CN114167096A - 一种多通道神经信号采集电路的架构方法 - Google Patents

一种多通道神经信号采集电路的架构方法 Download PDF

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Abstract

一种多通道神经信号采集电路的架构方法，包括如下步骤，步骤一：采用模块化设计方式，每个单通道信号处理模块具有一个神经信号输入节点、一个信号放大器、一个模数转换器、本地数字处理模块，神经信号输入节点、信号放大器、模数转换器、本地数字处理模块的输入控制和输出均采用总线化连接方式；步骤二：如果涉及需要增加通道数，可直接将增加的模块与已有步骤一设计模块相拼接，而不用重新设计连线关系；步骤三：通过地址选中的通道使能，将采集的数字化神经信号通过N(N>＝1)路总线传送。本发明实现了系统架构可以使能任意数目的神经采集通道，同时使数字信号处理模块的效率得到极大提高；大大的减少了设计工作量降低了芯片开发设计时间。

Description

一种多通道神经信号采集电路的架构方法
技术领域
本发明涉及电路设计方法技术领域，特别是一种多通道神经信号采集电路的架构方法。
背景技术
高通道数(比如应用于高空间分辨率、低延时响应的微型化植入式脑科学医疗器件和设备)的神经信号采集前端芯片，现在已经成为高时空分辨率脑机接口系统中一个非常重要的核心元器件。图1为传统多通道神经信号采集前端芯片的系统架构示意图。
图1中所示，传统电路和系统架构下，每个模拟信号处理通道由1个信号放大器(AMP)和1个模数转化器(ADC)组成，信号放大器AMP对神经信号进行放大和滤波，模数转化器ADC对AMP的输出模拟信号数字化，数字化后多通道数据传输至数字控制处理模块进行进一步处理和传输。在这类神经信号采集电路传统架构中，主要存在以下两个问题；其一：数字控制处理模块所对应的信号处理通道数目不能任意设定，N个通道即有N个通道的数字化数据进入数字处理模块，即便是某些模拟信号处理通道关闭，仍有无效数据进入数字处理模块，造成数字处理模块的数据处理效率降低(因为通道数固化和数字化过程固化导致的结果，没有外部信号动态调节通道数和数字化过程)；其二：在改变整个系统的模拟信号处理通道数目后，如系统由64通道变为128通道后，数字控制处理模块和单通道信号处理电路的互连需要重新设计，设计工作量大，设计周期长，这是现阶段所有神经信号采集前端芯片的通道数一般为16/32/64/128/256而不能随意设定的关键限制条件(根据通道数重新设计芯片中的数字模块耗时耗力，1-256通道选项有256个数字模块设计方式和256种与各信号前端通道连接方式，不可行也不合理)。
发明内容
为了克服现有神经信号采集电路架构中存在如背景所述弊端，本发明提供了在相关步骤共同作用下，能在芯片系统中快速任意设定模拟信号处理通道的数目，同时极大简化在改变芯片系统总通道数目时开发工作量和开发时间，为多通道神经信号采集电路有效应用起到了有利技术支撑的一种多通道神经信号采集电路的架构方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于包括如下步骤，步骤一：采用模块化设计方式，每个单通道信号处理模块具有一个神经信号输入节点、一个信号放大器、一个模数转换器、一个本地数字处理模块，神经信号输入节点、信号放大器、模数转换器、本地数字处理模块的输入控制和输出均采用总线化连接方式；步骤二：如果涉及需要增加通道数，可直接将增加的模块与已有步骤一设计模块相拼接，而不用重新设计连线关系；步骤三：通过地址选中的通道使能，将采集的数字化神经信号通过N(N>＝1)路总线传送，其中，没有选中的通道会被关闭不会传输数据；通过三个步骤，实现使能任意数目的神经采集通道，使数字信号处理模块的效率得到提高，标准模块化和总线化的设计、在设计中能快速拼接任意数目的模拟信号处理通道，减少了设计工作量，并降低了芯片开发设计时间。
进一步地，所述步骤一中，信号放大器用来对神经信号进行放大和滤波，模数转换器用来将放大后的信号数字化，本地数字处理模块用来解析X-Y地址输入总线，同时对模数转换器的数字输出通过本地数字处理模块预处理，以使单通道输出可通过总线模式进入全局数字控制和信号处理模块。
进一步地，所述步骤一,总线化连接方式中，同一行通道共享输入Y选址连线，共享输出D<N>连线；同一列通道均共享输入Y选址连线。
进一步地，所述步骤二中,通过共享方式可以任意增减通道单元数而不用重新设计连线关系。
进一步地，所述步骤三中，通过X-Y选址连线选择，每个单元会有一个使能开关，此使能开关在用X-Y选址选中后可开启通道，否则通道一直处于关闭状态。
本发明有益效果是：本发明在相关步骤共同作用下，实现了系统架构可以使能任意数目的神经采集通道，同时使数字信号处理模块的效率得到极大提高；另外标准模块化和总线化的设计可以让实际设计中快速拼接任意数目(M×N，M为采集阵列的列数，N为采集阵列的行数)的模拟信号处理通道，大大的减少了设计工作量降低了芯片开发设计时间。克服了现有技术存在的缺点，基于上述，本发明具有好的应用前景。
附图说明
以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。
图1是传统多通道神经信号采集前端芯片的系统架构示意图。
图2是本发明系统架构和内部连接方法示意图。
图3是采用本发明后，可以动态调节有效通道的数目和优化数字处理模块的功耗示意图。
图4是采用本发明后，不同通道数设计的芯片架构示意图。
具体实施方式
图2中所示，一种多通道神经信号采集电路的架构方法，通过该架构可以使能任意数目的神经采集通道，同时使数字信号处理模块的效率得到极大提高，另外标准模块化和总线化的设计，可以让设计者在设计中快速拼接任意数目(M×N)的模拟信号处理通道，大大的减少了设计工作量，降低了芯片开发设计时间。具体包括如下步骤，步骤一：采用模块化设计方式，每个单通道信号处理模块具有一个神经信号输入节点、一个信号放大器(AMP)、一个模数转换器(ADC)、一个本地数字处理模块(LDC)，神经信号输入节点、信号放大器(AMP)、模数转换器(ADC)、本地数字处理模块(LDC)的输入控制和输出均采用总线化连接方式。信号放大器用来对神经信号进行放大和滤波，模数转换器用来将放大后的信号数字化，本地数字处理模块用来解析X-Y地址输入总线，同时对模数转换器的数字输出，通过本地数字处理模块预处理，以使单通道输出可通过总线模式进入全局数字控制和信号处理模块。总线化连接方式中，同一行M个通道共享输入Y选址连线，共享输出D<N>连线；同一列N个通道均共享输入Y选址连线。
图2中所示，步骤二，如果涉及需要增加通道数，可直接将增加的模块与已有设计的步骤一模块相拼接，而不用重新设计连线关系。通过总线共享方式可以任意增减通道单元数而不用重新设计内部模块间连线关系。
图2中所示，步骤三，通过X-Y地址总线选中的通道会使能并将采集的数字化神经信号通过数字信号输出总线D<1>-D<N>输出至全局数字控制和信号处理模块，没有选中的通道会被关闭不会传输数据(通过X-Y选址总线选择，每个单元会有一个使能开关，此使能开关在用X-Y选址选中后可开启通道，否则通道一直处于关闭状态)。
图3所示，本发明具体应用中，在使用固定通道数的信号采集前端芯片时，可以动态调节使能的通道数以优化芯片整体功耗。图4所示，在设计不同通道数的信号采集前端芯片时可以极大的降低设计工作量，降低芯片开发设计时间。图4所示，采用本发明提出方法设计的256通道神(16x 16)经信号采集前端芯片，使用传统方法电路版图设计需1-2个月，使用本发明提出方法在人力相同的情况下，设计者在2周内能完成电路版图设计，减少了50％以上的芯片开发时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于包括如下步骤，步骤一：采用模块化设计方式，每个单通道信号处理模块具有一个神经信号输入节点、一个信号放大器、一个模数转换器、一个本地数字处理模块，神经信号输入节点、信号放大器、模数转换器、本地数字处理模块的输入控制和输出均采用总线化连接方式；步骤二：如果涉及需要增加通道数，可直接将增加的模块与已有步骤一设计模块相拼接，而不用重新设计内部模块间连线关系；步骤三：通过地址选中的通道使能，将采集的数字化神经信号通过N(N>＝1)路数字信号输出总线传送，其中，没有选中的通道会被关闭不会传输数据；通过三个步骤，实现使能任意数目的神经采集通道，使数字信号处理模块的效率得到提高并降低芯片整体功耗；标准模块化和总线化的设计、在设计中能快速拼接任意数目的模拟信号处理通道，减少了设计工作量，并降低了芯片开发设计时间。
2.根据权利要求1所述的一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于，步骤一中，信号放大器用来对神经信号进行放大和滤波，模数转换器用来将放大和滤波后的信号数字化，本地数字处理模块用来解析X-Y地址输入总线，同时对模数转换器的数字输出通过本地数字处理模块预处理，以使单通道输出可通过数字信号输出总线D<1>-D<N>输出至全局数字控制和信号处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于，步骤一总线化连接方式中，同一行M个通道共享输入Y选址连线，共享输出D<N>连线；同一列N个通道均共享输入Y选址连线。
4.根据权利要求1所述的一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于，步骤二中，通过输入输出数字总线共享方式可以任意增减通道单元数而不用重新设计内部模块间连线关系。
5.根据权利要求1所述的一种多通道神经信号采集电路的架构方法，其特征在于，步骤三中，通过X-Y选址连线选择，每个模拟通道单元会有一个使能开关，此使能开关在用X-Y选址选中后可开启通道，否则通道一直处于关闭状态。
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