CN105988603A - 安全型眼电鼠标 - Google Patents

Abstract

一种安全型眼电鼠标属于手脚不灵便的老年人及瘫痪病人急需要计算机实现对相应文件的打开、关闭、单击、双击、上下翻页的基本操作领域。它主要包括眼电信号与语音信号的采集与处理系统；Ag‑Agcl电极采集眼电信号；微弱的眼电信号经放大、滤波、50hz陷波等必要信号调理；使用DSP2812进行信号的数字滤波和A/D转换；语音控制模块的硬件设计和软件程序编写；基于USB通信协议，编写HID(人机交互设备)单片机可执行程序；利用MATLAB工具FDATool辅助DSP设计滤波器；数字滤波FIR程序的编制；系统通过HID(人机交互设备)设备与计算机通讯，通过眼电信号和语音控制，安全地实现鼠标基本功能。

Description

安全型眼电鼠标

应用领域

本发明及实现对计算机文件的打开、关闭、单击、双击、上下翻页操作的系统，属于计算机安全领域。

技术背景

随着社会的发展，计算机技术的进步，利用鼠标、键盘等常见的输入设备进行操作的传统的人机交互方式已经不能满足人们的要求，尤其是人口的老龄化日益严重的今天，特别是手脚不灵便的老年人及手脚瘫痪病人急需要不需依靠肢体进行信息交流的人机交互系统，让病人或残疾人能够依靠自己的意念，安全地与计算机进行信息交流的眼电信号的安全型眼电鼠标。

发明内容

安全型眼电鼠标主要是眼电信号和语音信号采集与处理系统，主要包括：Ag-Agcl电极采集眼电信号；微弱的眼电信号经放大、滤波、50hz陷波等必要信号调理；使用DSP2812进行信号的数字滤波和A/D转换；语音控制模块的硬件设计和软件程序编写；基于USB通信协议，编写HID(人机交互设备)单片机可执行程序；利用MATLAB工具FDATool辅助DSP设计滤波器；数字滤波FIR程序的编制；系统通过HID设备与计算机通讯，通过眼电信号和语音控制，安全地实现鼠标的基本功能。

图示说明

上文所述的本发明方面以及其他特征将在下文中结合相关的附图进行说明。

图1是前置放大电路。

图2是右腿驱动和屏蔽驱动电路。

图3是带通滤波电路。

图4是50Hz限波电路。

图5是主放大电路。

图6是电平抬升电路。

图7钳位电路。

5具体实施方式

上文所述的本发明各个方面以及其他特征将结合相关的附图进行如下描述。

安全型眼动鼠标主要由眼电信号采集与处理模块、USB鼠标模块和语音模块构成。而眼电数据采集和分析系统包括信号调理电路和处理电路两个部分，也就是模拟和数字两部分。眼电数据采集电路包括前端放大和右腿驱动电路、主放大和滤波电路、电平抬高电路、钳位电路。眼电数据处理电路包括A/D转换模块、电源管理模块、TMS320F2812处理器模块电路等。

图1前置放大电路是整个信号放大最关键的环节，关系到整个模拟采集部分的工作性能。前面已经对眼电信号的干扰因素已经有比较全面和详细的介绍，设计电路时必须把这些干扰因素减小到最小。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”，关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要，本系统主要基于以下三个方面来确定前置放大器的选型。

(1)眼电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到眼电放大器；无处不在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。眼电信号前置放大器的共模抑制比一般要在80dB以上。

(2)电极和皮肤接触会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定状态。所以眼电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱眼电信号的衰减影响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数K欧姆之间，眼电前置放大器的输入阻抗应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。

(3)由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的眼电信号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择眼电信号放大器时更要选择低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大，眼电信号中的低频成分不能得到正确的测量。

综上所述前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂这几个方面着手。本系统选用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常适合作为眼电信号测量前置放大器，其具体规格特性如下：

1)电源供应范围：±2.3v～±18v

2)高精度：输人最大偏置电流：1mA；输入最大失调电流：0.5mA；输入最大失调电压：50uV；最大温度漂移：0.6uV/℃；输入阻抗：10GΩ。

3)低杂讯：输入电压噪声(f＝1KHz)：共模抑制比(增益G＝10)：100dB

4)AD620的增益可调，范围为1～1000倍，通过调节AD620A的1和8脚之间的R_g的值来实现，公式为

$G=1+\frac{49.4k\mathrm{\Ω}}{R_g}---\left(1\right)$

前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数(CMRR)，很大程度上取决于电路的对称性，信号采集电路采用典型的差分放大电路来作为前置放大级，可以有效地提高共模抑制比。如图1所示。两个放大器接成射极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；放大器将的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，进一步提高共模抑制比；将放大器和电阻电容构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制50Hz工频干扰。虽然本系统选用了Ag-AgCl去极化电极，但是两个电极的极化电压不可能完全一致，极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，严重会导致放大器进入截止或饱和状态。这种极化电压的存在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太大，信号采集电路的前置放大电路的增益为

$G=1+\frac{49.4k\mathrm{\Ω}}{5.6k\mathrm{\Ω}}\≈9.82$

右腿驱动电路原因是眼电电极和电力线之问由于存在电容耦合会产生位移电流Id，位移电流大部分从人体流经地，对人体是十分有害的。皮肤与接地间的接地阻抗为Z₃，位移电流流经Z₃建立共模电压，对微弱的眼电信号检测影响很大。

假定Z1，Z2为皮肤和电极1，2间的接触电阻，Id₁、Id₂为眼电电极1、2和电力线之间的位移电流，则导联信号的两个电极输入端A，B因位移电流将产生电位差：

V_a＝Id₁Z₁+(Id₁+Id₂)Z₃ (2)

V_b＝Id₂Z₂+(Id₁+Id₂)Z₃ (3)

|V_a-V_b|＝|Id₁Z₁-Id₂Z₂| (4)

降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器的输出。如图2从电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器放大后通过电阻反馈到右腿。人体的位移电流这时候不再流入地而是流入电阻和辅助放大器的输出。电阻起安全保护作用，当病人和地之间出现很高电压时辅助放大器饱和，右腿驱动不起作用，这时候运算放大器等效于接地，电阻此时起到限流保护作用。

右腿驱动电路实际可以看成以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，任何流入人体的位移电流基本等于反馈电阻上的驱动电流。只要放大器的开环增益足够大，那么即使有大的位移电流流入人体，人体的电位基本保持零电位。采用右腿驱动电路，对50Hz干扰的抑制并不以损失眼电信号的频率成分为代价。但由于右腿驱动存在交流干扰电压的反馈电路，而交流电流经人体，成为不安全因素，限流电阻通常在1MQ以上。

屏蔽驱动电路的作用是减小导联线到屏蔽线之间的漏电流，提高电路的输入阻抗，保障患者的安全。其工作原理为：导联引线用屏蔽电缆，这样，信号通过电缆传输时，在信号线(芯线)和电缆屏蔽层之间将存在着分布电容，长度为2米的导联线，其分布电容大约为200pF，在这种情况下对50Hz的工频干扰信号存在的容抗大约为几个兆欧。如果屏蔽线接地，由于这个容抗与输入电路的输入阻抗处于并联状态，这将大大降低整个系统的输入阻抗，又由于导联线直接连接在人体上，这又会增加人体到地之间的漏电流，降低了安全系数。屏蔽驱动器实际上就是一个同相电压跟随器，将放大器的输出端和屏蔽相连，这样就将屏蔽线和地隔开，并且对于50Hz的共模干扰信号来说，从人体输入的两路信号是相等的，则由屏蔽驱动器输出的电压和干扰信号大小相等，也就是说，导联线和屏蔽线之间的电压差为0V，从而消除了其间的电容，提高了输入电路的阻抗，降低人与地之间的漏电流，保障了患者的安全。

图3是带通滤波电路图采用0P-07的两个运放设计成二阶有源高通和低通滤波电路并组合成带通滤波，两个运放的增益为l。电信号前置放大电路对50Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要专门的滤波电路来滤除，模拟带阻滤波器，俗称陷波器。

信号采集电路实际采用的就是这种双T网络构成的带阻滤波器，如图4所示。实际调试过程表明，该电路对50Hz的衰减在42.9dB左右，对工频干扰有一定的遏制作用，但并不能满足系统要求。值得一提的是，考虑到后续DSP芯片强大的数字滤波能力，并综合考虑成本，本系统不再设计高阶的模拟50Hz陷波电路，而是把进一步的滤波任务由DSP来完成。

眼电信号的幅度约为0.05mV～5mV，AD转换的输入电平要求为3.3V，因此必须实现眼电信号的高增益放大800～1000倍左右。前置放大了约10倍，理论上主运放放大100倍左右即可。主放大电路原理比较简单，如图5所示实际就是同相比例放大电路。放大倍数为101。

由于本系统的AD转换是通过单3.3V电平供电的，而EOG信号经过放大后会是交变信号，为了是眼电信号不失真，必须在把信号送到AD转换之前，把电平给抬升上去。这里采用了一个2.5V的稳压管LM385经电阻分压，从而把电平抬升上去，如图6所示。

DSP2812是非常脆弱的，AD采样端口的最高采样输入电压是3V，DSP输入电压超过0～3.3V范围时，容易烧毁DSP芯片，为了保险起见，在信号进DSP的AD口时，最好加如图7所示的钳位电路。

DSP信号处理系统的设计是采用TI的TMS320F2812，TMS320F2812DSP是基于TI公司TMS320C2000DSP内核的定点数字信号处理器，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。通过matlab的FDAtool辅助设计FIR滤波器，从而得到数字滤波算法的设计。

USB鼠标模块核心处理单元选用Atmel公司的8位处理器AT89S52，本模块基于USB通信协议，通过源程序模拟USB通信时序，操作以USBD12芯片为核心的硬件单元，实现鼠标功能。将语音识别模块和USB鼠标模块想结合，处理声音信号，实现语音控制相关操作的功能。

语音识别模块采用以ARM为核心的嵌入式语音识别模块。核心处理单元选用ST公司的32位处理器STM32F103C8T6。该芯片基于ARMCotrex-M332位的RISC内核，工作频率最高可达72MHz，内置高速存储器(64KB的闪存和20KB的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32系列提供了全新的32位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。本模块以对话管理单元为中心，通过以LD3320芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能，采用嵌入式操作系统μC/OS-II来安全地实现统一的任务调度和外围设备管理。

这种安全型眼电鼠标操作简单，可大大普及手脚残疾人士的电脑使用，推广应用具有重大的社会效益和经济效益。

Claims (1)

1.一种安全型眼电鼠标，包括信号采集放大装置，语音信号采集控制装置和HID人机交互装置，其特征在于：

通过Ag-Agcl电极采集生物电信号送入信号采集调理板处理，该电路由前置放大电路(1)、右腿驱动和屏蔽驱动电路(2)、带通滤波电路(3)、50Hz限波电路(4)、主放大电路(5)、电平抬升电路(6)、钳位电路(7)组成；

经过信号调理板过后的信号送入DSP进行AD转换和数字滤波，滤波过后的信号和语音模块的信号经过HID设备和计算机进行通讯，从而安全地完成对于相应文件的打开、关闭、单击、双击、上下翻页的基本操作。