CN114983424B - 一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：采集得到的差分信号传输至多个通道对应的斩波调制单元进行斩波调制至斩波频率，得到斩波调制脑电信号；步骤S2：伪随机时钟产生器生成呈现伪随机变化的伪随机斩波控制信号；步骤S3：进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；步骤S4：进行斩波解调制得到原始脑电信号；步骤S5进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；步骤S6：通过数据选择器在地址选择信号的控制下，选择任意一路数据作为脑电模拟信号，转换为离散的数字信号。本发明消除了传统分时复用通道间串扰问题，降低了芯片面积和整体功耗，减小斩波频率上的斩波噪声密度。

Description

一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统
技术领域
本发明涉及一种集成电路设计技术领域，尤其涉及一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统。
背景技术
脑疾病的研究和治疗是提高我国居民生活幸福指数的重要手段，及时准确地检测脑疾病，并提高脑疾病治疗水平，对提高健康水平具有重要意义。随着社会的发展和医疗科技的进步，脑科学研究领域对脑电信号采集与量化的要求逐渐提高。在此背景下，以微电子技术为基础，融合了生物医学、无线通信以及计算机技术的脑机接口芯片发展迅猛。
为得到更加真实和全面的数据，脑电信号通常需要多条采集通道进行采集。传统的脑电信号采集系统中，每个信号均有一组独立的电路进行信号的放大与处理，该采集电路功耗较大且面积较大，具有一定缺陷，因此近年来，分时复用技术成为多通道脑电信号模拟前端设计的研究热点，通过对芯片内单元的复用可以有效提高芯片利用率。
同时，在模拟放大电路中，斩波放大技术可以更好地减小低频噪声和失调，但是由于调制解调过程中引入了开关尖峰和电荷注入，所以在斩波频率附近产生噪声。伪随机调制信号是一种周期信号，它是一种在一定范围内频率呈现伪随机变化的信号。伪随机信号具有良好的随机性，目前广泛应用于通信、雷达、导航等重要的技术领域。近年来其应用的范围已远远超过了上述领域：如自动控制、计算机、声学、光学测量、数字式跟踪和测距系统以及数字网络系统的故障分析检测等。在脑机接口芯片中采用伪随机频率斩波可以降低失调和噪声。
基于上述背景，本发明设计了一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统以解决上述技术问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法及系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，包括以下步骤：
步骤S1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极和参考电极采集得到的差分信号传输至多个通道对应的斩波调制单元进行斩波调制至斩波频率，得到斩波调制脑电信号；
步骤S2：每个所述通道对应的伪随机时钟产生器生成呈现伪随机变化的伪随机斩波控制信号，每个所述伪随机斩波控制信号控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；
步骤S3：每个所述斩波调制脑电信号传输至芯片放大器模块进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；
步骤S4：每个所述放大脑电信号传输至每个所述通道对应的斩波解调制单元进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；
步骤S5：每个所述原始脑电信号分别传输至每个所述通道对应的低通滤波器进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；
步骤S6：每个所述脑电信号通过数据选择器在地址选择信号的控制下，选择任意一路数据作为脑电模拟信号，并通过模数转换器将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号。
进一步地，所述步骤S1中所述干性主动电极采集多个通道的输入信号，所述参考电极采集参考信号，通过每个所述通道的输入信号与所述参考信号的差值得到每个所述通道对应的所述差分信号。
进一步地，所述步骤S2中所述伪随机斩波控制信号的斩波频率在正负100赫兹范围。
进一步地，所述步骤S3中所述芯片放大器模块包括固定增益放大器、两组输入电容、两组反馈电容和两组伪电阻，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容，所述输入电容的输出端连接所述固定增益放大器，所述固定增益放大器的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器的两端还连接所述反馈电容，所述反馈电容的另一端连接所述伪电阻。
进一步地，所述固定增益放大器的增益设计为40dB，带宽为100k赫兹，截止频率为0.5-100k赫兹，所述输入电容为20pF，所述反馈电容为200fF，所述伪电阻为100G欧姆。
进一步地，每个所述通道对应的所述斩波调制单元的斩波频率和所述斩波解调制单元的斩波解调制频率相同。
进一步地，所述步骤S5中所述低通滤波器的截止频率为200赫兹。
进一步地，所述步骤S6中所述数据选择器工作频率为6.4k赫兹，所述模数转换器的精度为10Bit。
本发明还提供一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波系统，包括：斩波调制单元、芯片放大器模块、斩波解调制单元、伪随机时钟产生器、低通滤波器、数据选择器和模数转换器；
每个通道对应的斩波调制单元的输入端连接脑电信号采集设备，所述斩波调制单元用于对脑电信号采集设备采集的差分信号进行斩波调制输出斩波调制脑电信号；
每个所述斩波调制单元的输出端均连接所述芯片放大器模块的输入端，所述芯片放大器模块用于将所述斩波调制脑电信号进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；
所述芯片放大器模块的输出端连接每个所述通道对应的斩波接调制单元的输入端，所述斩波解调制单元用于对所述放大脑电信号进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；
每个所述斩波解调制单元的输出端连接每个所述通道对应的所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器用于将原始脑电信号进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；
每个所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元连接所述伪随机时钟产生器，所述伪随机时钟产生器用于控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；
每个所述低通滤波器的输出端均连接所述数据选择器的输入端，所述数据选择器用于将每个所述脑电信号在地址选择信号的控制下，选择一路数据作为脑电模拟信号；
所述数据选择器的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器用于将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号。
进一步地，所述芯片放大器模块包括固定增益放大器、两组输入电容、两组反馈电容和两组伪电阻，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容，所述输入电容的输出端连接所述固定增益放大器，所述固定增益放大器的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器的两端还连接所述反馈电容，所述反馈电容的另一端连接所述伪电阻。
本发明的有益效果是：本发明基于正交斩波和伪随机斩波技术降低了每通道脑机接口采集芯片面积与功耗，降低了斩波噪声密度从而减轻了低通滤波器的硬件需求。本发明采用正交斩波技术，通过将多个通道模拟信号载至正交斩波频率上传入同一个芯片放大器模块进行放大，消除了传统分时复用通道间串扰问题，降低了芯片面积和整体功耗。同时，为了减轻低通滤波器的硬件需求，采用伪随机频率斩波技术，利用伪随机频率信号的自相关性，减小斩波频率上的斩波噪声密度，将斩波噪声均匀分布在斩波频率的特定范围内，因此只需低阶滤波器设计即可实现对噪声的消除，在滤波部分减轻了硬件需求。该技术节省硬件资源、实现方法简单、经济方便，适用于可穿戴脑电采集系统。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1-图2
一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，包括以下步骤：
步骤S1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极和参考电极采集得到的差分信号传输至多个通道对应的斩波调制单元进行斩波调制至斩波频率，得到斩波调制脑电信号；所述步骤S1中所述干性主动电极采集多个通道的输入信号，所述参考电极采集参考信号，通过每个所述通道的输入信号与所述参考信号的差值得到每个所述通道对应的所述差分信号。
步骤S2：每个所述通道对应的伪随机时钟产生器生成呈现伪随机变化的伪随机斩波控制信号，每个所述伪随机斩波控制信号控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；所述伪随机斩波控制信号的斩波频率在正负100赫兹范围。
步骤S3：每个所述斩波调制脑电信号传输至芯片放大器模块进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；所述芯片放大器模块包括固定增益放大器、两组输入电容、两组反馈电容和两组伪电阻，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容，所述输入电容的输出端连接所述固定增益放大器，所述固定增益放大器的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器的两端还连接所述反馈电容，所述反馈电容的另一端连接所述伪电阻；所述固定增益放大器的增益设计为40dB，带宽为100k赫兹，截止频率为0.5-100k赫兹，所述输入电容为20pF，所述反馈电容为200fF，所述伪电阻为100G欧姆。
步骤S4：每个所述放大脑电信号传输至每个所述通道对应的斩波解调制单元进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；每个所述通道对应的所述斩波调制单元的斩波频率和所述斩波解调制单元的斩波解调制频率相同。
步骤S5：每个所述原始脑电信号分别传输至每个所述通道对应的低通滤波器进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；所述低通滤波器的截止频率为200赫兹。
步骤S6：每个所述脑电信号通过数据选择器在地址选择信号的控制下，选择任意一路数据作为脑电模拟信号，并通过模数转换器将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号；所述数据选择器工作频率为6.4k赫兹，所述模数转换器的精度为10Bit。
一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波系统，包括：斩波调制单元、芯片放大器模块、斩波解调制单元、伪随机时钟产生器、低通滤波器、数据选择器和模数转换器；
每个通道对应的斩波调制单元的输入端连接脑电信号采集设备，所述斩波调制单元用于对脑电信号采集设备采集的差分信号进行斩波调制输出斩波调制脑电信号；
每个所述斩波调制单元的输出端均连接所述芯片放大器模块的输入端，所述芯片放大器模块用于将所述斩波调制脑电信号进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；
所述芯片放大器模块的输出端连接每个所述通道对应的斩波接调制单元的输入端，所述斩波解调制单元用于对所述放大脑电信号进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；
每个所述斩波解调制单元的输出端连接每个所述通道对应的所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器用于将原始脑电信号进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；
每个所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元连接所述伪随机时钟产生器，所述伪随机时钟产生器用于控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；
每个所述低通滤波器的输出端均连接所述数据选择器的输入端，所述数据选择器用于将每个所述脑电信号在地址选择信号的控制下，选择一路数据作为脑电模拟信号；
所述数据选择器的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器用于将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号。
实施例：
步骤S1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极和参考电极采集得到的差分信号传输至8个通道对应的斩波调制单元进行斩波调制至斩波频率，即通过两个相位对所采集到的脑电信号进行斩波调制，将其调制至斩波频率，以避开放大器低频部分的噪声，得到斩波调制脑电信号；斩波频率由伪随机频率产生通路所生成的伪随机斩波控制信号VCLK1-VCLK8决定。通道1-通道8的斩波调制频率分别为2k赫兹、4k赫兹、8k赫兹、13k赫兹、16k赫兹、21k赫兹、25k赫兹、29k赫兹。所述步骤S1中所述干性主动电极采集8个通道的输入信号Vin1-Vin8，所述参考电极采集参考信号Vref，通过8个通道的输入信号Vin1-Vin8与所述参考信号Vref的差值得到8个通道对应的所述差分信号Vin1-Vin8。
步骤S2：8个通道对应的伪随机时钟产生器PRC1-PRC8生成呈现伪随机变化的伪随机斩波控制信号VCLK1-VCLK8，每个所述伪随机斩波控制信号VCLK1-VCLK8控制8个通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；所述伪随机斩波控制信号VCLK1-VCLK8的斩波频率在正负100赫兹范围。
步骤S3：每个所述斩波调制脑电信号传输至芯片放大器模块进行信号放大处理，对调制后的高频信号进行放大处理，得到8个通道对应的放大脑电信号；所述芯片放大器模块包括固定增益放大器A1、两组输入电容Cin1、Cin2、两组反馈电容Cfb1、Cfb2和两组伪电阻Rfb1、Rfb2，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容Cin1、Cin2，所述输入电容Cin1、Cin2的输出端连接所述固定增益放大器A1，所述固定增益放大器A1的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器A1的两端还连接所述反馈电容Cfb1、Cfb2，所述反馈电容Cfb1、Cfb2的另一端连接所述伪电阻Rfb1、Rfb2；所述固定增益放大器A1的增益设计为40dB，带宽为100k赫兹，截止频率为0.5-100k赫兹，所述输入电容为20pF，所述反馈电容Cfb1、Cfb2为200fF，所述伪电阻Rfb1、Rfb2为100G欧姆。
该固定增益放大器A1的增益的表达应为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
步骤S4：每个所述放大脑电信号传输至8个通道对应的斩波解调制单元进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到8个通道对应的原始脑电信号；8个通道对应的所述斩波调制单元的斩波频率和所述斩波解调制单元的斩波解调制频率相同，通道内斩波的调制与解调制控制信号为同步信号，即8个通道中每一个通道的通道内斩波调制与解调制过程都由同一个伪随机斩波控制信号VCLK1- VCLK8控制。
步骤S5：每个所述原始脑电信号分别传输至8个通道对应的低通滤波器进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；所述低通滤波器的截止频率为200赫兹。经过斩波解调制单元的输出原始脑电信号，会包含高频谐波噪声，将8个通道产生的原始脑电信号分别传至通道中传至通道内低通滤波器，将各类谐波噪声滤除，从而留下采集得到的脑电信号。
步骤S6：每个所述脑电信号通过8选1数据选择器MUX在地址选择信号的控制下，选择任意一路数据作为脑电模拟信号，并通过模数转换器将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号；所述数据选择器工作频率为6.4k赫兹，所述模数转换器的精度为10Bit。
本发明基于正交斩波和伪随机斩波技术降低了每通道脑机接口采集芯片面积与功耗，降低了斩波噪声密度从而减轻了低通滤波器的硬件需求。首先，将来自8个采集节点的脑电信号通过8条通道传递至芯片放大器模块输入端；然后，通过每条通道中的伪随机时钟产生器产生在对应斩波频率正负100赫兹范围内的伪随机斩波控制信号，并在各通道对应伪随机斩波控制信号控制下，进行8通道脑电信号的调制-放大-解调制工作；之后，将解调后的脑电信号传至低通滤波器，并将滤波后的脑电信号传至8选1信号选择器；最后，将选择出的脑电模拟信号传递至模数转换器，将时间连续、幅值连续的模拟信号转换为时间离散、幅值离散的10比特数字信号。本发明采用正交斩波技术，通过将多个通道模拟信号载至正交斩波频率上传入同一个芯片放大器模块进行放大，消除了传统分时复用通道间串扰问题，降低了芯片面积和整体功耗。同时，为了减轻低通滤波器的硬件需求，采用伪随机频率斩波技术，利用伪随机频率信号的自相关性，减小斩波频率上的斩波噪声密度，将斩波噪声均匀分布在斩波频率的正负100赫兹范围内，因此只需低阶滤波器设计即可实现对噪声的消除，在滤波部分减轻了硬件需求。该技术节省硬件资源、实现方法简单、经济方便，适用于可穿戴脑电采集系统。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：穿戴于颅外的搭载有脑电信号采集设备的干性主动电极和参考电极采集得到的差分信号传输至多个通道对应的斩波调制单元进行斩波调制至斩波频率，得到斩波调制脑电信号；
步骤S2：每个所述通道对应的伪随机时钟产生器生成呈现伪随机变化的伪随机斩波控制信号，每个所述伪随机斩波控制信号控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；所述伪随机斩波控制信号的斩波频率在正负100赫兹范围；
步骤S3：每个所述斩波调制脑电信号传输至芯片放大器模块进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；
步骤S4：每个所述放大脑电信号传输至每个所述通道对应的斩波解调制单元进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；
步骤S5：每个所述原始脑电信号分别传输至每个所述通道对应的低通滤波器进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；
步骤S6：每个所述脑电信号通过数据选择器在地址选择信号的控制下，选择任意一路数据作为脑电模拟信号，并通过模数转换器将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号。
2.如权利要求1所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，所述步骤S1中所述干性主动电极采集多个通道的输入信号，所述参考电极采集参考信号，通过每个所述通道的输入信号与所述参考信号的差值得到每个所述通道对应的所述差分信号。
3.如权利要求1所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，所述步骤S3中所述芯片放大器模块包括固定增益放大器、两组输入电容、两组反馈电容和两组伪电阻，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容，所述输入电容的输出端连接所述固定增益放大器，所述固定增益放大器的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器的两端还连接所述反馈电容，所述反馈电容的另一端连接所述伪电阻。
4.如权利要求3所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，所述固定增益放大器的增益设计为40dB，带宽为100k赫兹，截止频率为0.5-100k赫兹，所述输入电容为20pF，所述反馈电容为200fF，所述伪电阻为100G欧姆。
5.如权利要求1所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，每个所述通道对应的所述斩波调制单元的斩波频率和所述斩波解调制单元的斩波解调制频率相同。
6.如权利要求1所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，所述步骤S5中所述低通滤波器的截止频率为200赫兹。
7.如权利要求1所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法，其特征在于，所述步骤S6中所述数据选择器工作频率为6.4k赫兹，所述模数转换器的精度为10Bit。
8.一种实现权利要求1-7任一项所述的应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波方法的系统，其特征在于，包括：斩波调制单元、芯片放大器模块、斩波解调制单元、伪随机时钟产生器、低通滤波器、数据选择器和模数转换器；
每个通道对应的斩波调制单元的输入端连接脑电信号采集设备，所述斩波调制单元用于对脑电信号采集设备采集的差分信号进行斩波调制输出斩波调制脑电信号；
每个所述斩波调制单元的输出端均连接所述芯片放大器模块的输入端，所述芯片放大器模块用于将所述斩波调制脑电信号进行信号放大处理，得到每个所述通道对应的放大脑电信号；
所述芯片放大器模块的输出端连接每个所述通道对应的斩波接调制单元的输入端，所述斩波解调制单元用于对所述放大脑电信号进行斩波解调制，所述放大脑电信号解调返回至原始的信号频段，得到每个所述通道对应的原始脑电信号；
每个所述斩波解调制单元的输出端连接每个所述通道对应的所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器用于将原始脑电信号进行谐波噪声滤除，得到脑电信号；
每个所述斩波调制单元和所述斩波解调制单元连接所述伪随机时钟产生器，所述伪随机时钟产生器用于控制每个所述通道上对应的斩波调制单元的斩波频率和斩波解调制单元的斩波解调制频率；
每个所述低通滤波器的输出端均连接所述数据选择器的输入端，所述数据选择器用于将每个所述脑电信号在地址选择信号的控制下，选择一路数据作为脑电模拟信号；
所述数据选择器的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器用于将幅值、时间连续的所述脑电模拟信号转换为离散的数字信号。
9.如权利要求8所述的一种应用于脑机接口芯片的多通道混合斩波系统，其特征在于，所述芯片放大器模块包括固定增益放大器、两组输入电容、两组反馈电容和两组伪电阻，所述斩波调制单元的输出端连接两组所述输入电容，所述输入电容的输出端连接所述固定增益放大器，所述固定增益放大器的输出端连接所述斩波解调制单元，所述固定增益放大器的两端还连接所述反馈电容，所述反馈电容的另一端连接所述伪电阻。
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