基于腦電波傳感器的可控?zé)粼O(shè)計(jì)

引言

生物電現(xiàn)象是生物活動(dòng)的基本特征之一,腦電波是生物電的一種。人類在進(jìn)行思維活動(dòng)時(shí),在大腦產(chǎn)生的生物電信號(hào)主要表現(xiàn)為腦電波,通過將腦電波模塊的電極貼片放置在額頭與耳垂處,對(duì)腦電波進(jìn)行測(cè)量與研究。自20世紀(jì)以來,人們對(duì)腦電波的研究逐漸深入,拓寬了對(duì)人腦的認(rèn)識(shí)。未來,人類若能夠?qū)Σ煌说哪X電波參數(shù)特性進(jìn)行提取,將它應(yīng)用于安保方面,其安全性會(huì)比目前的指紋、虹膜掃描等方法更高:腦電波技術(shù)還可以為殘障人士服務(wù),比如用腦電波進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的智能輪椅等,通過人腦的控制改變輪椅的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

根據(jù)對(duì)腦電波信號(hào)的采集與分析,結(jié)合LabV1Ew虛擬儀器設(shè)計(jì),本文研發(fā)了基于腦電波信號(hào)控制的意念可控?zé)?利用Mindband腦電波傳感器采集腦電波信號(hào),再通過內(nèi)部的ThinkGear芯片對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理,經(jīng)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)上位機(jī)所在的LabV1Ew中進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析與提取,最終實(shí)現(xiàn)人腦對(duì)燈具開關(guān)的控制。

1意念可控?zé)舻脑O(shè)計(jì)原理

意念可控?zé)舻脑O(shè)計(jì)是基于神念科技的腦電波傳感器Mindband的二次開發(fā),可進(jìn)行由腦電波信號(hào)控制燈具開關(guān)狀態(tài)的研究。Mindband腦電波傳感器采用腦機(jī)接口技術(shù)采集腦電波數(shù)據(jù),通過內(nèi)部ThinkGear芯片對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,經(jīng)內(nèi)置藍(lán)牙提供數(shù)據(jù)發(fā)送。意念可控?zé)粝到y(tǒng)中,藍(lán)牙模塊接收到的數(shù)據(jù)包經(jīng)上位機(jī)LabV1Ew解析后,再通過PC1二6221數(shù)據(jù)采集卡傳送數(shù)據(jù)到nextboard,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬燈具開關(guān)進(jìn)行控制的預(yù)期目標(biāo)。意念可控?zé)舻南到y(tǒng)框圖如圖1所示。

2腦電波信號(hào)的采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1TGAM模塊及輔助裝置

整個(gè)獲取腦電波數(shù)據(jù)的系統(tǒng)由TGAM模塊、Bluetooth模塊、耳夾、干電極、電源等組件組成。由TGAM模塊、Bluetooth模塊、干電極、耳夾、電源構(gòu)成的部分可以完成腦電波的采集和特性的提取,軟件內(nèi)編入對(duì)應(yīng)的算法,將采集的腦電波轉(zhuǎn)為可讀信號(hào),功能的實(shí)現(xiàn)依靠不同頻率的腦電波信號(hào),可以處理并輸出腦電波頻率譜、腦電波信號(hào)質(zhì)量、原始腦電波數(shù)據(jù)和Neurosky的esense參數(shù)（皺眉偵測(cè)）。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)采用的是N1PC1二6221數(shù)據(jù)采集卡和nextboard,整個(gè)系統(tǒng)從被測(cè)對(duì)象開始,將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集,然后用LabV1Ew進(jìn)行處理。PC1二6221數(shù)據(jù)采集卡具有2路16位模擬輸出,可溯源至N1sT的校準(zhǔn)證書:還有70多個(gè)信號(hào)調(diào)理選項(xiàng),可關(guān)聯(lián)D10,是N1二DA0mx驅(qū)動(dòng)軟件和N1LabV1EwsignalExpressLE交互式數(shù)據(jù)記錄軟件。它具有5倍采樣速率的高速M(fèi)系列和4倍分辨率的高精度M系列可供選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)所需實(shí)現(xiàn)的功能,利用PC1二6221多功能數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口、模擬輸出端口。nextboard具有6個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)插槽,可支持6種不同實(shí)驗(yàn)聯(lián)動(dòng)工作,其中有4個(gè)模擬插槽和2個(gè)數(shù)字插槽。nextboard可為實(shí)驗(yàn)提供5個(gè)電壓等級(jí)的大功率獨(dú)立電源,它的面板支持自搭電路,但是需要N1M系列或x系列數(shù)據(jù)采集卡支持。本文采用的數(shù)據(jù)采集卡是PC1二6221,可作為N1數(shù)據(jù)采集卡接線端子,配合實(shí)驗(yàn)使用。

2.3LED燈

系統(tǒng)需外接一個(gè)LED燈或在程序中添加指示燈,通過皺眉控制LED燈的亮滅。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件開發(fā)環(huán)境一LabVIEw

LabV1Ew是一種用圖標(biāo)創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言,采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了V1及函數(shù)的執(zhí)行順序。

通過LabV1Ew的圖形化方法,可以加速開發(fā),也可以很直觀地看出參數(shù)的變化,在V1的技術(shù)支持下,用戶可以任意設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng),集測(cè)量?jī)x、記錄、信號(hào)分析、控制等功能于一體,通過在同一基本硬件上配置不同的軟件實(shí)現(xiàn)。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1設(shè)計(jì)方法

程序設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,LabV1Ew接收到數(shù)據(jù)后,先判斷數(shù)據(jù)是否完整,如果接受完成則開始解析數(shù)據(jù),解析出可利用的參數(shù)為皺眉信號(hào)。利用解析出的皺眉信號(hào)控制LED的亮滅。當(dāng)參數(shù)達(dá)到一定閾值后,LED點(diǎn)亮:當(dāng)參數(shù)連續(xù)兩次達(dá)到一定的閾值時(shí),LED熄滅。

3.2.2腦電波信號(hào)采集及分析

(1）腦電波信號(hào)采集。此研究采用民用腦波獲取模塊TGAM模塊,將電極置于額頭處,將兩個(gè)電極分別夾于兩個(gè)耳垂,便可以獲取腦電波數(shù)據(jù)。再通過其內(nèi)置的算法,將噪聲過濾并采用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔XLabVIEw中,通過設(shè)計(jì)算法分析傳輸過來的數(shù)據(jù)包,得到對(duì)應(yīng)的數(shù)值。本項(xiàng)目是通過LabVIEw設(shè)計(jì)串口程序來分析所獲取的數(shù)據(jù)包。

(2）腦電波信號(hào)分析。利用TGAM模塊采集到的腦電波信號(hào)通常以數(shù)據(jù)包的格式展現(xiàn),數(shù)據(jù)包格式以及對(duì)原始數(shù)據(jù)包的處理與校驗(yàn)流程如圖3所示。首先,將采集好的數(shù)據(jù)包存放在數(shù)組中,并在波形圖以及文本框圖中顯示。如圖3的小包中只有rawdata為有用數(shù)據(jù),可以說一個(gè)小包就是一個(gè)原始數(shù)據(jù),大約每秒鐘會(huì)有512個(gè)原始數(shù)據(jù)。將04后面的4個(gè)字節(jié)加起來,取反,再取低八位,如果算出來的sum和xxChecksum是相等的,則說明此包是正確的,然后再計(jì)算rawdata,否則直接忽略此包。當(dāng)丟包率在10%以下時(shí),不會(huì)對(duì)最終結(jié)果造成影響。

3.2.3燈亮滅控制

通過腦電波皺眉動(dòng)作的監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)皺眉帶來的波動(dòng)幅值明顯高于原始腦電波信號(hào),如果不停地皺眉,則幾乎會(huì)覆蓋原始純凈腦電。所以,通過皺眉一次帶來的幅值上升可用來控制LED的點(diǎn)亮,通過皺眉兩次可用來控制LED燈的熄滅。

4結(jié)語

本文通過LabVIEw串口程序來收集皺眉信號(hào),以通過皺眉一次和兩次實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具開關(guān)的控制。皺眉一次可實(shí)現(xiàn)LED的點(diǎn)亮,皺眉兩次可實(shí)現(xiàn)LED的熄滅。目前可以通過皺眉一次和皺眉兩次控制LED的亮滅,后續(xù)還會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化此設(shè)計(jì),不僅通過眨眼信號(hào)可以控制開關(guān),甚至當(dāng)我們腦海里想的是開燈時(shí),燈就會(huì)打開,實(shí)現(xiàn)真正的意念可控。