趙進(jìn)創(chuàng)，馬 超，潘屏萍，傅文利

(廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004)

腦機(jī)接口BCI(Brain Computer Interface)是一種新型的人機(jī)交互方式，它基于腦電信號(hào)EEG(Electroencephalogram)實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的交互，脫離了對(duì)人體外周神經(jīng)和肌肉組織的依賴[1-2]。因此，該技術(shù)在醫(yī)療、游戲以及工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。

目前，國(guó)內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)研究與應(yīng)用的主流方案是以計(jì)算機(jī)作為核心處理平臺(tái)[1]實(shí)現(xiàn)多通道腦電信號(hào)采集。此方案通常具有較好的性能，但也存在系統(tǒng)操作復(fù)雜、軟硬件設(shè)備昂貴、體積龐大、功耗高等不足，難以進(jìn)行推廣和市場(chǎng)普及。

本文采用TGAM1_R2.4A單通道腦電信號(hào)采集模塊[3]、STM32嵌入式處理器結(jié)合μC/OS-II多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通過專注度和眨眼信號(hào)控制的嵌入式小車控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在控制小車速度和方向方面具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)由腦電信號(hào)采集與傳輸、腦電信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)控制和信息顯示等部分組成。腦電信號(hào)采集由TGAM1_R2.4A模塊實(shí)現(xiàn)。腦電信號(hào)通過藍(lán)牙模塊BLK-MD-BC04B傳輸至STM32嵌入式處理器進(jìn)行處理，獲取專注度和眨眼信號(hào)。系統(tǒng)通過L298N芯片控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 腦電信號(hào)采集與處理

2.1 腦電信號(hào)的采集與傳輸

TGAM1_R2.4A是基于ThinkGearTM腦波傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)的采集芯片，由放置在前額處的傳感器電極觸點(diǎn)和耳部的參考電極觸點(diǎn)采集腦電信號(hào)。腦電信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部處理后可通過串口(UART)輸出數(shù)字化原始腦電信號(hào)，α，β等腦波波段數(shù)據(jù)以及eSense專注度和放松度指數(shù)。

采用具有串口功能的BLK-MD-BC04B藍(lán)牙模塊作為無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)送和接收單元。利用AT命令配置藍(lán)牙發(fā)送單元為從機(jī)模式并設(shè)置配對(duì)密碼。藍(lán)牙模塊與TGAM1_R2.4A連接原理圖如圖2所示。配置藍(lán)牙接收單元為主機(jī)模式和自動(dòng)搜索遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備狀態(tài)，設(shè)置與發(fā)送單元相同的配對(duì)密碼并與STM32串口1連接，連接原理圖如圖6所示。

圖2 TGAM1_R2.4A與藍(lán)牙發(fā)送單元連接原理圖

2.2 專注度提取與眨眼信號(hào)識(shí)別

STM32接收到腦電信號(hào)作為ThinkGearTM數(shù)據(jù)包，依據(jù)通信協(xié)議解碼獲得eSense專注度數(shù)據(jù)、數(shù)字化原始腦電信號(hào)。系統(tǒng)可直接解碼獲取專注度數(shù)據(jù)，但眨眼信號(hào)需系統(tǒng)自行識(shí)別。

STM32接收到的數(shù)字化原始腦電信號(hào)如圖3所示，圖中幅度較小的波形是反映人腦活動(dòng)的腦電信號(hào)，幅度較大的尖峰則是眨眼動(dòng)作引起的眼電信號(hào)與腦電信號(hào)的疊加[4]。由圖3可知眨眼動(dòng)作引起的眼電信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于腦電信號(hào)，而有意眨眼信號(hào)的幅度比自然眨眼信號(hào)大100單位以上。本文采用有意眨眼信號(hào)結(jié)合方向指示燈控制小車方向。

圖3 STM32接收的原始腦電信號(hào)

因不同使用者的腦電信號(hào)幅度不同且同一使用者佩戴傳感器的位置和角度的不同也會(huì)導(dǎo)致采集到的腦電信號(hào)幅度不同，故不能設(shè)定一個(gè)固定的眨眼信號(hào)判斷閾值滿足系統(tǒng)要求。在系統(tǒng)上電后啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)設(shè)定眨眼信號(hào)判斷閾值的過程，該過程持續(xù)時(shí)間為60 s，同時(shí)要求在設(shè)定過程中保持自然眨眼動(dòng)作狀態(tài)，按圖4所示流程進(jìn)行判斷閾值的設(shè)定。人正常眨眼頻率約為每分鐘10～20次[5]，故該過程以6 s為時(shí)間單位，分別計(jì)算每個(gè)時(shí)間單位內(nèi)腦電信號(hào)的最大值A(chǔ)i，然后計(jì)算60 s時(shí)間內(nèi)10個(gè)腦電信號(hào)最大值的平均值?？紤]到眨眼動(dòng)作的不一致性,為提高眨眼信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率,需要對(duì)平均值加一個(gè)過渡緩沖值。經(jīng)測(cè)試，過渡緩沖值設(shè)為100可獲得較好的識(shí)別效果。圖4中AREF為眨眼信號(hào)判斷閾值，即：

系統(tǒng)完成自動(dòng)設(shè)定眨眼判斷閾值后即可進(jìn)入有意眨眼信號(hào)識(shí)別階段，其流程如圖5所示。STM32讀取原始腦電數(shù)據(jù)A并與 AREF比較。若 A＞AREF，則開始計(jì)時(shí)，直到A＜AREF時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間為t。由于每次眨眼動(dòng) 作 的 持 續(xù) 時(shí) 間 在0.3 s～0.4 s之 間[5]，若 0.1 s＜t＜0.3 s， 則 認(rèn)為是一次有意眨眼動(dòng)作。若t≤0.1 s 或 t≥0.3 s，雖然檢測(cè)到超過眨眼判斷閾值的腦電信號(hào)，但其持續(xù)時(shí)間與眨眼動(dòng)作不同，認(rèn)為是需要過濾的干擾信號(hào)。

圖4 判斷閾值設(shè)定流程圖

圖5 有意眨眼信號(hào)識(shí)別流程圖

3 小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 小車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)的嵌入式芯片STM32-F103ZET6[6]作為核心處理器，采用 3.5英寸 TFT液晶觸摸顯示屏進(jìn)行相關(guān)信息的顯示和控制指令的輸入，利用L298N芯片驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用TLP521-2光耦芯片進(jìn)行隔離以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，電路原理圖如圖6所示。L298N的使能端ENA、ENB與STM32芯片的PWM輸出端口PA6、PA7連接，改變 STM32輸出脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制小車速度的目的。小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制定義如表1所示。

利用全彩LED的顏色變化顯示專注度大小。在小車頂部設(shè)置指示前方、左方、右方的方向指示燈。

小車控制過程為：系統(tǒng)上電后進(jìn)行眨眼信號(hào)判斷閾值的設(shè)定，然后進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)。在運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)中系統(tǒng)以1.5 s的時(shí)間間隔按順時(shí)針方向?qū)?個(gè)方向進(jìn)行掃描。當(dāng)掃描某一方向時(shí)相應(yīng)的方向指示燈亮，若在1.5 s內(nèi)沒有檢測(cè)到有意眨眼信號(hào)，則進(jìn)入下一運(yùn)行方向的掃描；若在1.5 s內(nèi)檢測(cè)到有意眨眼信號(hào)，則立即執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，在動(dòng)作執(zhí)行期間若檢測(cè)到有意眨眼信號(hào)，則系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)退出動(dòng)作執(zhí)行狀態(tài)，重新進(jìn)入掃描狀態(tài)。

圖6 小車控制系統(tǒng)電路原理圖

表1 小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制定義

圖7 運(yùn)動(dòng)控制程序流程圖

3.2 小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件主體采用具有搶占式內(nèi)核的 μC/OS-II多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7]與μC/GUI圖形用戶界面相配合的方案。利用串口中斷方式進(jìn)行腦電信號(hào)的接收并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行腦電信號(hào)解碼、專注度提取、眨眼信號(hào)識(shí)別以保證腦電信號(hào)得到實(shí)時(shí)處理。設(shè)置小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制任務(wù)為最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)以確保對(duì)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。其運(yùn)動(dòng)控制程序流程如圖7所示。

系統(tǒng)上電后，各功能模塊進(jìn)行初始化，通過藍(lán)牙模塊建立連接，啟動(dòng)60 s自動(dòng)設(shè)定眨眼信號(hào)判斷閾值過程。在上述啟動(dòng)過程中，若某一過程未成功完成，則系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)入下一個(gè)啟動(dòng)過程。在確定眨眼信號(hào)判斷閾值之后，若系統(tǒng)檢測(cè)到一次有意眨眼信號(hào)，則進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

眨眼信號(hào)是系統(tǒng)重要的控制信號(hào)，眨眼信號(hào)的識(shí)別效果直接影響系統(tǒng)的性能。組織5名未參與本研究的人員進(jìn)行眨眼信號(hào)識(shí)別效果的測(cè)試。測(cè)試分為A、B兩個(gè)批次，其中A批次是被測(cè)人員首次接觸該系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試，B批次是被測(cè)人員經(jīng)過半小時(shí)的訓(xùn)練之后進(jìn)行的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，在被測(cè)人員不熟悉系統(tǒng)操作的情況下，眨眼動(dòng)作不規(guī)范，識(shí)別率較低。但經(jīng)過短時(shí)間的訓(xùn)練之后，識(shí)別率已經(jīng)達(dá)到比較可靠、穩(wěn)定的水平。

為測(cè)試系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)圖8所示的運(yùn)動(dòng)路線，被測(cè)人員在B批次測(cè)試后開始進(jìn)行按規(guī)定運(yùn)動(dòng)路線控制小車運(yùn)動(dòng)的測(cè)試，每位被測(cè)人員測(cè)試10次并繪制運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從50次測(cè)試結(jié)果中根據(jù)偏離規(guī)定路線的程度選出最佳和最差運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8所示，A虛線為最佳控制軌跡，B實(shí)線為最差控制軌跡。

測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的眨眼信號(hào)識(shí)別方法對(duì)經(jīng)過相關(guān)訓(xùn)練的使用者來(lái)說具有較好的識(shí)別效果。系統(tǒng)在控制小車前進(jìn)速度和方向方面反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性較高。

利用腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)結(jié)合低成本、低功耗的嵌入式處理器平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通過專注度和眨眼信號(hào)控制的小車控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)單、易于應(yīng)用且具有較好的穩(wěn)定性和較高的反應(yīng)速度。本系統(tǒng)為腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療(如電動(dòng)輪椅)、游戲以及工業(yè)控制等方面的應(yīng)用和推廣進(jìn)行了有益的探索。

表2 眨眼信號(hào)識(shí)別率測(cè)試結(jié)果

圖8 運(yùn)動(dòng)路線及測(cè)試軌跡圖

[1]王嬌娜，劉紀(jì)紅，張力，等.基于腦-機(jī)接口的無(wú)線智能機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(8)：119-125.

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[6]STMicroelectronics.STM32F103E[EB/OL].(2011-04)[2013-12-09].http：//www.st.com.

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