CN114974497B - 基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于脑电数据传输领域，具体涉及了一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，旨在解决现有脑电数据蓝牙传输系统难以在低功耗的同时实现数据高速传输的问题。本发明包括：通过脑电采集芯片采集16通道的脑电原始数据；分别通过第一模数转换模块和第二模数转换模块进行脑电原始数据的前8个通道和后8个通道数据的模数转换，获得第一脑电数据码值和第二脑电数据码值；将每一个数据采样周期的第一脑电数据码值和第二脑电数据码值的无效字节删除，并基于脑电数据最高位不变性，进行每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪；将裁剪后的待传输脑电数据传输至上位机。本发明实现脑电数据的低功耗高速蓝牙无线传输。

Description

基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统

技术领域

本发明属于脑电数据传输领域，具体涉及了一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统。

背景技术

目前无线的脑电信号采集，大都利用低功耗蓝牙方式或者WIFI来实现脑电数据的传输。WIFI传输需要设备自身建立局域网，会大大消耗无线脑电采集设备功耗，而低功耗蓝牙传输虽然能够解决无线脑电传输消耗的功率大的问题，但这种传输方式受限于蓝牙传输速率，很难实现脑电数据的高速传输。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有脑电数据蓝牙传输系统难以在低功耗的同时实现数据高速传输的问题，本发明提供了一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，所述脑电数据蓝牙传输系统包括：

数据采集模块，通过脑电采集芯片采集16通道的脑电原始数据；

第一模数转换模块和第二模数转换模块，分别用于进行所述脑电原始数据的前8个通道和后8个通道数据的模数转换，获得第一脑电数据码值和第二脑电数据码值；

数据裁剪模块，用于将每一个数据采样周期的所述第一脑电数据码值和所述第二脑电数据码值的无效字节删除，并基于脑电数据最高位不变性，进行每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪；

蓝牙传输模块，用于将裁剪后的待传输脑电数据传输至上位机。

在一些优选的实施例中，在每一个数据采样周期中，所述第一脑电数据码值为27个字节，所述第二脑电数据码值为27个字节。

在一些优选的实施例中，所述数据采样周期为1ms。

在一些优选的实施例中，所述第一模数转换模块和所述第二模数转换模块的SPI引脚并联连接，同步进行前8通道和后8通道的脑电数据连续转换。

在一些优选的实施例中，所述脑电数据蓝牙传输系统还设置有数据打包模块；

所述数据打包模块，配置为将裁剪后的16通道数据的每一通道的脑电数据合并，并添加数据包头包尾，获得裁剪后的待传输脑电数据。

在一些优选的实施例中，所述数据包头包尾为4字节。

在一些优选的实施例中，所述无效字节删除，其方法为：

将所述第一脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

将所述第二脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

合并获取16通道的3字节数据。

在一些优选的实施例中，所述每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪，其方法为：

针对16通道的3字节数据的每一通道，将3字节数据的最高字节与设定第一字节进行位与操作：

若值为0，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第二字节进行位与操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节；

若值为1，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第一字节进行位或操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节；

遍历每一个通道的3字节数据，获得裁剪后的16通道的2字节脑电数据。

在一些优选的实施例中，所述设定第一字节为0x80。

在一些优选的实施例中，所述设定第二字节为0x7f。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，通过降低每次采集的16通道数据大小，降低蓝牙负载率，减少蓝牙传输过程中电流消耗，避免蓝牙在满传输速率下造成数据丢失，在保证数据完整性和可靠性的基础上，有效提升了数据传输效率。

(2)本发明基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，不会对低幅值的脑电数据进行损坏，保留原有脑电数据需要分析的幅值大小，并使蓝牙芯片可以以最小的负载电流上传脑电数据。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统的框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，针对脑电数据传输受限于蓝牙传输速率，导致数据传输效率低的问题，利用脑电数据的小信号低幅值的这一特点，将脑电数据进行合理裁剪，将脑电数据在低于蓝牙最快传输速率下，高速传输给上位机。

本发明的一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，所述脑电数据蓝牙传输系统包括：

数据采集模块，通过脑电采集芯片采集16通道的脑电原始数据；

第一模数转换模块和第二模数转换模块，分别用于进行所述脑电原始数据的前8个通道和后8个通道数据的模数转换，获得第一脑电数据码值和第二脑电数据码值；

数据裁剪模块，用于将每一个数据采样周期的所述第一脑电数据码值和所述第二脑电数据码值的无效字节删除，并基于脑电数据最高位不变性，进行每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪；

蓝牙传输模块，用于将裁剪后的待传输脑电数据传输至上位机。

为了更清晰地对本发明基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，包括数据采集模块、第一模数转换模块和第二模数转换模块、数据裁剪模块以及蓝牙传输模块，各模块详细描述如下：

数据采集模块，通过脑电采集芯片采集16通道的脑电原始数据。

16通道的脑电原始数据采集，是采用MCU(微控制单元，Microcontroller Unit)的SPI(串行外设接口，Serial Peripheral Interface)外设，利用DMA(直接存储器访问，Direct Memory Access)循环模式，在一个采样周期中，分别读取两片模数转换模块(AD模块)中的数据。

第一模数转换模块和第二模数转换模块，分别用于进行所述脑电原始数据的前8个通道和后8个通道数据的模数转换，获得第一脑电数据码值和第二脑电数据码值。

AD模块在每传输一个通道的一个数据点需要3个字节，若PC机要求每秒以1k速率采集脑电信号，下位机需要48kB/s的传输速率向上传输。为了保证数据在无线传输过程中无数据丢失，本发明主要采用数据裁剪方式对原有三个字节的脑电数据进行裁剪。

在每一个数据采样周期中，MCU接收到16通道54字节的脑电数据码值，第一脑电数据码值为27个字节，第二脑电数据码值为27个字节。

本发明实施例中，数据采样周期为1ms。

第一模数转换模块和所述第二模数转换模块的SPI引脚并联连接，同步进行前8通道和后8通道的脑电数据连续转换。

在具体的数据采集中，将两片模数转换模块(AD模块)的SPI引脚并联连接，设置MCU软件，配置MCU的SPI总线外设采用DMA连续转换模式，初始化两片AD模块的采样速率为1kSPS，模式设定为连续采集模式。当下位机软件开启检测后，两片AD模块芯片的DRDY引脚每1ms产生下降沿，当MCU对应GPIO口检测到该引脚电平跳变后，软件产生外设中断，DMA发送缓冲区将27个字节的空数据发送给第一片AD模块，DMA接收缓冲区也会从外设AD模块中同步获取到27个字节脑电信号数据码值，软件产生DMA接收中断，进而完成一次AD模块数据的读取工作，同样方法完成第二片AD模块的读取工作，如图1所示。

数据裁剪模块，用于将每一个数据采样周期的所述第一脑电数据码值和所述第二脑电数据码值的无效字节删除，并基于脑电数据最高位不变性，进行每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪。

每1ms采样周期中，MCU完成接收到16通道54字节的脑电数据码值后，将对数据进行裁剪。每片AD返回给MCU的27字节的前三个字节为无效字节，后24字节每三个字节表示一个通道点数据，一共8个通道，根据AD模块的手册描述，0x000000～0x7FFFFF表示模拟量的正值范围为0-4.5V，0xFFFFFF-0x800000表示模拟量的负值范围-4.5V-0。由于脑电电信号的幅值很小，有用信号的幅值不会超过正负1mV，因此AD模块芯片每个通道的最高字节在采集中会一直不变，在数据传输过程中，将会产生总共8个字节的字节浪费。

首先对数据进行无效字节删除，其方法为：

将所述第一脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

将所述第二脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

合并获取16通道的3字节数据。

对原始数据特征进行裁剪，是对16通道脑电原始数据在一个采样周期中，保留所要分析的脑电幅值，对原有每一个通道脑电数据中的字节进行重组，保留符号位，构成数据量更小的脑电数据。

即对每个通道的3字节数据的最高字节进行舍去，由原始三个字节的数据裁剪后为两个字节数据，并添加符号位，组成16个字节的新脑电数据，具体包括：

针对16通道的3字节数据的每一通道，将3字节数据的最高字节与设定第一字节0x80进行位与操作：

若值为0，表示该通道数据为正值，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第二字节0x7f进行位与操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节；

若值为1，表示该通道数据为负值，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第一字节0x80进行位或操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节；

遍历每一个通道的3字节数据，获得裁剪后的16通道的2字节脑电数据。

完成16通道原有数据裁剪后，将组成32字节16通道新脑电数据。为新数据添加4个字节的包头包尾，存放蓝牙的发送缓冲器中，发送给上位机。

蓝牙传输模块，用于将裁剪后的待传输脑电数据传输至上位机。

本发明，利用低功耗的蓝牙芯片，结合脑电数据的特性进行数据裁剪，删除脑电数据中无用的信号幅值，在保留原有需要分析的脑电信号幅值范围内，将数据通过低功耗蓝牙高速上传给上位机。

需要说明的是，上述实施例提供的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，其特征在于，所述脑电数据蓝牙传输系统包括：

数据采集模块，通过脑电采集芯片采集16通道的脑电原始数据；

第一模数转换模块和第二模数转换模块，分别用于进行所述脑电原始数据的前8个通道和后8个通道数据的模数转换，获得第一脑电数据码值和第二脑电数据码值；

数据裁剪模块，用于将每一个数据采样周期的所述第一脑电数据码值和所述第二脑电数据码值的无效字节删除，并基于脑电数据最高位不变性，进行每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪；在每一个数据采样周期中，所述第一脑电数据码值为27个字节，所述第二脑电数据码值为27个字节；

蓝牙传输模块，用于将裁剪后的待传输脑电数据传输至上位机；

所述无效字节删除，其方法为：

将所述第一脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

将所述第二脑电数据码值的27个字节中前3个无效字节删除，将剩余的24个字节数据划分为8通道的3字节数据；

合并获取16通道的3字节数据；

所述每一个数据采样周期的16通道数据的每一通道的数据裁剪，其方法为：

针对16通道的3字节数据的每一通道，将3字节数据的最高字节与设定第一字节进行位与操作，所述设定第一字节为0x80：

若值为0，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第二字节进行位与操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节，所述设定第二字节为0x7f；

若值为1，则舍去3字节数据的最高字节，将第二个字节数据与设定第一字节进行位或操作后，作为裁剪后数据的高位字节，将第三个字节数据作为裁剪后数据的低位字节；

遍历每一个通道的3字节数据，获得裁剪后的16通道的2字节脑电数据。

2.根据权利要求1所述的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，其特征在于，所述数据采样周期为1ms。

3.根据权利要求1所述的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，其特征在于，所述第一模数转换模块和所述第二模数转换模块的SPI引脚并联连接，同步进行前8通道和后8通道的脑电数据连续转换。

4.根据权利要求1所述的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，其特征在于，所述脑电数据蓝牙传输系统还设置有数据打包模块；

所述数据打包模块，配置为将裁剪后的16通道数据的每一通道的脑电数据合并，并添加数据包头包尾，获得裁剪后的待传输脑电数据。

5.根据权利要求4所述的基于数据裁剪的脑电数据蓝牙传输系统，其特征在于，所述数据包头包尾为4字节。