腦電控制智能小車創(chuàng)新實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計

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) 計算機與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

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腦電控制智能小車創(chuàng)新實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計

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) 計算機與電子信息學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于項目教學(xué)法的理念，設(shè)計了一款單通道腦電控制智能小車的實訓(xùn)系統(tǒng)，包括：腦電信號采集單元、智能小車單元、信號預(yù)處理單元及PC機端的信號顯示單元。腦電信號采集由TGAM1-R2.4A模塊和無線藍牙模塊組成；智能小車由STC12C5A60S2微處理器、電機驅(qū)動模塊以及無線藍牙模塊組成；信號預(yù)處理由STM32F103ZE微處理器來實現(xiàn)；在PC機上采用LabVIEW軟件完成腦電信號的存儲、顯示，對腦電信號做進一步的處理并轉(zhuǎn)換為智能小車的控制信號，實現(xiàn)對小車速度及方向的控制。該系統(tǒng)可用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)創(chuàng)新實踐訓(xùn)練課程。

腦電； 智能小車； LabVIEW； 無線傳輸

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)過培養(yǎng)后能利用電子、計算機技術(shù)解決醫(yī)療儀器設(shè)備的研制，產(chǎn)品的開發(fā)和維護等問題。生物信息的采集、處理，儀器設(shè)備的控制等知識模塊在專業(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，基于工程對象的教學(xué)法備受推崇[1-2]，主要用于綜合實訓(xùn)及創(chuàng)新實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。諸如機器人、智能小車等是電子、機械、電氣控制類專業(yè)典型的工程對象。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)(醫(yī)療儀器方向)常見的綜合實訓(xùn)項目是生理信號采集系統(tǒng)[3-7]。該項目涵蓋的知識點全，相關(guān)技術(shù)成熟，適合于學(xué)生對知識系統(tǒng)運用的訓(xùn)練。然而，創(chuàng)新實踐教學(xué)中更側(cè)重于在已有技術(shù)基礎(chǔ)上的改進或創(chuàng)造新的事物、方法、元素等。

因此，針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特點，設(shè)計了一套涵蓋生物信息采集、傳輸、處理、控制的創(chuàng)新實訓(xùn)系統(tǒng)。以當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點——腦電信號[8-9]作為實訓(xùn)對象，通過設(shè)計腦電信號的采集傳輸、信號處理及傳輸控制電路系統(tǒng)，進一步結(jié)合Lab VIEW實驗教學(xué)平臺，完成了整個系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用無線藍牙方式進行各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。采集的腦電信號可通過無線藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元或智能小車單元。

數(shù)據(jù)處理單元由LabVIEW實驗平臺和以STM32F103ZE為核心的信號預(yù)處理模塊組成。信號預(yù)處理模塊完成腦電信號的接收和小車控制指令的發(fā)送，實現(xiàn)對腦電原始信號的提取。

智能小車單元由以STC12C5A60S2為核心的微處理器模塊、電機驅(qū)動模塊以及無線藍牙模塊組成。微處理器可通過無線藍牙模塊接收上位機發(fā)出的控制指令，并根據(jù)指令控制電機完成加速、減速、前進、后退等基本操作。

2 各模塊的具體實現(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進行放大、濾波、A/D采樣和數(shù)字信號處理等操作[10-11]。TGAM模塊可以通過串行接口(UART)輸出eSense “專注度”指數(shù)和“放松度”指數(shù)。同時該模塊還可以輸出數(shù)字化的原始腦電信號。

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

圖2 腦電信號采集單元結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元由雙藍牙模塊、信號預(yù)處理模塊和安裝了LabVIEW軟件的PC機構(gòu)成。

雙藍牙模塊中的一個用于腦電數(shù)據(jù)的接收，另一個實現(xiàn)了上位機控制命令的發(fā)送。采用這種方式可以避免藍牙模塊反復(fù)切換配對而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸延時問題，能很好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸。STM32微處理器用于對藍牙模塊的初始化配置，并實現(xiàn)對腦電原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)通過串口UART3上傳到上位機。

LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)推出的一種簡單、易學(xué)、靈活、方便的圖形化編程語言， 具有可視化強、操作直觀、功能修改簡便等特點。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，可實現(xiàn)生物信號采集、預(yù)處理、提取以及分析[12-14]。上位機利用LabVIEW強大的圖形化開發(fā)環(huán)境，可以快速搭建腦電信號實驗測試模型，對接收到的原始腦電進行分析處理，提取出腦電信號的特征后發(fā)送控制小車運動的控制指令。

2.3 智能小車硬件設(shè)計

智能小車硬件電路包含微處理器系統(tǒng)電路，電機驅(qū)動電路，電源電路及無線藍牙模塊。無線藍牙模塊可直接與微處理器的串口相連。

(1) 智能小車微處理器系統(tǒng)電路如圖3所示。智能小車采用單機器周期高速單片機STC12C5A60S2，該單片機內(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)用在智能小車上具有資源豐富，學(xué)習(xí)入門快捷的特點。M1為LCD5110點陣液晶顯示模塊，實現(xiàn)人機交互。M2為ATK-HC05藍牙串口模塊，實現(xiàn)上位機控制指令的接收。

圖3 智能小車微處理器系統(tǒng)電路

(2) 智能小車電機驅(qū)動電路如圖4所示。電機驅(qū)動電路以L298N功率芯片為核心，二極管D1～D8構(gòu)成電壓保護電路。單片機通過IN1～IN4實現(xiàn)智能小車的方向控制，2路PWM接到L298N的ENA、ENB端口，實現(xiàn)小車的速度控制。

圖4 智能小車電機驅(qū)動電路

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

2.4 智能小車軟件設(shè)計

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

圖5 智能小車電源電路

圖6 智能小車系統(tǒng)控制流程圖

2.5 PC端的信號顯示

STM32微處理器將接收到的腦電信號進行協(xié)議解析后，通過串口發(fā)送到PC機。PC機上采用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，傳輸?shù)絇C機上，利用LabVIEW軟件進行分析顯示，得到的原始腦電波形如圖7所示，從原始腦電信號中分析出的各頻段波形如圖8所示。

圖7 原始腦電信號波形

圖8 腦電信號各頻段的波形

3 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

在所構(gòu)建的實訓(xùn)平臺上，實訓(xùn)內(nèi)容以基于嵌入式系統(tǒng)和PC機系統(tǒng)的軟件開發(fā)為主。可以開設(shè)如下教學(xué)項目：藍牙無線通信程序設(shè)計、智能小車控制設(shè)計、基于LabVIEW的腦電信號特征分析、單通道腦電分析儀設(shè)計等。

以“專注度控制智能小車行駛速度”項目為例，系統(tǒng)工作過程如下：將電極片佩戴在人腦前額、耳根處，進行腦電信號采集，信號經(jīng)過TGAM模塊放大、濾波、采樣后通過藍牙模塊完成數(shù)字化腦電信號向數(shù)據(jù)處理單元的傳送。信號預(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。利用LabVIEW軟件編程實現(xiàn)腦電信號的接收，專注度的提取和分析，并對專注度的大小進行量化。將量化后的數(shù)據(jù)作為智能小車行駛速度的控制參數(shù)，再通過藍牙模塊傳送到單片機中。單片機將該參數(shù)顯示在液晶屏上，同時調(diào)節(jié)PWM(脈寬調(diào)制)占空比的數(shù)值以控制電機的轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)小車行駛速度的調(diào)節(jié)。

實施項目教學(xué)法的過程如下：教師將項目分解為三個任務(wù)單元：腦電信號的專注度分析、PC機與單片機間的通信、智能小車的速度控制，學(xué)生組成對應(yīng)的三個項目組。將任務(wù)單元再細分，規(guī)定好細分任務(wù)單元的完成時間及要實現(xiàn)的基本功能。學(xué)生自行確定各自在項目小組中的分工、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行工作[15]。

4 結(jié) 語

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，具有典型性、開放性和趣味性的特點。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。

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

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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類項目(2013JGB127)；廣西醫(yī)科大學(xué)教育教學(xué)改革項目(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)的信號采集與處理。

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

G 642

A

1006-7167(2016)09-0231-04