陳 妮， 何華光， 顏煥歡

(1. 廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣西 南寧 530021；2. 廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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腦電控制智能小車(chē)創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 妮1， 何華光2， 顏煥歡1

(1. 廣西醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣西 南寧 530021；2. 廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于項(xiàng)目教學(xué)法的理念，設(shè)計(jì)了一款單通道腦電控制智能小車(chē)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，包括：腦電信號(hào)采集單元、智能小車(chē)單元、信號(hào)預(yù)處理單元及PC機(jī)端的信號(hào)顯示單元。腦電信號(hào)采集由TGAM1-R2.4A模塊和無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊組成；智能小車(chē)由STC12C5A60S2微處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊組成；信號(hào)預(yù)處理由STM32F103ZE微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)；在PC機(jī)上采用LabVIEW軟件完成腦電信號(hào)的存儲(chǔ)、顯示，對(duì)腦電信號(hào)做進(jìn)一步的處理并轉(zhuǎn)換為智能小車(chē)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速度及方向的控制。該系統(tǒng)可用于生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練課程。

腦電； 智能小車(chē)； LabVIEW； 無(wú)線(xiàn)傳輸

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科作為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的交叉，學(xué)科的方向性多，每個(gè)不同方向側(cè)重的學(xué)科基礎(chǔ)也不同。生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)(醫(yī)療儀器方向)以工程學(xué)為基礎(chǔ)，要求學(xué)生經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后能利用電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)解決醫(yī)療儀器設(shè)備的研制，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和維護(hù)等問(wèn)題。生物信息的采集、處理，儀器設(shè)備的控制等知識(shí)模塊在專(zhuān)業(yè)課程體系中占據(jù)了重要地位。在工程學(xué)科的人才培養(yǎng)中，基于工程對(duì)象的教學(xué)法備受推崇[1-2]，主要用于綜合實(shí)訓(xùn)及創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。諸如機(jī)器人、智能小車(chē)等是電子、機(jī)械、電氣控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)典型的工程對(duì)象。在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)(醫(yī)療儀器方向)常見(jiàn)的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是生理信號(hào)采集系統(tǒng)[3-7]。該項(xiàng)目涵蓋的知識(shí)點(diǎn)全，相關(guān)技術(shù)成熟，適合于學(xué)生對(duì)知識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用的訓(xùn)練。然而，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中更側(cè)重于在已有技術(shù)基礎(chǔ)上的改進(jìn)或創(chuàng)造新的事物、方法、元素等。

因此，針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套涵蓋生物信息采集、傳輸、處理、控制的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。以當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)——腦電信號(hào)[8-9]作為實(shí)訓(xùn)對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)腦電信號(hào)的采集傳輸、信號(hào)處理及傳輸控制電路系統(tǒng)，進(jìn)一步結(jié)合Lab VIEW實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括腦電信號(hào)的采集傳輸單元、信號(hào)處理單元，智能小車(chē)單元。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙方式進(jìn)行各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。采集的腦電信號(hào)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元或智能小車(chē)單元。

數(shù)據(jù)處理單元由LabVIEW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和以STM32F103ZE為核心的信號(hào)預(yù)處理模塊組成。信號(hào)預(yù)處理模塊完成腦電信號(hào)的接收和小車(chē)控制指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電原始信號(hào)的提取。

智能小車(chē)單元由以STC12C5A60S2為核心的微處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊組成。微處理器可通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令，并根據(jù)指令控制電機(jī)完成加速、減速、前進(jìn)、后退等基本操作。

2 各模塊的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

采用神念科技公司TGAM1-R2.4A單通道腦電采集模塊，TGAM模塊包括了一個(gè)高度集成的單一芯片腦電傳感器，可以將置于前額和耳根的電極片采集的腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D采樣和數(shù)字信號(hào)處理等操作[10-11]。TGAM模塊可以通過(guò)串行接口(UART)輸出eSense “專(zhuān)注度”指數(shù)和“放松度”指數(shù)。同時(shí)該模塊還可以輸出數(shù)字化的原始腦電信號(hào)。

藍(lán)牙模塊采用星翼電子科技公司的ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊。腦電模塊和藍(lán)牙模塊都支持標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議，可以很方便地連接起來(lái)，將腦電信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元,見(jiàn)圖2。

圖2 腦電信號(hào)采集單元結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元由雙藍(lán)牙模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊和安裝了LabVIEW軟件的PC機(jī)構(gòu)成。

雙藍(lán)牙模塊中的一個(gè)用于腦電數(shù)據(jù)的接收，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制命令的發(fā)送。采用這種方式可以避免藍(lán)牙模塊反復(fù)切換配對(duì)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)問(wèn)題，能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。STM32微處理器用于對(duì)藍(lán)牙模塊的初始化配置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口UART3上傳到上位機(jī)。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)推出的一種簡(jiǎn)單、易學(xué)、靈活、方便的圖形化編程語(yǔ)言， 具有可視化強(qiáng)、操作直觀、功能修改簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。2013年，NI公司推出了生物醫(yī)學(xué)信息處理工具包，該工具包包含了大量生物信息處理的現(xiàn)成函數(shù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)采集、預(yù)處理、提取以及分析[12-14]。上位機(jī)利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以快速搭建腦電信號(hào)實(shí)驗(yàn)測(cè)試模型，對(duì)接收到的原始腦電進(jìn)行分析處理，提取出腦電信號(hào)的特征后發(fā)送控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)的控制指令。

2.3 智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)硬件電路包含微處理器系統(tǒng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電源電路及無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊。無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊可直接與微處理器的串口相連。

(1) 智能小車(chē)微處理器系統(tǒng)電路如圖3所示。智能小車(chē)采用單機(jī)器周期高速單片機(jī)STC12C5A60S2，該單片機(jī)內(nèi)部集成了2路PWM模塊，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器以及1KB的外部SRAM。應(yīng)用在智能小車(chē)上具有資源豐富，學(xué)習(xí)入門(mén)快捷的特點(diǎn)。M1為L(zhǎng)CD5110點(diǎn)陣液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。M2為ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制指令的接收。

圖3 智能小車(chē)微處理器系統(tǒng)電路

(2) 智能小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以L(fǎng)298N功率芯片為核心，二極管D1～D8構(gòu)成電壓保護(hù)電路。單片機(jī)通過(guò)IN1～I(xiàn)N4實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的方向控制，2路PWM接到L298N的ENA、ENB端口，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的速度控制。

圖4 智能小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

(3) 智能小車(chē)電源電路如圖5所示。智能小車(chē)可以使用兩節(jié)鋰電池7.4 V電壓供電，單片機(jī)模塊使用的5 V電壓由穩(wěn)壓芯片AMS1117提供。為了避免電機(jī)啟動(dòng)或者反轉(zhuǎn)瞬間電源電壓的波動(dòng)，二極管D13和電容C9形成一個(gè)簡(jiǎn)單的抑制電源電壓跳變的保護(hù)電路，確保穩(wěn)壓芯片正常工作，避免了單片機(jī)因電壓變動(dòng)而導(dǎo)致自動(dòng)重啟的問(wèn)題。

2.4 智能小車(chē)軟件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。單片機(jī)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括芯片內(nèi)部串口設(shè)置、PWM設(shè)置等。配置藍(lán)牙模塊包括藍(lán)牙的主從狀態(tài)設(shè)定，波特率以及密碼設(shè)定等。藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接成功后，單片機(jī)就可以不斷查詢(xún)上位機(jī)發(fā)送的命令，從而控制小車(chē)的各種動(dòng)作。

圖5 智能小車(chē)電源電路

圖6 智能小車(chē)系統(tǒng)控制流程圖

2.5 PC端的信號(hào)顯示

STM32微處理器將接收到的腦電信號(hào)進(jìn)行協(xié)議解析后，通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)。PC機(jī)上采用LabVIEW軟件的VISA控件接收數(shù)據(jù)，然后調(diào)用顯示控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

采集1名受試者在安靜、清醒狀態(tài)下的腦電信號(hào)，傳輸?shù)絇C機(jī)上，利用LabVIEW軟件進(jìn)行分析顯示，得到的原始腦電波形如圖7所示，從原始腦電信號(hào)中分析出的各頻段波形如圖8所示。

圖7 原始腦電信號(hào)波形

圖8 腦電信號(hào)各頻段的波形

3 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

在所構(gòu)建的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以基于嵌入式系統(tǒng)和PC機(jī)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)為主?？梢蚤_(kāi)設(shè)如下教學(xué)項(xiàng)目：藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)、智能小車(chē)控制設(shè)計(jì)、基于LabVIEW的腦電信號(hào)特征分析、單通道腦電分析儀設(shè)計(jì)等。

以“專(zhuān)注度控制智能小車(chē)行駛速度”項(xiàng)目為例，系統(tǒng)工作過(guò)程如下：將電極片佩戴在人腦前額、耳根處，進(jìn)行腦電信號(hào)采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)TGAM模塊放大、濾波、采樣后通過(guò)藍(lán)牙模塊完成數(shù)字化腦電信號(hào)向數(shù)據(jù)處理單元的傳送。信號(hào)預(yù)處理模塊根據(jù)腦電采集模塊固有通信協(xié)議，從接收到的數(shù)據(jù)中提取出原始的腦電數(shù)據(jù)，然后上傳到上位機(jī)。利用LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的接收，專(zhuān)注度的提取和分析，并對(duì)專(zhuān)注度的大小進(jìn)行量化。將量化后的數(shù)據(jù)作為智能小車(chē)行駛速度的控制參數(shù)，再通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送到單片機(jī)中。單片機(jī)將該參數(shù)顯示在液晶屏上，同時(shí)調(diào)節(jié)PWM(脈寬調(diào)制)占空比的數(shù)值以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車(chē)行駛速度的調(diào)節(jié)。

實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)法的過(guò)程如下：教師將項(xiàng)目分解為三個(gè)任務(wù)單元：腦電信號(hào)的專(zhuān)注度分析、PC機(jī)與單片機(jī)間的通信、智能小車(chē)的速度控制，學(xué)生組成對(duì)應(yīng)的三個(gè)項(xiàng)目組。將任務(wù)單元再細(xì)分，規(guī)定好細(xì)分任務(wù)單元的完成時(shí)間及要實(shí)現(xiàn)的基本功能。學(xué)生自行確定各自在項(xiàng)目小組中的分工、功能模塊之間的銜接及合作的方式，并按照已確立的工作步驟和程序進(jìn)行工作[15]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)涵蓋了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)多學(xué)科的知識(shí)，具有典型性、開(kāi)放性和趣味性的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于模塊的技術(shù)更新及成果的復(fù)用。

腦電信號(hào)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的研究熱點(diǎn)，以腦電信號(hào)的采集處理作為實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的組成部分，可設(shè)置面向科學(xué)研究的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，有利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的提高和成果的產(chǎn)出，同時(shí)也利于教學(xué)與科研的承接。

[1] 吳建平,成 毅. “工程對(duì)象教學(xué)法”模式應(yīng)用研究[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2009,17(4):85-88.

[2] 何華光,莫 琳,陳 華. 項(xiàng)目教學(xué)法在電子信息綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣西教育,2015,19:140-141+177.

[3] 趙曉明. 基于單片機(jī)的心電采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(12):82-86.

[4] 趙曉明. 生物醫(yī)學(xué)電子綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(7):51-54.

[5] 郭淑艷,余學(xué)飛. 生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探討[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2009,24(5):68-70.

[6] 翁蘇湘,霍旭陽(yáng). 生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)踐研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代,2012(7):55-59.

[7] 方向林. “專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建 [J].中國(guó)電力教育,2012(28):114-116.

[8] 王慧娟,鐘東晟,趙建坤. 基于腦機(jī)交互接口的遙控小車(chē)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,23(4):15-17.

[9] 王金甲,楊成杰,胡 備. P300腦機(jī)接口控制智能小車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2013,30(2):223-228.

[10] 趙進(jìn)創(chuàng),馬 超,潘屏萍. 基于單通道腦機(jī)接口的小車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(4):22-24.

[11] 陳東偉,吳 方,王 震. 基于腦-機(jī)接口的智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù),2013(6):80-82.

[12] 朱志強(qiáng),田 心. LabVIEW及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè),2001,24(2):59-64.

[13] 方向林. LabVIEW與虛擬醫(yī)學(xué)儀器[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2006(25):65-66.

[14] 付 靜,高 莉. 基于LabVIEW的虛擬腦電實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)研究與探索,2011,30(3):57-60.

[15] 宋 錦. 單片機(jī)課程項(xiàng)目教學(xué)法的探索和實(shí)踐[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,5(6):94-96.

Design and Realize of EEG Control Intelligent Car Innovative Training System

CHENNi1，HEHua-guang2，YANHuan-huan1

(1. College of Basic Medicine， Guangxi Medical University， Nanning 530021， China； 2. College of Computer and Electronic Information， Guangxi University， Nanning 530004， China)

A training system of single channel EEG control intelligent car is designed based on the idea of engineering project teaching method, including brain electrical signal acquisition unit, intelligent car unit, signal preprocessing unit and signal display unit on PC. EEG signal acquisition unit is composed of TGAM1-R2.4A module and wireless bluetooth module; The intelligent car is composed of STC12C5A60S2 microprocessor, motor drive module and wireless bluetooth module; Signal preprocessing is realized by STM32F103ZE microprocessor. The LabVIEW software is used to complete the storage and display of the EEG signal on PC. Further processing is done to EEG signals. Then the result is converted to control signal of intelligent car and transmitted to intelligent car unit to control its speed and direction. This system can be applied to the innovation practice training course of biomedical engineering.

EEG； intelligent car； LabVIEW； wireless communication

2015-10-08

廣西高等教育教學(xué)改革工程B類(lèi)項(xiàng)目(2013JGB127)；廣西醫(yī)科大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2013XJGA14)

陳 妮(1982-)，女，廣西柳州人，碩士，講師，電子學(xué)教研室副主任，研究方向：基于嵌入式系統(tǒng)的信號(hào)采集與處理。

Tel.：13768518209；E-mail：lizi0908@163.com

G 642

A

1006-7167(2016)09-0231-04