劉朝旭， 王明浩， 郭哲俊， 王曉林， 劉景全

(上海交通大學(xué) 微納電子學(xué)系 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

隨著神經(jīng)科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的研究越來(lái)越火熱，其應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越廣泛。而植入式腦機(jī)接口相對(duì)于其他非侵入式的腦機(jī)接口，具有信號(hào)時(shí)空分辨率高、可提取的信息量大、能夠同步實(shí)現(xiàn)精細(xì)和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，這引起了眾多科研工作者的關(guān)注[1～4]。然而，傳統(tǒng)的植入式腦電信號(hào)采集設(shè)備大多由商用采集器與個(gè)人電腦(PC)組成，雖然性能穩(wěn)定，資源豐富，功能強(qiáng)大，但是設(shè)備笨重并且價(jià)格高昂，給腦機(jī)接口的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的限制[5～7]。而定制的嵌入式平臺(tái)，則能夠根據(jù)對(duì)應(yīng)場(chǎng)合的需求，剪裁掉嵌入式平臺(tái)多余的軟硬件，使得平臺(tái)消耗的資源更少，尺寸更小，能耗更低，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也更強(qiáng)[8]，使之能夠完全符合植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的應(yīng)用。

本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)便攜性和靈活性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套完整的植入式神經(jīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括Intan Technologies公司的16通道前端微弱生理信號(hào)采集芯片RHD2116，核心控制單元采用ST公司主頻168M的STM32F407微控制器，數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧+MAC+PHY以太網(wǎng)接口芯片W5500，通過(guò)UDP協(xié)議的方式實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)通信[9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，16通道的采集系統(tǒng)輸入噪聲為7 μV，每通道采樣頻率20 kHz，采樣精度16位，完全滿足植入式神經(jīng)信號(hào)采集的要求。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

便攜式采集與傳輸系統(tǒng)主要由五大模塊組成，分別為采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源模塊。其中控制模塊用來(lái)完成對(duì)各個(gè)模塊的配置以及協(xié)調(diào)模塊之間的通信。

如圖1，以STM32F407控制器為核心，使用其上的高速接口SPI1，通過(guò)CMOS-SPI轉(zhuǎn)LVDS-SPI模塊連接前端的信號(hào)采集芯片RHD2116并進(jìn)行配置，比如帶通濾波器的截止頻率、采樣速率、采樣通道選擇，以及控制采集過(guò)程的開始與結(jié)束。隨后，控制器順序讀取來(lái)自采集芯片各個(gè)通道的信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)包裝；控制器通過(guò)W5500以用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol，UDP)將數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)。最后上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖顯示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意

1.1 采集模塊

前端信號(hào)采集模塊選擇了Intan Technologies公司的一種低功耗電生理信號(hào)采集芯片RHD2216，集成了16個(gè)可編程帶寬的低噪聲放大器，截止頻率可調(diào)的模擬和數(shù)字濾波器，復(fù)用的16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，電極阻抗測(cè)量模塊，支持CMOS-SPI和LVDS-SPI的數(shù)據(jù)接口，可同時(shí)采集16個(gè)通道的數(shù)據(jù)，適用于多種電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。

圖2 基于RHD2216的外圍電路原理

圖2為RHD2116的外圍電路原理圖，RHD2116采用8 mm×8 mm的標(biāo)準(zhǔn)QFN56引腳的封裝，如此小的封裝尺寸非常適合可植入設(shè)備和便攜式設(shè)備的集成。RHD2116的16個(gè)采集通道連接到16pin的FPC母座，用于采集電極的重復(fù)安裝與替換。RHD2116通過(guò)LVDS-SPI通信接口接收MCU的指令并返回采集數(shù)據(jù)給MCU。

1.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

核心控制器以LVDS(低壓差分信號(hào))通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI總線與RHD2216采集芯片進(jìn)行通信[10]。這里使用了TI的SN65LVDS1，SN65LVDS2 低壓差分信號(hào)發(fā)送器、接收器來(lái)連接控制器的CMOS接口(CS，SCLK，MISO，MOSI)與RHD2216的LVDS接口(CS+，CS-，SCLK+，SCLK-，MISO+，MISO-，MOSI+，MOSI-)。

RHD2116的配置及采集端信號(hào)傳輸都是用SPI總線的通信方式。SPI是Motorola公司推出的一種高速、全雙工、同步、串行的通信總線。SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備。SPI只有4根數(shù)據(jù)線，分別為MISO(數(shù)據(jù)輸入)、MOSI(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時(shí)鐘線)、CS(片選線)。主設(shè)備通過(guò)片選線來(lái)控制從設(shè)備的選擇與否，當(dāng)主設(shè)備對(duì)片選信號(hào)使能時(shí)對(duì)應(yīng)的芯片才會(huì)被選中，這是SPI支持連接多個(gè)從設(shè)備的原因。主設(shè)備通過(guò)控制時(shí)鐘信號(hào)的跳變沿來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸并保持和從設(shè)備同步[11]。

在每個(gè)SPI時(shí)鐘周期內(nèi)，都會(huì)發(fā)生全雙工數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備在MOSI線上發(fā)送一個(gè)位，從設(shè)備讀取它，同時(shí)從機(jī)在MISO線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，主機(jī)讀取它。SPI有4種工作模式,各個(gè)工作模式的不同在于SCLK不同,具體工作由時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)兩個(gè)寄存器的值來(lái)決定。

1.3 控制器模塊

微控制芯片采用的是ST意法半導(dǎo)體公司的STM32F407芯片，STM32F407是一種低價(jià)、低功耗、高性能的32位MCU，集成了Cortex-M4的32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，指令處理速度達(dá)到210 DMIPS。Cortex-M4的浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，支持所有浮點(diǎn)型處理指令和數(shù)據(jù)類型。實(shí)現(xiàn)了一套完整的DSP指令和一個(gè)增強(qiáng)應(yīng)用程序安全性的內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)。此外，還集成了帶FIFO和支持BURST傳輸?shù)?6通道直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)控制器，減輕大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)CPU的負(fù)擔(dān)。

本文中選用STM32F407,一是因?yàn)槠淇焖俚牡闹噶钸\(yùn)行速度，二是因?yàn)槠湄S富的外設(shè)接口，如3個(gè)支持DMA傳輸?shù)母咚賁PI接口，用于采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)交互，三是支持浮點(diǎn)加速運(yùn)算，非常適合處理ADC采集到的數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

W5500是一種全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，W5500內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)及物理層(PHY)，全硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP以及PPPoE協(xié)議。W5500內(nèi)嵌了32K字節(jié)片上緩存以供以太網(wǎng)包處理。用戶可以同時(shí)使用8個(gè)硬件 Socket 獨(dú)立通訊。芯片的封裝采用7 mm×7 mm，間距0.5 mm的LQFP48封裝，易于便攜式設(shè)備的集成。

如圖3所示，W5500提供了SPI串行接口，從而更加方便與MCU進(jìn)行整合。而且，W5500的SPI接口支持的速率高達(dá)80 MHz，從而能夠更好地配合STM32F407控制器實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。W5500同樣提供了直連以太網(wǎng)的接口，使用單芯片就能拓展網(wǎng)絡(luò)連接。

圖3 基于W5500的數(shù)據(jù)傳輸電路原理圖設(shè)計(jì)

1.5 電源管理模塊

本系統(tǒng)選用3.7 V的鋰電池供電，LM1117—3.3 V作為電源的管理芯片。LM1117是TI公司推出的低壓差電壓調(diào)節(jié)器，被廣泛應(yīng)用在嵌入式單板供電單元中。系統(tǒng)的采集模塊、控制模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊均使用3.3 V供電電壓，針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行必要的濾波和模數(shù)電源隔離。

電源的濾波電容容抗在理論上表現(xiàn)出低通特性，但實(shí)際并不理想，只是在對(duì)應(yīng)的頻段起到濾波的作用，接近于帶阻濾波器的作用。用10 μF的大電容來(lái)濾除電源的紋波，用100 nF的小電容來(lái)濾除系統(tǒng)的高頻噪聲。零歐電阻用于模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)接地，提高噪聲信號(hào)在信號(hào)回流路徑上的阻抗。

圖4 電源部分

1.6 系統(tǒng)布局

考慮到系統(tǒng)高度微型、輕量化的要求，在保持系統(tǒng)各個(gè)模塊信號(hào)完整性的前提下，將數(shù)字、模擬電源隔離，數(shù)字、模擬地隔離，對(duì)PCB板進(jìn)行了多層、器件封裝緊密排布的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如圖5所示，所有的元件被集成在4.2 cm×4.2 cm的PCB上，僅半張信用卡的大小。包含16個(gè)pin，pin間距為0.5 mm的FPC母座與RHD2216的通道連接在一起，用于外接測(cè)試電極，采集信號(hào)。板上的水晶頭通過(guò)一根網(wǎng)線與上位機(jī)相連，將原始信號(hào)數(shù)據(jù)打包實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。

圖5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)部分

為測(cè)試本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)倪\(yùn)行效果，做了如圖6的實(shí)驗(yàn)。

圖6 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

16個(gè)通道的工作電極通過(guò)FPC軟排線連接到PCB上的FPC母座，工作電極和參考電極浸入磷酸緩沖鹽(PBS)溶液中。峰峰值為5 mV，頻率為1 000 Hz的正弦信號(hào)施加在一組金電極和地電極之間，兩個(gè)電極都被浸沒(méi)在PBS溶液中。記錄到的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口被傳輸?shù)絇C端。系統(tǒng)的噪聲水平同樣按照?qǐng)D6的實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行測(cè)量，在采樣頻率為250 Hz的條件下，系統(tǒng)噪聲水平的均方根值為7 μV，如圖7(a)所示。工作電極上測(cè)得的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)線被傳輸?shù)絇C上，PC上通過(guò)python調(diào)用圖像顯示模塊實(shí)時(shí)顯示信號(hào)，顯示如圖7(b)。

圖7 測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看到，電極端到外部PC端之間信號(hào)傳輸及數(shù)據(jù)處理功能的可行性。

3 結(jié) 論

本文研制了一套微型化、高質(zhì)量、低成本的16通道植入式腦電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)連接植入式采集電極，在PBS溶液中對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可支持16通道的植入式腦電數(shù)據(jù)的采集及傳輸，輸入噪聲為7 μV，每通道采樣頻率20 kHz，采樣精度為16位，而尺寸僅為4.2 cm×4.2 cm，完全滿足植入式腦電采集設(shè)備多通道、低噪聲、高采樣速率、便攜式及實(shí)時(shí)神經(jīng)信號(hào)采集與傳輸?shù)囊蟆?/p>