时采集和提取，以便下游模块分析和处理。

本发明的另一有益效果是：本发明方法通过基于FPGA的处理平台接收脑电信号，利用移位寄存器进行均值滤波、峰值检测，利用存储队列和计数器进行信号提取，实用较少的资源达到滤波效果，将有用信号从每个通道中提取出来，具备高灵活性和高速并行计算等优势，能够并行处理多个通道，从而实时采集和提取，以便下游模块分析和处理。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明系统的具体结构框图；

图3为本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，本发明基于FPGA的脑电信号采集系统，包括有多通道信号接收模块、并行处理模块、信号滤波模块、峰值检测模块和信号提取模块，所述多通道信号接收模块的输出端依次通过并行处理模块、信号滤波模块和峰值检测模块连接至信号提取模块的输入端。

（1）多通道信号接收模块

由于FPGA可以处理的通道多达数以万个，而FPGA的管脚数仅有几百个。参照图2，本发明采用时分复用的方式，多个通道共用一个管脚，按时分复用方式，每个通道依次传输。FPGA模块内部有计数器，用于指示目前的脑电信号属于哪个通道。选择器根据计数器的指示，将目前的脑电信号送到相应的通道中，然后并行输出。

（2）并行处理模块

参照图2，FPGA按时分复用方式得到每个通道的信号后，分别进入不同的处理单元。这些处理单元都是并行工作的，从而保证了每个通道都能得到实时处理。并行处理模块需按照TGAM模块根据信号的编码标准开发相应的解码模块，以恢复出原始生物电信号。

（3）信号滤波模块

脑细胞的跳动周期，一般为2Hz，相对于FPGA的50MHz处理速度来说非常小。脑电信号是一个低频率的信号。在信号采集过程中，由于受到各种干扰，脑电信号包含了许多噪声。因此有必要对接收的脑电信号进行低通滤波，从而得到较为精确的脑电信号。

本发明采用采用均值滤波器，对原始脑电信号进行滤波。具体实施方法为：采用移位寄存器保存4个脑电数据。计算原始脑电信号的均值，公式为p’=p+n₁/4-n₄/4。其中p为当前的均值，p’为下一时刻的均值,n₁为当前的脑电信号幅度值，n₄为前面第四个时刻的脑电信号幅度值。在FPGA中可以通过移位的方式实现除以4的运算，可大量节省资源，并能提高速度。

本发明的信号滤波方法，每个通道的滤波仅需要8个寄存器、一个加法器和一个减法器实现，使用了较少的资源达到了滤波效果。

（4）峰值检测模块

滤波后的脑电信号，通过采用波峰检测，判断是否有脑电信号。具体实施方法为：采用移位寄存器保存前后6个均值滤波器的结果；对这6个均值滤波器的大小进行判断，如果前三个值为逐渐变大，而后三个值逐渐变小，则说明有一个信号波峰出现。例如移位寄存器中保存了n1~n6一共6个数据，如果n1小于等于n2，n2小于等于n3，n4大于等于n5，n5大于小于n6，则说明出现一个信号波峰。

波峰检测完成后，完成峰值判断。由于一个通道采样得到的脑电波信号，极有可能是几个脑细胞合成的。每个脑细胞的峰值均不相同，因此可通过判断峰值的大小，从而分离出不同细胞的脑电信号。具体实施方法为：设置三个峰值判断值R1,R2,R3，其中R1<R2<R3。当n3或n4小于R1时，判断此为毛刺；当n3或n4大于R1小于R2时，判断此为细胞1的脑电信号；当n3或n4大于R2小于R3时，判断此为细胞2的脑电信号；当n3或n4大于R3时，判断此为细胞3的脑电信号。

由于R1、R2和R3的峰值可以配置，因而适应多种不同的环境需求，可以根据环境要求，动态调整配置值。

（5）信号提取模块

经过前面流程的处理，每个通道可判断得到三个脑细胞的脑电信号。每个通道有三个输出，经过峰值检测模块后，将此信号的波峰值送至三个不同的输出显示。

具体实施方法为：先将原始脑电信号储存于存储器中，存储25个采样点。当存储器满后，按先进先出的原则，读出一个值的同时存储一个新值。

提取模块内部有三个计数器，分别对应于三个输出。当峰值检测判断出峰值后，相应的计数器开始计数，共计数50个。例如，识别为细胞3的脑电信号后，第3个计数器开始计数，每得到一个新采样值，计数器加1，当加到50时，将计数器的值变成0。

当计数器不为0时，读取存储器的值，送到对应的输出端。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：包括有多通道信号接收模块、并行处理模块、信号滤波模块、峰值检测模块和信号提取模块，所述多通道信号接收模块的输出端依次通过并行处理模块、信号滤波模块和峰值检测模块连接至信号提取模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：所述多通道信号接收模块包括有第一计数器和用于接收脑电信号并将脑电信号送到相应通道进行并行输出的脑电信号选择器，所述第一计数器的输出端连接至脑电信号选择器的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：所述并行处理模块包括有与脑电信号选择器中通道数相应的多通道处理模块，所述多通道处理模块为根据TGAM模块编码标准实现的解码模块。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：所述信号滤波模块包括有移位寄存器和均值滤波器，所述移位寄存器用于保存脑电信号数据，所述移位寄存器的输出端连接至均值滤波器的输入端。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：所述峰值检测模块包括有数据寄存器、波峰检测子模块和峰值判断子模块，所述数据寄存器用于接收均值滤波器的输出信号，所述数据寄存器的输出端通过波峰检测子模块连接至峰值判断子模块的输出端。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的脑电信号采集系统，其特征在于：所述信号提取模块包括有存储器、脑电信号计数器和数据发送子模块，所述存储器用于接收峰值检测模块发送的信号，所述存储器的输出端连接至数据发送子模块的输入端，所述脑电信号计数器与存储器连接。

7.基于FPGA的脑电信号采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

       A、多通道信号接收模块将脑电信号按照时分复用方式分别送到相应的通道中并行输出；

       B、并行处理模块接收上述并行输出信号，并根据编码标准对每个通道的信号解码从而得到原始脑电信号；

       C、利用移位寄存器对上述原始脑电信号进行均值滤波；

       D、利用上述均值滤波的结果对信号进行波峰检测，然后进行峰值判断；

       E、将峰值判断的结果发送至信号提取模块并输出。

8.根据权利要求7所述的基于FPGA的脑电信号采集方法，其特征在于：所述移位寄存器中保存4个脑电信号，所述均值滤波的滤波表达式为：

p’=p+n₁/4+n₄/4，

其中p为当前的均值，p’为下一时刻的均值，n₁为当前的脑电信号幅度值，n₄为前面第四个时刻的脑电信号幅度值。

9.根据权利要求7所述的基于FPGA的脑电信号采集方法，其特征在于：所述步骤D具体包括以下子步骤：

D1、将最近的6个均值滤波结果数据存入数据寄存器；

D2、读取数据寄存器中的数据，若前三个数据逐渐变大，后三个数据逐渐变小，则记录峰值；

D3、利用上述得到的峰值和3个设定好的峰值判断值分离出3种不同细胞的脑电信号。

10.根据权利要求9所述的基于FPGA的脑电信号采集方法，其特征在于：所述步骤E具体包括以下子步骤：

       E1、步骤D3中的脑电信号存储到信号提取模块中的存储队列中； 

       E2、信号提取模块中，对应3种不同细胞的脑电信号的3个计数器分别对3种不同细胞的脑电信号进行计数。