CN107193240A - 一种高通量生理信号采集分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高通量生理信号采集分析装置，包括依次连接的记录电极、若干探头、FPGA、通信模块和PC机；所述记录电极将所述神经信号传至所述探头；所述探头包括两个相互连接的采集芯片，实现若干通道的所述神经信号降噪并行采集，将所述神经信号数模转换后转至所述FPGA；所述FPGA通过LVDS SPI协议获取所述16位数模转换器转换后的数据，并将所述通道数据进行汇聚，通过所述通信模块传送至所述PC机；所述PC主机，用于对所述通信模块传输的数据进行实时处理和分析。本发明提供一种具有高集成度，高通量(≧1024通道)，高可靠性，可对信号进行实时采集，显示和分析的神经信号采集分析装置。

Description

一种高通量生理信号采集分析装置

技术领域

本发明属于信号采集技术领域，具体涉及一种高通量生理信号采集分析装置。

背景技术

随着对大脑工作机制研究的不断深入，有时需要对上千个神经元活动同时进行记录和分析。目前已经有高通量神经记录电极正在得到运用，而与之对应的，是对高通量神经信号采集分析装置，包括硬件设备和采集软件的需要。

目前商业运用的信号采集分析装置通常为128通道，最高可扩展至512通道，但是扩展操作繁琐(需要多个主机并联使用)，体积庞大，同时成本非常高(平均为50万美金)。

专利一种多参数生物电生理信号采集装置(公开号：CN205126225U)公开了一种包括包括装置本体，装置本体上端开设有一收纳槽，收纳槽内通过电动伸缩杆安装有显示屏，显示屏通过带伺服装置的旋转轴安装在电动伸缩杆上端，显示屏由两个电子显示屏背向复合而成，其中一个电子显示屏内安装有蓝牙模块，另一个电子显示屏上安装有射频发射器和蜂鸣报警器，且内部安装有内存卡的生理信号采集装置。此专利虽然实现了数据的共享和进行无线参数采集，但是体积庞大，扩展操作复杂，无法多通道同时并行采集生理信号。

因此如何在一个高集成度的装置内，实现1024通道每个通道采样率为30KHz，分辨率为16bit的高通量电生理信号的采集是研究难点。同时要求所有通道保持时钟的一致性，数据传输的实时性，及远程监控的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高集成度，高通量(≧1024通道)，高可靠性，可对信号进行实时采集，显示和分析的神经信号采集分析装置。

本发明提供了如下的技术方案：

一种高通量生理信号采集分析装置，包括依次连接的记录电极、若干探头、FPGA、通信模块和PC机；

所述记录电极上设有若干微电极传感器，所述微电极传感器用于在动物体内采集神经信号，所述记录电极将所述神经信号传至所述探头；

所述探头包括两个相互连接的采集芯片，所述采集芯片包括依次连接的高低通滤波器、模拟多路转换器和16位数模转换器，所述高低通滤波器的输入端连接所述微电极传感器，实现若干通道的所述神经信号降噪并行采集，所述16位数模转换器的输出端连接所述FPGA，将所述神经信号数模转换后转至所述FPGA；

所述FPGA通过LVDS SPI协议获取所述16位数模转换器转换后的数据，并将所述通道数据进行汇聚，通过所述通信模块传送至所述PC机；

所述PC主机，用于对所述通信模块传输的数据进行实时处理和分析。

优选的，所述FPGA内设有数据采集模块以及与所述数据采集模块连接的SDRAM控制模块、外围设备控制模块和若干探头控制模块，所述探头控制模块与所述探头一一对应连接，所述SDRAM控制模块连接有SDRAM存储器和通信控制模块，负责与FPGA外部的SDRAM进行通讯，接收来自数据采集模块的数据，并转存于外部SDRAM中，所述通信控制模块连接所述通信模块，所述外围设备控制模块外接有外围设备。

优选的，所述FPGA内还设有系统控制模块，所述系统控制模块连接有时钟复位芯片，保证在同一时刻，同步获取所有有效数据。

优选的，所述通信模块为USB芯片或光纤收发模块，所述USB芯片或所述光纤收发模块分别连接所述通信控制模块和所述PC机，作为FPGA与PC机的数据传输的载体。

优选的，所述通信控制模块为USB控制模块，所述USB控制模块分别连接所述SDRAM控制模块和所述USB芯片，降低了FPGA与PC间高速率通信的开发难度，同时又保证了数据传输的正确性。

优选的，所述探头和所述探头控制模块的数量至少为8个，每个所述探头具有128通道，即1024通道由8个探头组成，即实现最高要求：1024通道，完成命令的传送和数据获取功能。

优选的，所述探头的输入阻抗为1300MΩ-10Hz，所述探头的共模抑制比为82dB-50Hz，所述探头的采样率为30KHz，所述探头的分辨率为16位。

本发明的有益效果是：装置前端采用具有高输入阻抗、高共模抑制比、低输入噪声和高采样率的探头，同时内部集成高低通滤波器，非常适合于多噪声环境下的微小电生理信号采集；数据接口协议使用LVDS SPI协议，LVDS电平有效减少信号传输过程中的干扰，增加了探头与PC机的有线通信距；FPGA具有并行性处理优点，实现对1024通道数据同步获取、实时传输的功能；USB芯片降低了FPGA与PC间高速率通信的开发难度，同时又保证了数据传输的正确性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明探头与FPGA连接示意图；

图3是1024通道本发明各模块间结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种高通量生理信号采集分析装置，包括依次连接的记录电极、若干探头、FPGA、通信模块和PC机；记录电极上设有若干微电极传感器，微电极传感器用于在动物体内采集神经信号，记录电极将神经信号传至探头；探头包括两个相互连接的采集芯片，采集芯片包括依次连接的高低通滤波器、模拟多路转换器和16位数模转换器，高低通滤波器的输入端连接微电极传感器，实现若干通道的神经信号降噪并行采集，16位数模转换器的输出端连接FPGA，将神经信号数模转换后转至FPGA；FPGA通过LVDS SPI协议获取16位数模转换器转换后的数据，并将通道数据进行汇聚，通过通信模块传送至PC机；PC主机，用于对通信模块传输的数据进行实时处理和分析。

如图1-图3所示，电生理信号采集电路前端探头可选用RHD2164芯片进行设计，其具有高输入阻抗1300MΩ-10Hz，高共模抑制比82dB-50Hz，低输入参考噪声2.4uVrms，高采样率30KHz等优点，同时内部集成高低通滤波器，非常适合于多噪声环境下的微小电生理信号采集。1024通道由8个采集模块组成，每个探头选用2片RHD2164芯片组成128通道，即实现最高要求：1024通道，采样率30KHz，精度16bit并行采集，因此每秒1024通道产生的数据量为1024*30K*16bit＝491.52Mbit。进一步的，针对不用需求，在探头的设计过程中，可选用RHD2000系列其他的芯片，例如RHD2132，RHD2216等进行混合使用，已形成不同的通道数要求，例如使用一个RHD2164和一个RHD2132形成96通道的组合，或者使用一个RHD2132和一个RHD2216组合形成一个48通道的组合。

如图1-图3所示，本装置选用CYCLONE IV FPGA作为整个系统的核心处理器，RHD2164数据接口协议使用LVDS SPI协议，SPI最高时钟为24MHz，LVDS电平有效减少信号传输过程中的干扰，增加了探头与主机的有线通信距离SPI协议简单规范，减少了开发难度，而且数据通信使用了DDR方式锁存数据，在原有时钟的基础上可获得双倍的带宽，可有效降低器件的通信时钟频率。由此可得所选用FPGA性能完全能满足要求。并且利用FPGA的并行性处理优点，实现对1024通道数据同步获取、实时传输的功能。1024通道装置各模块间结构框图如图3所示，FPGA内部有8个探头控制模块，分别用来与外部8个探头对接(每个探头128通道)，完成命令的传送和数据获取功能。FPGA内还设有系统控制模块，系统控制模块连接有时钟复位芯片，保证在同一时刻，同步获取所有有效数据，并汇聚数据到数据采集模块。而SDRAM控制模块主要负责与FPGA外部的SDRAM进行通讯，首先接收来自数据采集模块的数据，并转存于外部SDRAM中。其次当USB控制模块处于空闲状态向SDRAM控制模块请求数据时，又从外部SDRAM按先入先出的原则读出之前的暂存数据，并发送于USB控制模块，以上逻辑主要保证了在PC数据传输短暂中断的过程中，不会造成数据丢失的错误。

如图1-图3所示，本装置除了1024通道的探头数据外，还包括额外的模拟或数字端口数据及其他命令协议数据，因此预估整体总数据速率不大于800Mbit/S。因此从数据吞吐量、易操作性、可靠性等方面考虑，本装置最终选用USB3.0芯片(理论速率5Gbit/S)作为数据传输的载体，其芯片内部自带USB3.0协议解析功能，具有USB驱动功能，进一步降低了FPGA与PC间高速率通信的开发难度，同时又保证了数据传输的正确性。

在数据通信方案的选型上，USB的优点是其通用性很高，大部分PC都已配备USB3.0端口，也被用户所熟知，易于使用。但是其也存在通信距离短的问题，无法做到长距离监控采集的要求。因此在满足通讯速率的要求下，可选择千兆以太网光纤传输的方式。首先千兆以太网与USB类似都已在现有的PC上得到了普遍的应用，技术已经非常成熟，速率也能满足本装置的要求。其次选用光纤作为数据的传输介质，具有受外接干扰小，速率快，传输距离长等优点。同时也在物理上将PC与主机进行电气隔离，更加安全。

方案实施上选用CYS25G0101DX芯片作为光纤数据的收发器，FPGA作为主设备通过16bit并行方式与其进行数据通信，FPAG以155MHz-16bit的速率将采样数据发送至CYS25G0101DX。这些数据被路由至其内部的FIFO中，其后被串行化输出至工作于2.488Gbit/S的高速差分线，再通过选用FTCS-8524-02DI光纤收发模块，将数据通过光信号传送出去，此模块具有2.67Gb/s的双向数据通路，通信距离可达300米。

如图1-图3所示，一种高通量生理信号采集分析装置在使用过程中，通过微电极传感器在动物体内采集神经信号，经由电极传入高共模抑制比、低噪声的探头，FPGA通过具有LVDS SPI协议的电缆获取经探头AD转换后的数据，高速FPGA将总共1024通道数据进行汇聚，最终通过USB3.0接口传送至PC机，在PC主机中对数据进行实时处理、分析等操作，最终实现同时记录1024通道，且每通道采样率30kHz，采样精度16bit，的实时数据传输，及远程可靠监控的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，包括依次连接的记录电极、若干探头、FPGA、通信模块和PC机；

所述记录电极上设有若干微电极传感器，所述微电极传感器用于在动物体内采集神经信号，所述记录电极将所述神经信号传至所述探头；

所述探头包括两个相互连接的采集芯片，所述采集芯片包括依次连接的高低通滤波器、模拟多路转换器和16位数模转换器，所述高低通滤波器的输入端连接所述微电极传感器，实现若干通道的所述神经信号降噪并行采集，所述16位数模转换器的输出端连接所述FPGA，将所述神经信号数模转换后转至所述FPGA；

所述FPGA通过LVDS SPI协议获取所述16位数模转换器转换后的数据，并将所述通道数据进行汇聚，通过所述通信模块传送至所述PC机；

所述PC主机，用于对所述通信模块传输的数据进行实时处理和分析。

2.根据权利要求1所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述FPGA内设有数据采集模块以及与所述数据采集模块连接的SDRAM控制模块、外围设备控制模块和若干探头控制模块，所述探头控制模块与所述探头一一对应连接，所述SDRAM控制模块连接有SDRAM存储器和通信控制模块，负责与FPGA外部的SDRAM进行通讯，接收来自数据采集模块的数据，并转存于外部SDRAM中，所述通信控制模块连接所述通信模块，所述外围设备控制模块外接有外围设备。

3.根据权利要求1所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述FPGA内还设有系统控制模块，所述系统控制模块连接有时钟复位芯片。

4.根据权利要求2所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述通信模块为USB芯片或光纤收发模块，所述USB芯片或所述光纤收发模块分别连接所述通信控制模块和所述PC机。

5.根据权利要求4所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述通信控制模块为USB控制模块，所述USB控制模块分别连接所述SDRAM控制模块和所述USB芯片。

6.根据权利要求1所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述探头和所述探头控制模块的数量至少为8个，每个所述探头具有128通道。

7.根据权利要求1所述的一种高通量生理信号采集分析装置，其特征在于，所述探头的输入阻抗为1300MΩ-10Hz，所述探头的共模抑制比为82dB-50Hz，所述探头的采样率为30KHz，所述探头的分辨率为16位。