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信息通信技术与政策

面向脑机接口测试的高精度脑电信号模拟发生系统设计与实现?

胡碧荣1王晓东2王浩冲3史改革3

(1.陕西省药品和疫苗检查中心,西安723099;

2.陕西省医疗器械质量检验院,西安712046;

3.西安交通大学生命科学与技术学院,西安710049)

摘要:脑电采集芯片或脑电采集器等脑机接口基础硬件正在逐渐落地,需要使用模拟信号发生器对其性能进行测试验证。针对传统信号发生器系统复杂、体积庞大、精度低等问题,提出了高精度微伏级脑电信号模拟发生系统。经试验验证,该系统可以生成微伏级的正弦波、方波、三角波和模拟脑电,电压生成误差在±1μV以内,满足脑电采集芯片或脑电采集器的性能检测需求,为脑机接口技术的研究提供了参考。

关键词:脑机接口测试;模拟信号发生器;脑电信号;系统设计

中图分类号:TN98文献标志码:A

引用格式:胡碧荣,王晓东,王浩冲,等.面向脑机接口测试的高精度脑电信号模拟发生系统设计与实现[J].信息通信技术与政策,2024,50(5):34-40.

DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2024.05.005

0引言

近年来,随着科技的发展,脑机接口技术得到越来越多的关注,部分脑机接口产品逐渐落地应用于医疗、科研等领域[1-4]。脑电采集芯片或脑电采集器作为脑机接口的基础硬件[5-6],在产品上市前,需要利用模拟信号发生器对其性能进行验证[7-9]。脑电信号较为微弱,一般是微伏级别[10],因此研发一款微伏级的高精度脑电信号模拟发生系统具有较大的应用价值。

传统的信号发生器生成的电压信号一般是伏级,如果用于脑电信号检测,需要通过100万倍的衰减器[11-13],才能生成微伏级的信号,系统较为复杂,且可靠性差;同时,现有的微伏级的脑电信号模拟发生器存

在体积庞大、价格昂贵、精度不高、无法生成模拟脑电等缺点[14-15],导致当前脑机接口相关企业在做产品性能测试时缺少有效的工具。

针对上述问题,本文创新性地设计了一种脑电信号模拟发生系统,对模拟信号发生电路、上位机软件、下位机软件等部分进行重点设计,经过试验验证,该系统可以生成正弦波、三角波、方波,生成的信号幅值准确、频率准确,同时可以生成模拟脑电信号,满足脑电采集芯片或脑电采集器的多样化性能检测需求。

1系统设计方案

高精度脑电信号模拟发生系统可以在电脑端进行快捷操作,控制设备的输出模式以及输出参数,可以输

?基金项目:陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设项目(No.2022KXJ-129);西安市科技计划项目(No.23ZDCYJSGG0005-2023)

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专题:脑机接口

2024年第5期

出多种类型(正弦波、三角波、方波)、不同幅度、不同频率的模拟电压信号,同时也可输出模拟脑电信号。系统由脑电信号模拟发生器(下位机)和电脑端控制软件(上位机软件)组成。脑电信号模拟发生器由模拟信号发生电路、主控电路、电源电路、蓝牙电路、显示电路等组成;下位机软件指脑电信号模拟发生器的嵌入式软件,用于驱动相关硬件。上位机软件指运行于电脑端的控制软件,由波形设置、幅度设置、频率设置、脑电数据读取及处理部分组成。系统整体设计框架如图1所示。

2系统硬件设计

系统的硬件主要由核心的模拟信号发生电路,结合电源电路、主控电路、蓝牙电路、显示电路、铁电存储器(FerromagneticRandomAccessMemory,FRAM)等电路组成。模拟信号发生电路用于将主控电路产生的

数字信号转化为所需目标范围的模拟电压信号。

2.1模拟信号发生电路

模拟信号发生电路是该系统的核心,电路包含数模转换、同相比例放大和信号衰减3个部分,如图2所示。

数模转换使用具有超低噪声和高精度特性的数模转换芯片AD5542,其最高噪声仅为1μVpp,精度高达0.02%,该选择对于保证整个系统的性能具有关键作用。在数模转换过程中,主控芯片(MicrocontrollerUnit,MCU)负责向AD5542写入数字信号,这些信号的取样率最高可达5kHz,每个数据为16位二进制格式。AD5542芯片负责将主控芯片发送的数字信号转换为Vdac模