脑机接口分类及模块
脑机接口分类及模块
1非植入式脑机接口
非植入式脑机接口最典型的例子是1929年Hans Berger提出的以脑电信号作为基础的BCI系统，如今已经发展成为医学治疗上常用的EEG检测治疗系统。非植入式脑机接口主要是通过安置在头皮上的多通道电极对大脑内部大量神经元的整体电活动进行记录和分析。然后通过特定的信号处理算法得到信号的输出，最后达到对外部器件的控制。
2植入式脑机接口
植入式脑机接口是指将电子设备通过植入式多通道电极阵列与神经系统直接相连，能够实现与一个或多个独立神经元直接交互。比非植入式系统具有更高的信息提取精度，能够更加准确地确定信号产生的神经元。
传统的植入式脑机接口设备大多由商用采集器与个人电脑组成，其系统性能比较稳定，功能强大，但是设备笨重并且价格昂贵，给植入式脑机接口的推广造成了极大的阻碍。然而定制的嵌入式平台，能够根据实际应用的要求对平台的资源进行裁剪，使得消耗的资源更少，尺寸更小，耗能更低，便携性更强。目前基于嵌入式设计的脑机接口系统一般可以分为五大模块，分别为采集模块、信号转换模块、控制模块、数据传输模块和电源模块。本文将对一种特定的植入式脑机接口系统设计对模块化设计进行阐释。
如图1所示，该系统整体以STM32F407控制器为核心，利用该芯片上的高速接口SPI1，通过COMS-SPI转LVDS-SPI模块连接全段的信号采集芯片RHD2116并进行配置。接着，控制器按照顺序读取采集芯片各个通道的数据，同时进行数据预处理和数据包装。控制器通过W5500将用户数据报协议将数据发往上位机。
图1 系统整体结构示意图
采集模块，前端信号采集模块的选用关键在于低功耗、性能稳定和便于集成。Intan Technologies公司生产的一种低功耗生理信号采集芯片RHD2216基本能够符合实现系统功能的需求。该芯片集成了16个可编程带宽的低噪声放大器，截止频率可调的模拟和数字滤波器，可复用的16位模数转换器，电极阻抗测量模块，支持CMOS-SPI 和LVDS-SPI的数据接口。芯片可以达到同时采集16个通道数据的目的，便于同时进行多种生物信号的检测。
信号转换模块，该模块的核心控制器以低压差分信号通过标准的4线SPI纵向与RHD2216采集芯片进行信息交互。RHD2116的配置及采集端信号传输都是使用SPI总线的通信方式。SPI具有高速、全双工、同步、串行等特点，是一种常用的通信总线。SPI以主从方式进行工作，涉及一个主设备和多个从设备。SPI只有四根数据线，分别为MISO（数据输入），MOSI（数据输出），SCLK（时钟线），CS（片选线）。主设备通过片选线来控制从设备的选择与否，当主设备对片选信号使能时，对应的芯片就会被选中，由此SPI实现了对多个从设备的连接。与此同时，主设备通过控制时钟信号的上升沿和下降沿来控制数据的传输并保持主从设备的同步性。
控制器模块，该模块的微控制芯片需要具有高速的指令运行速度，这样才可以在短时间内将指令传达。同时，应该具有丰富的外设接口，例如，至少有3个支持DMA传输的高速SPI接口，便于采集模块和数据传输模块的数据交互。最后，能够支持浮点加速运算，这是处理ADC采集到的数据的必然要求。该模块的芯片可以参考ST意法半导体公司的STM32F407芯片进行选择。STM32F407是一种低价位，低功耗，高性能的32位MCU，工作频率可达168MHz,指令处理速度达到210DMIPS。并且在芯片中集成了Cortex-M4的32位RISC内核，其浮点运算单元FPU可以支持所有浮点型处理指令和数据类型。
数据传输模块，数据传输大都采用无线传输，正在发展的全集成的植入式神经修复系统，都以无线方式进行体内信号与外设部分的通信，同时，这也必将是植入式脑机接口系统的一个发展趋势和最终结果。该模块将采集到的神经信号或者已经在体内芯片进行处理过的信息通过特定的调制方式发送。在接收外部信号时，既包括接收外部控制信号，也包括从中恢复产生植入芯片工作所需要的电源电源以及时钟信号等。该模块可参考使用以太网控制芯片W5500。W5500是一款集成全硬件TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，是一颗工业级以太网控制芯片。与传统软件协议栈不同，W5500内嵌8个独立硬件Socket，可实现8路独立通信，并且该8路Socket的通信效率相互独立，不会产生相互影响。同时，可以通过W5500上的32K字节的收发缓存灵活定义各个Scoket的大小，便于设计者根据实际需求进行调整。
电源管理模块，该模块选用3.7V的锂电池供电比较理想，既能够满足系统的要求，又能达到最大程度上的节能。推荐采用LM117-3.3V作为电源的管理芯片，可以使芯片的输出稳定在3.3V。整个脑机接口的信号采集模块、控制模块，信号转换模块和数据传输模块均使用3.3V的电压，但是仍然需要对各个模块进行滤波和数模电源隔离。然而电源的滤波电路实际并不理想，原本希望其表现出的低通特性在实际中只能表现出带通特性。电源滤波电路如图2所示，电路中10uF 的大电容来滤除电源的纹波，用100uF的小电容用来滤除高频噪声。
图2 电源滤波
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