CN115381459A - 一种基于fpga和mcu的无线多通道神经信号采集设备 - Google Patents

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王斐
刘雪松
蒋荣欣
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，通过FPGA与多通道神经信号采集芯片实现多达64通道神经信号的同步采集，达到同类产品中的前沿水平。同时通过FPGA实现多达64通道Spike信号的并行检测，Spike检测结果而非原始数据通过BLE模块传送到上位机进行显示和进一步分析，即通过绘制Spike波形和光栅图后进行显示；可编程MCU提供的OTA接口和模拟JTAG接口，实现对BLE模块和FPGA的二次编程，以实现特定的算法和功能，具有更强的工具性和灵活性；设备无须电缆连接即可传输数据，为动物神经实验提供极大便利。

Description

一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备
技术领域
本发明属于无线侵入式神经信号采集技术领域，具体涉及一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备。
背景技术
非侵入式脑电采集设备采集头颅表面的EEG信号，信号质量差、容易受肌电和眼电干扰、信息量低。侵入式脑神经信号采集设备从颅内采集LFP、Spike等信号，信号更加精准有效，在研究人体感觉功能、运动功能以及神经系统疾病治疗方面具有广泛潜力。
侵入式神经信号采集设备通过有线或无线的方式传输数据。有线传输数据带宽较大、传输通道数多，在传输数据的同时给采集设备供电，缺点是严重限制实验动物活动。无线传输数据带宽较小、传输通道少，采集设备需要配备电池和无线充电装置，优点是实验动物可以充分活动。在动物实验愈发复杂的背景下，无线采集设备必将迎来广泛应用。
Spike检测是必要的处理环节，需要对每个通道进行Spike检测，输出通道、时间戳和波形。现行的脑神经信号调控和解析系统一般在上位机上进行该步骤，这要求全部原始数据传输到上位机，数据带宽过大，无法实现低功耗无线传输。如果将Spike检测转移到前级进行，则能极大降低无线传输所需带宽。
CPU按照顺序逐条执行指令，不适合并行数据计算。FPGA具有很强并行性、实时性，能够通过算法模块的例化同时处理多通道信号。在采集设备上使用FPGA能够实现64通道的Spike实时检测并降低后级数据量。
为进一步提升通道数量，一种可行的方案是使用64通道采集芯片RHD2164。RHD2164采用DDR的数据传输方式，在上升沿和下降沿都传输数据，大部分MCU并不支持从IO口读取DDR格式数据。使用FPGA则能够轻易获取DDR格式的数据。
目前的脑神经信号采集设备尚未关注在线更新功能，用户无法及时、自主、方便地修改设备代码。研究人员开发出新的基于FPGA的信号处理算法，一般情况下只能利用离线数据在PC机上进行仿真处理，无法在线验证算法可行性。
因此，神经信号采集设备如果能开放FPGA编程接口，将为这部分研究提供一个可行的平台。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，通过FPGA获取多达64路神经信号，实现并行Spike检测功能，进而减小后级数据带宽，同时实现64通道Spike的无线传输。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，包括：
多通道神经信号采集芯片，用于采集大脑皮层的神经信号数据；
FPGA，用于从多通道神经信号采集芯片获取神经信号数据后，对多个通道神经信号并行进行Spike检测，并将Spike检测结果打包并发送至BLE模块；还用于对上位机下发的命令进行解析，并基于解析结果配置采样和检测参数，以控制多通道神经信号采集芯片的神经信号的采样和神经信号的Spike检测；
BLE模块，包含可编程MCU和无线收发子模块，无线收发子模块用于将接收的Spike检测结果转发至上位机和接收的命令转发至FPGA，可编程MCU通过GPIO管脚模拟JTAG接口连接FPGA，同时提供OTA接口，用于通过编程实现FPGA模块的配置和代码的更新；
USB/BLE适配器，用于实现BLE模块和上位机之间的通讯，实现神经信号数据和命令的透传；
上位机，用于实现多通道神经信号采集芯片和FPGA的命令的编辑并下发以及Spike检测结果的分析和显示，其中，命令包括配置命令和控制命令。
在一个实施例中，所述FPGA包括：
前级SPI接口模块，包括单边沿驱动命令发送子模块和双边沿驱动数据接收子模块，其中，单边沿驱动命令发送子模块通过SCLK、CS和/或MOSI信号线实现单边沿驱动，完成命令的发送；双边沿驱动数据接收子模块通过MISO信号线实现双边沿驱动，完成神经信号数据的接收；
Spike检测模块，包含多个Spike检测子模块，每个Spike检测子模块用于检测单个通道神经信号数据中的Spike，并将Spike检测结果于存储模块中存储；
存储模块，用于储存Spike检测结果；
后级SPI接口模块，包括命令接收和校验子模块、数据打包和发送模块，其中，命令接收和校验子模块接收BLE模块传输的命令并进行校验后发送至命令解析模块，数据打包和发送模块读取存储模块中缓存的Spike检测结果，打包后发送给BLE模块；
命令解析模块，对接收的命令进行解析后，根据解析结果完成FPGA和多通道神经信号采集芯片的参数配置；
动态PLL模块，用于为前级SPI接口模块、Spike检测模块、命令解析模块以及后级SPI接口模块提供工作时钟，通过修改工作时钟从而改变采样频率。
在一个实施例中，所述存储模块包括RAM和FIFO，其中，RAM用于存储Spike检测结果，FIFO用于存储Spike检测结果的存储地址信息。
在一个实施例中，所述可编程MCU通过编程动态配置动态PLL模块的PLL寄存器以修改动态PLL模块输出的工作时钟。
在一个实施例中，在对Spike检测结果打包时采用的信号数据格式包括起始字符位、时间戳位、通道位、波形数据位；优选地，起始字符位的位宽长度为8位，时间戳位的位宽长度为32位，每8位分别表征时、分、秒、毫秒信息，实现超过4ms的时间精度，通道位的位宽长度为8位，标识64通道，波形数据位存储长度为48点的单个Spike波形，位宽长度为16*48位。
在一个实施例中，所述配置命令包括设置采样率、高通滤波截止频率、低通滤波截止频率、工作时钟、需要采样的通道序号；
所述控制命令包括控制开始采样、停止采样。
在一个实施例中，命令采用的命令格式包括起始字符位、命令地址位、命令数据位；优选地，起始字符位的位宽长度为8位，命令地址位的位宽长度为8位，提供多达255条配置命令容量，命令数据位的位宽长度位16位，与16位采样精度相匹配，便于实现同步收发。
在一个实施例中，所述单边沿驱动命令发送子模块在上升沿发送一条命令数据；
所述双边沿驱动数据接收子模块在上升沿接收1位x通道的数据，在下降沿接收1位x+32通道的数据，每16次上升沿获取一条有效的x通道采样点数据，每16次下降沿获取一条有效的x+32通道采样点数据，x取值范围0-31。
在一个实施例中，所述USB/BLE适配器包括USB接口和BLE收发芯片，其中，USB接口用于与上位机实现接口通信，BLE收发芯片用于与BLE模块的无线收发子模块进行无线蓝牙通信。
在一个实施例中，所述上位机提供参数配置界面，即为用户提供配置命令和控制命令编辑接口，接收用户输入的配置命令和控制命令，并经USB/BLE适配器和BLE模块下发至FPGA；
所述上位机还信号显示界面，对接收的Spike检测结果进行解析以获得Spike波形和时间戳后，绘制波形图和光栅图进行实时显示。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
通过FPGA与多通道神经信号采集芯片实现多达64通道神经信号的同步采集，达到同类产品中的前沿水平。同时通过FPGA实现多达64通道Spike信号的并行检测，Spike检测结果而非原始数据通过BLE模块传送到上位机进行显示和进一步分析，即通过绘制Spike波形和光栅图后进行显示。
可编程MCU提供的OTA接口和模拟JTAG接口，实现对BLE模块和FPGA的二次编程，以实现特定的算法和功能，具有更强的工具性和灵活性。
设备无须电缆连接即可传输数据，为动物神经实验提供极大便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是实施例提供的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备的硬件框图；
图2为本发明实施例提供的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备的原理框图。
图3为本发明实施例提供的配置命令格式示意图；
图4为本发明实施例提供的信号数据格式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，实施例提供的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备包括多通道信号采集芯片101、FPGA 102、BLE模块103、USB/BLE适配器201以及上位机202。
多通道神经信号采集芯片101通过omnetics插座连接微丝电极，微丝电极穿过头颅连接到大脑皮层，用于采集大脑皮层的神经信号并输出DDR格式的神经信号数据。其中，神经信号的采样频率在1kHz-30kHz可变。
例如芯片RHD2164等多通道神经信号采集芯片101的有效通道数量为64，通过SPI协议与FPGA 102进行通信，多通道神经信号采集芯片101作为SPI Slave端，FPGA 102作为SPI Master端。芯片RHD2164采用DDR(Double Data Rate，双倍速率)的数据传输模式，在上升沿和下降沿均发送数据。信号MISO为双边沿驱动，即在时钟上升沿和下降沿均传输数据。信号MOSI为单边沿驱动。
FPGA 102用于从多通道神经信号采集芯片获取神经信号数据后，对多个通道神经信号并行进行Spike检测，并将Spike检测结果按指定数据格式打包并通过BLE模块103和USB/BLE适配器201传送到上位机202进行显示。同时还用于对上位机下发的命令进行解析，并基于解析结果配置采样和检测参数，以控制多通道神经信号采集芯片101的神经信号的采样和神经信号的Spike检测。
BLE(Bluetooth Low Energe，低功耗蓝牙)模块103包括可编程MCU和无线收发子模块。BLE模块103与FPGA 102通过SPI协议进行通信，BLE模块103作为SPI Master端，FPGA102作为SPI Slave端。其中，无线收发子模块通过SPI协议接收FPGA 102发送的Spike检测结果，并通过无线蓝牙将Spike检测结果发送给USB/BLE适配器201。可编程MCU通过GPIO管脚模拟JTAG接口连接FPGA，同时提供OTA(over-the-air technology)接口，通过编程实现FPGA模块的配置和代码的更新以及BLE模块自身的程序更新，提高提高系统的二次开发能力。
USB/BLE适配器201用于实现BLE模块103和上位机202之间的通讯，实现上行数据(神经信号数据)和下行命令(配置命令和控制命令)的透传。USB/BLE适配器201包括USB接口和BLE收发芯片，其中，USB接口用于与上位机202实现接口通信，BLE收发芯片用于与BLE模块103的无线收发子模块进行无线蓝牙通信。通过BLE收发芯片接收到BLE模块102传输的数据后，根据BLE协议进行校验，并转换成USB协议进行数据的透传，以通过USB接口传输到上位机202。还通过USB接口接收到上位机传输的命令(配置命令和控制命令)后，根据USB协议进行验证后，并转换成BLE协议进行命令(配置命令和控制命令)的透传，以通过BLE收发芯片传输至USB/BLE适配器201。
上位机202实现多通道神经信号采集芯片101和FPGA 102的配置命令和控制命令的发送、Spike检测结果的显示。具体地，上位机202提供信号显示界面，通过USB接口从USB/BLE适配器201获取Spike检测结果，通过解析获得Spike波形和时间戳后，绘制波形图和光栅图进行实时显示。
上位机202还提供参数配置界面，即为用户提供配置命令和控制命令编辑接口，接收用户输入的配置命令和控制命令，通过USB/BLE适配器201和BLE模块103将配置命令和控制命令下发到FPGA 102和多通道神经信号采集芯片101。FPGA 102收到配置命令和控制命令进行自身配置后，依据控制控制命令和配置命令并向多通道神经信号采集芯片101下发相关配置参数。
实施例中，配置命令包括设置采样率、高通滤波截止频率、低通滤波截止频率、工作时钟、需要采样的通道序号等。其中，需要采样的通道序号可在0-63(共64个通道)内任意选取。控制命令包括控制开始采样、停止采样。下发到多通道神经信号采集芯片101的配置参数包括采样率、需要采样的通道序号、采样时钟。
实施例中，如图3所示，命令格式包括起始字符位、命令地址位、命令数据位。优选地，命令格式中，起始字符位的位宽长度为8位，命令地址位的位宽长度为8位，提供多达255条配置命令容量；命令数据位的位宽长度为16位，与16位采样精度相匹配，便于实现同步收发。
如图2所示，实施例提供的FPGA102包括前级SPI接口模块、Spike检测模块、后级SPI接口模块、存储模块、命令解析模块以及动态PLL模块。
其中，前级SPI接口模块包括单边沿驱动命令发送子模块和双边沿驱动数据接收子模块，其中，单边沿驱动命令发送子模块通过SCLK、CS、MOSI信号线实现单边沿驱动，完成控制命令和配置命令的发送；双边沿驱动数据接收子模块通过MISO信号线实现双边沿驱动，完成神经信号数据的接收。前级SPI接口模块通过SPI协议实现与多通道神经信号采集芯片101的命令(控制命令和配置命令)和神经信号数据的交互。
实施例中，单边沿驱动命令发送子模块在上升沿发送一条命令数据，配置命令的命令数据位中每16位组成一条命令数据。双边沿驱动数据接收子模块在上升沿接收1位x通道采样的神经信号数据，在下降沿接收1位x+32通道的数据，每16次上升沿获取一条有效的x通道采样的神经信号数据，每16次下降沿获取一条有效的x+32通道采样的神经信号数据。其中，x取值范围为[0,31]。
Spike检测模块包含多个Spike检测子模块，例如64个Spike检测子模块，每个Spike检测子模块可以采用双阈值法检测单个通道神经信号数据中的Spike，即Spike检测模块可根据双阈值法进行对多达64通道Spike进行同步检测，并将Spike检测结果于存储模块中存储。当采样率为30kHz时，检测结果固定为48点。
存储模块包含RAM和FIFO，其中，RAM用于存储Spike检测结果，FIFO用于存储Spike检测结果的存储地址信息。
后级SPI接口模块包括命令接收和校验子模块、数据打包和发送模块，其中，命令接收和校验子模块接收BLE模块传输的命令(控制命令和配置命令)并进行校验后发送至命令解析模块，数据打包和发送模块读取存储模块中缓存的Spike检测结果，按照指定数据格式打包后发送给BLE模块。
实施例中，如图4所示，采用的数据格式包括起始字符位、时间戳位、通道位、波形数据位。优选地，为了满足数据传输要求且开销较小，数据格式中，起始字符位的位宽长度为8位；时间戳位的位宽长度为32位，每8位分别表征时、分、秒、毫秒信息，实现超过4ms的时间精度；通道位的位宽长度为8位，标识64通道；波形数据位存储长度为48点的单个Spike波形，位宽长度为16*48位。神经信号采样精度16位下信号不失真，30k采样率下单个spike一般为48点左右。
命令解析模块对接收的命令(控制命令和配置命令)进行解析后，根据解析结果完成FPGA 102和多通道神经信号采集芯片101的参数配置。
动态PLL(Phase Locked Loop，锁相环)模块提供与采样相关的时钟信号，影响FPGA的工作频率，即为前级SPI接口模块、Spike检测模块、命令解析模块以及后级SPI接口模块提供工作时钟，通过修改工作时钟从而改变采样频率。高采样率时，需要设置高频工作时钟以提高足够的数据处理传输能力；低采样率时，设置低频工作时钟降低整机功耗，延长设备的续航时间。配置PLL寄存器可以在FPGA运行时动态改变PLL的输出时钟。
实施例中，可编程MCU通过4个管脚GPIO模拟JTAG接口连接FPGA 102，四个管脚GPIO分别模拟JTAG的TCK、TMS、TDI、TDO信号。模拟JTAG时序实现FPGA 102代码的更新和动态PLL的配置，即动态配置动态PLL模块的PLL寄存器以修改动态PLL模块输出的工作时钟，同时也可以通过该JTAG接口在线更新FPGA代码。
实施例中，基于图2所示的FPGA 102结构和实现的功能，FPGA 102接收多通道神经信号采集芯片101DDR格式的SPI数据后，分别将上升沿和下降沿采到的数据进行串行转并行操作，得到x通道和x+32通道的16位采样点的神经信号数据(x的范围是[0,31])。在采集x+1和x+33通道神经信号数据的同时，Spike检测模块采用双阈值法对x通道和x+32通道神经信号数据进行分析，无论是否为有效Spike都将其存入存储模块的RAM_Spike；如果检测到有效Spike，则记录下在存储模块中的起始地址和末尾地址，存入存储模块的FIFO_info。后级SPI接口模块判断FIFO_info非空则获取RAM_Spike中Spike数据，根据自定义格式进行打包和发送。
上述基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备采用BLE 5.0传输技术，具有低功耗、发热小的特点，能够实现多达64通道神经信号的无线传输。相比于传统有线传输设备，本设备无需电缆连接即可实现数据传输，避免了电缆对实验动物的干扰，提高实验动物活动能力，有利于动物神经实验的开展。相比于一般无线神经信号采集设备，本设备将采样通道数量提高到64通道，大幅提高神经区域的检测范围。同时，系统提供二次编程接口，具有二次开发能力。研究人员能够通过OTA更新BLE模块的代码、通过模拟JTAG更新FPGA代码，实现定制化的功能。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，包括：
多通道神经信号采集芯片，用于采集大脑皮层的神经信号数据；
FPGA，用于从多通道神经信号采集芯片获取神经信号数据后，对多个通道神经信号并行进行Spike检测，并将Spike检测结果打包并发送至BLE模块；还用于对上位机下发的命令进行解析，并基于解析结果配置采样和检测参数，以控制多通道神经信号采集芯片的神经信号的采样和神经信号的Spike检测；
BLE模块，包含可编程MCU和无线收发子模块，无线收发子模块用于将接收的Spike检测结果转发至上位机和接收的命令转发至FPGA，可编程MCU通过GPIO管脚模拟JTAG接口连接FPGA，同时提供OTA接口，用于通过编程实现FPGA模块的配置和代码的更新；
USB/BLE适配器，用于实现BLE模块和上位机之间的通讯，实现神经信号数据和命令的透传；
上位机，用于实现多通道神经信号采集芯片和FPGA的命令的编辑并下发以及Spike检测结果的分析和显示，其中，命令包括配置命令和控制命令。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述FPGA包括：
前级SPI接口模块，包括单边沿驱动命令发送子模块和双边沿驱动数据接收子模块，其中，单边沿驱动命令发送子模块通过SCLK、CS和/或MOSI信号线实现单边沿驱动，完成命令的发送；双边沿驱动数据接收子模块通过MISO信号线实现双边沿驱动，完成神经信号数据的接收；
Spike检测模块，包含多个Spike检测子模块，每个Spike检测子模块用于检测单个通道神经信号数据中的Spike，并将Spike检测结果于存储模块中存储；
存储模块，用于储存Spike检测结果；
后级SPI接口模块，包括命令接收和校验子模块、数据打包和发送模块，其中，命令接收和校验子模块接收BLE模块传输的命令并进行校验后发送至命令解析模块，数据打包和发送模块读取存储模块中缓存的Spike检测结果，打包后发送给BLE模块；
命令解析模块，对接收的命令进行解析后，根据解析结果完成FPGA和多通道神经信号采集芯片的参数配置；
动态PLL模块，用于为前级SPI接口模块、Spike检测模块、命令解析模块以及后级SPI接口模块提供工作时钟，通过修改工作时钟从而改变采样频率。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述存储模块包括RAM和FIFO，其中，RAM用于存储Spike检测结果，FIFO用于存储Spike检测结果的存储地址信息。
4.根据权利要求2所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述可编程MCU通过编程动态配置动态PLL模块的PLL寄存器以修改动态PLL模块输出的工作时钟。
5.根据权利要求1或2所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，在对Spike检测结果打包时采用的信号数据格式包括起始字符位、时间戳位、通道位、波形数据位；优选地，起始字符位的位宽长度为8位，时间戳位的位宽长度为32位，每8位分别表征时、分、秒、毫秒信息，实现超过4ms的时间精度，通道位的位宽长度为8位，标识64通道，波形数据位存储长度为48点的单个Spike波形，位宽长度为16*48位。
6.根据权利要求2所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述配置命令包括设置采样率、高通滤波截止频率、低通滤波截止频率、工作时钟、需要采样的通道序号；
所述控制命令包括控制开始采样、停止采样。
7.根据权利要求1或2所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，命令采用的命令格式包括起始字符位、命令地址位、命令数据位；优选地，起始字符位的位宽长度为8位，命令地址位的位宽长度为8位，提供多达255条配置命令容量，命令数据位的位宽长度位16位，与16位采样精度相匹配，便于实现同步收发。
8.根据权利要求2或5所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述单边沿驱动命令发送子模块在上升沿发送一条命令数据；
所述双边沿驱动数据接收子模块在上升沿接收1位x通道的数据，在下降沿接收1位x+32通道的数据，每16次上升沿获取一条有效的x通道采样点数据，每16次下降沿获取一条有效的x+32通道采样点数据，x取值范围0-31。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述USB/BLE适配器包括USB接口和BLE收发芯片，其中，USB接口用于与上位机实现接口通信，BLE收发芯片用于与BLE模块的无线收发子模块进行无线蓝牙通信。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA和MCU的无线多通道神经信号采集设备，其特征在于，所述上位机提供参数配置界面，即为用户提供配置命令和控制命令编辑接口，接收用户输入的配置命令和控制命令，并经USB/BLE适配器和BLE模块下发至FPGA；
所述上位机还信号显示界面，对接收的Spike检测结果进行解析以获得Spike波形和时间戳后，绘制波形图和光栅图进行实时显示。
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