CN106340164A - 基于无线通信的便携式多人脑电数据同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统，包括多路脑电信号处理单元和至少两个便携式脑电仪。其中，便携式脑电仪包括脑电采集模块和无线从端模块；多路脑电信号处理单元包括无线主端模块、嵌入式微处理器、以太网模块、WIFI模块、USB模块和电源模块。本发明采用无线通信方式，通过多点调度管理实现同步采集多人脑电数据的功能，并且通过以太网、USB、WIFI等多种数据接口对外同步输出所有数据，便于上位机进行数据的显示、记录和分析等操作。系统具有体积小、携带方便、操作简单的优势，使用中不受场地和环境限制，被采集者在脑电采集过程中也不受线缆束缚，可应用于科研、教育等应用领域。

Description

基于无线通信的便携式多人脑电数据同步采集系统

技术领域

本发明涉及生物信号采集技术领域，具体涉及一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统。

背景技术

脑电是人的大脑在活动时产生的生物电信号，脑电是一种比较敏感的客观指标，不仅可以用于脑科学的基础理论研究，而且还可以通过对这些脑电信号的分析，提取出反应人的情绪特征和精神状态等大脑活动的多种信息。

目前存在便携式的脑电采集装置，此类装置通过干电极采集脑电信号，然后将信号通过无线或有线方式传送到计算机上进行数据处理。如CN203898306U，2014年10月29日公开的专利中提出的装置可以在日常环境中通过简单方法采集脑电信号，但此类便携式脑电装置只能针对单个个体进行脑电信号采集，无法实现在日常环境中同时对多人脑电数据进行同步采集的功能。目前也存在可以同时采集多人脑电数据的装置，但此类装置需要使用医用的脑电仪，采集的脑电数据以有线方式通过线缆传输给中央处理设备，系统体积庞大、价格昂贵，不具备便携性的特点，使用的环境限制在室内，使用者需固定在座位上，无法自由移动，并且由于受限于使用成本和场地，使用此类系统可同时进行脑电采集的人数较少，不能满足同时对数百人的脑电数据进行同步采集的要求。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统，可在日常环境中对数百至数千人的脑电数据进行同步采集。

本发明的技术方案是：一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统，包括多路脑电信号处理单元和至少两个便携式脑电仪。其中，所述的多路脑电信号处理单元包括无线主端模块、嵌入式微处理器、WIFI(Wireless Fidelity,无线局域网)模块、以太网模块、USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)模块和电源模块，所述的便携式脑电仪包括脑电采集模块和无线从端模块。

所述的便携式脑电仪在使用时佩戴在使用者的头部。所述的脑电采集模块实现对脑电信号的采集和处理。所述的无线从端模块的输入端与脑电采集模块的输出端连接，用于接收脑电采集模块输出的脑电数据，并将数据以无线方式发送出去。

所述的无线主端模块通过无线方式与多个便携式脑电仪中的无线从端模块进行双向数据通信，接收所有无线从端模块发送的数据，无线主端模块的输出端与嵌入式微处理器的输入端连接。

所述的嵌入式微处理器通过无线主端模块与多个便携式脑电仪中的无线从端模块进行双向无线数据通信，实现对包括无线主端模块和多个无线从端模块在内的多点无线通信的调度管理，以采集所有便携式脑电仪的脑电数据，并且，为保证多点数据的同步，嵌入式微处理器定时发送校时和同步指令，所有从端模块发送的数据中都包括脑电数据和时间戳数据。所述的嵌入式微处理器的多点无线通信调度管理流程包括如下步骤：

(1)嵌入式微处理器通过无线主端模块向所有无线从端模块发送校时数据和同步指令，通知从端模块准备发送数据；

(2)所有从端模块执行校时功能并进入等待发送数据状态；

(3)嵌入式微处理器点名1号从端模块发送数据；

(4)1号从端模块收到点名请求后即发送1号便携式脑电仪的数据，数据中包括脑电数据和时间戳数据；

(5)嵌入式微处理器收到1号从端模块的数据后即重复流程步骤3、步骤4来点名请求2号从端模块发送数据；

(6)嵌入式微处理器依次点名其它所有从端模块依次发送数据；

(7)所有从端模块数据均发送完毕后，嵌入式微处理器即完成一次多点数据采集过程，然后重复步骤1到步骤7开始下一轮数据采集过程。

所述的嵌入式微处理器在收到一个从端模块的数据后，即将数据通过以太网、WIFI和USB对外接口向外输出数据，输出的数据中包含脑电数据和时间戳数据，以保证数据输出的实时性和同步性。

所述的以太网模块与嵌入式微处理器相连接，以太网模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过以太网接口对外传输所有数据。

所述的WIFI模块与嵌入式微处理器相连接，WIFI模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过无线局域网对外传输所有数据。

所述的USB模块与嵌入式微处理器相连接，USB模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过USB接口对外输出所有数据。所述的USB模块还可用于实现多个多路脑电信号处理单元之间的级联功能。所述的级联是指将多个多路脑电信号处理单元相连接，以扩充系统容量，实现同步采集更多数量脑电仪的数据的功能。其技术方案描述如下：

第一多路脑电信号处理单元的USB模块和第二多路脑电信号处理单元的USB模块相连接，第一多路脑电信号处理单元通过其USB模块接收来自第二多路脑电信号处理单元通过其USB模块输出的数据，并将数据传输给第一多路脑电信号处理单元的嵌入式微处理器，该嵌入式微处理器将接收自USB模块的数据和接收自无线主端模块的数据进行组合，形成第一多路脑电信号处理单元和第二多路脑电信号处理单元的组合数据，该组合数据包含了第一多路脑电信号处理单元和第二多路脑电信号处理单元采集的所有脑电仪的脑电数据和相应的时间戳数据，并且，第一多路脑电信号处理单元通过以太网模块和WIFI模块输出这些组合数据。

所述的电源模块为多路脑电信号处理单元提供工作电源。

本发明的有益效果是：本发明提供的便携式多人脑电数据同步采集系统可以对数百至数千人的脑电数据进行同步采集，系统使用不受场地和环境限制，既可以在室内也可以在室外进行数据采集。被采集者佩戴便携式脑电仪，所有数据通过无线方式发送到多路脑电信号处理单元，使用过程中被采集者不受线缆束缚。并且，系统在数据采集过程中通过同步调度管理保证了多点数据的同步性和完整性。同时，采集的数据通过以太网、USB、WIFI等多种数据接口对外同步输出，上位机通过这些端口可以实时获取所有数据进行显示、记录和分析，使得系统可广泛应用于科研、教育、医疗等需要在日常环境中同步采集多人脑电数据的应用领域。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明通过级联方式扩充系统容量，以实现同步采集更多数量脑电仪数据功能的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。

参见图1，本发明提供一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统，包括多路脑电信号处理单元1和至少两个便携式脑电仪2。其中，所述的便携式脑电仪2包括脑电采集模块21和无线从端模块22，其形态可以是一个发带、帽子，或者是头盔，使用者可以很方便将该装置佩戴在头部。所述的多路脑电信号处理单元1包括无线主端模块11、嵌入式微处理器12、WIFI模块13、以太网模块14、USB模块15和电源模块16。

本实施例中，所述的脑电采集模块21是一块内置有脑电采集芯片、干电极传感器和锂电池的模块，脑电采集芯片采用NeuroSky公司的TGAT芯片，该芯片通过干电极传感器采集脑电信号，并在芯片内部实现了脑电信号的采集、滤波、放大、A/D转换、数据处理及分析等功能，并通过标准UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)接口对外输出脑电数据。

所述的无线从端模块22为一块内置无线SoC(System on Chip)芯片的模块，无线芯片采用TI公司的CC2510无线收发芯片，该芯片工作在2.4G频率波段，是一块内嵌单片机的可编程无线收发器芯片。该无线从端模块22的输入端与脑电采集模块21的输出端通过标准UART接口连接，接收脑电采集模块21输出的脑电数据，将数据以无线方式传送出去。

所述的无线主端模块11为一块内置TI公司的CC2510无线收发芯片的模块。该无线主端模块11通过无线方式与多个无线从端模块22进行双向数据通信，向所有无线从端模块22发送调度指令，并且接收所有无线从端模块22发送来的数据。并且，该无线主端模块11与嵌入式微处理器12通过标准UART接口连接，将通过无线方式接收的所有数据传输给嵌入式微处理器。

所述的嵌入式微处理器12采用博通公司(Broadcom Corporation)出产的ARM架构BCM2835处理器。该嵌入式微处理器12通过UART接口与无线主端模块11连接，以实现与无线主端模块11之间的数据传输。该嵌入式微处理器12通过无线主端模块11与多个便携式脑电仪中的无线从端模块22进行无线数据通信，实现对包括无线主端模块11和多个无线从端模块22在内的多点无线通信的调度管理，以采集所有便携式脑电仪2的脑电数据。为保证多点数据的同步，嵌入式微处理器12定时发送校时和同步命令，所有从端模块22发送的数据中都包括脑电数据和时间戳数据。所述的嵌入式微处理器12的多点无线通信调度管理流程描述如下：

(1)嵌入式微处理器12通过无线主端模块11向所有无线从端模块22发送校时数据和同步指令，通知从端模块准备发送数据；

(2)所有无线从端模块22执行校时功能并进入等待发送数据状态；

(3)嵌入式微处理器点名1号从端模块发送数据；

(4)1号从端模块收到点名请求后即发送1号便携式脑电仪的数据，数据中包括脑电数据和时间戳数据；

(5)嵌入式微处理器12收到1号从端模块的数据后即重复流程步骤3、步骤4来点名请求2号从端模块发送数据；

(6)嵌入式微处理器12依次点名其它所有从端模块依次发送数据；

(7)所有从端模块数据均发送完毕后，嵌入式微处理器12即完成一次多点数据采集过程。然后重复步骤1到步骤7开始下一轮数据采集过程。

所述的嵌入式微处理器12在收到一个从端的数据后，即将数据通过以太网、WIFI和USB对外接口向外输出数据，输出的数据中包含脑电数据和时间戳数据，以保证数据输出的实时性和同步性。

所述的WIFI模块13内置有博通公司出产的WIFI芯片BCM43236，以实现通过WIFI协议与其他上位机进行数据通信的功能。WIFI模块13与嵌入式微处理器12通过GPIO端口(General Purpose Input Output,通用输入/输出)相连接，WIFI模块13接收嵌入式微处理器12传输的所有数据，并且通过无线局域网对外输出所有数据。

所述的以太网模块14和USB模块15基于SMSC公司出产的LAN9514芯片来实现相应的功能，LAN9514芯片集成了一个10/100以太网控制器和一个高速USB 2.0集线器。LAN9514芯片通过GPIO端口与嵌入式微处理器12相连接。以太网模块14接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过以太网接口对外输出所有数据。USB模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过USB接口对外输出所有数据。

所述的USB模块还用于实现多个多路脑电信号处理单元之间的级联功能。所述的级联是指将多个多路脑电信号处理单元相连接，以扩充系统容量，实现同步采集更多数量脑电仪的数据的功能。所述的电源模块为多路脑电信号处理单元提供工作电源。

图2描述了本发明一个实施例提供的3个多路脑电信号处理单元进行级联的连接示意图，如图2所示，有3个多路脑电信号处理单元进行级联，其中多路脑电信号处理单元1与多路脑电信号处理单元2相连接，多路脑电信号处理单元2同时与多路脑电信号处理单元1和多路脑电信号处理单元3相连接。多路脑电信号处理单元3通过USB接口将其采集的所有数据传输给多路脑电信号处理单元2，多路脑电信号处理单元2将接收自USB模块的数据和接收自无线主端模块的数据进行组合，形成多路脑电信号处理单元3和多路脑电信号处理单元2的组合数据，该组合数据包含了多路脑电信号处理单元3和多路脑电信号处理单元2采集的所有脑电仪的脑电数据和相应的时间戳数据；多路脑电信号处理单元2通过USB接口将其采集的组合数据传输给多路脑电信号处理单元1，多路脑电信号处理单元1将接收自USB模块的数据和接收自无线主端模块的数据进行组合，形成多路脑电信号处理单元3、多路脑电信号处理单元2和多路脑电信号处理单元1的组合数据，该组合数据包含了多路脑电信号处理单元3、多路脑电信号处理单元2和多路脑电信号处理单元1采集的所有脑电仪的脑电数据和相应的时间戳数据。通过此级联方式即可得到这3个多路脑电信号处理单元采集的所有数据，然后多路脑电信号处理单元1通过其WIFI接口和以太网接口将所有数据对外传输出去，上位机通过这些接口即可获取所有脑电仪的同步数据。

以上所述的仅是本发明的一种实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干修改、等同替换和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于无线通信技术的便携式多人脑电数据同步采集系统，其特征在于：包括多路脑电信号处理单元和至少两个便携式脑电仪，所述的便携式脑电仪包括脑电采集模块和无线从端模块，所述的多路脑电信号处理单元包括无线主端模块、嵌入式微处理器、以太网模块、WIFI模块、USB模块和电源模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的便携式脑电仪在使用时佩戴在使用者的头部，所述的脑电采集模块实现对脑电信号的采集和处理，所述的无线从端模块的输入端与脑电采集模块的输出端连接，用于接收脑电采集模块输出的脑电数据，并将数据以无线方式发送出去。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的无线主端模块通过无线方式与多个无线从端模块进行双向数据通信，接收所有无线从端模块发送的数据，无线主端模块的输出端与嵌入式微处理器的输入端连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的嵌入式微处理器通过无线主端模块与多个便携式脑电仪中的无线从端模块进行双向无线数据通信，实现对包括无线主端模块和多个无线从端模块在内的多点无线通信的调度管理，以采集所有便携式脑电仪的脑电数据，并且，为保证多点数据的同步，嵌入式微处理器定时发送校时和同步指令，所有从端模块发送的数据中都包括脑电数据和时间戳数据，所述的嵌入式微处理器的多点无线通信调度管理流程包括如下步骤：

(1)嵌入式微处理器通过无线主端模块向所有无线从端模块发送校时数据和同步指令，通知从端模块准备发送数据；

(2)所有从端模块执行校时功能并进入等待发送数据状态；

(3)嵌入式微处理器点名1号从端模块发送数据；

(4)1号从端模块收到点名请求后即发送1号便携式脑电仪的数据，数据中包括脑电数据和时间戳数据；

(5)嵌入式微处理器收到1号从端模块的数据后即重复流程步骤3、步骤4来点名请求2号从端模块发送数据；

(6)嵌入式微处理器依次点名其它所有从端模块依次发送数据；

(7)所有从端模块数据均发送完毕后，嵌入式微处理器即完成一次多点数据采集过程，然后重复步骤1到步骤7开始下一轮数据采集过程。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的嵌入式微处理器在收到一个从端模块的数据后，即将数据通过以太网、WIFI和USB对外接口向外输出数据，输出的数据中包含脑电数据和时间戳数据，以保证数据输出的实时性和同步性。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的以太网模块与嵌入式微处理器相连接，以太网模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过以太网接口对外传输所有数据。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的WIFI模块与嵌入式微处理器相连接，WIFI模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，并且通过无线局域网对外传输所有数据。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的USB模块与嵌入式微处理器相连接，USB模块接收嵌入式微处理器传输的所有数据，通过USB接口对外传输所有数据，并且，所述的USB模块还用于支持多个多路脑电信号处理单元之间的级联，以扩充系统容量，实现同步采集更多数量脑电仪的数据的功能。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述的电源模块为多路脑电信号处理单元提供工作电源。