腦電控制智能小車創新實訓系統的設計

陳 妮， 何華光， 顏煥歡

(1. 廣西醫科大學 基礎醫學院，廣西 南寧 530021；2. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004)

?

腦電控制智能小車創新實訓系統的設計

陳 妮1， 何華光2， 顏煥歡1

(1. 廣西醫科大學 基礎醫學院，廣西 南寧 530021；2. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004)

基于項目教學法的理念，設計了一款單通道腦電控制智能小車的實訓系統，包括：腦電信號采集單元、智能小車單元、信號預處理單元及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、電機驅動模塊以及無線藍牙模塊組成；信號預處理由STM32F103ZE微處理器來實現；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換為智能小車的控制信號，實現對小車速度及方向的控制。該系統可用于生物醫學工程專業創新實踐訓練課程。

腦電； 智能小車； LabVIEW； 無線傳輸

0 引 言

生物醫學工程學科作為生物學、醫學和工程學的交叉，學科的方向性多，每個不同方向側重的學科基礎也不同。生物醫學工程專業(醫療儀器方向)以工程學為基礎，要求學生經過培養后能利用電子、計算機技術解決醫療儀器設備的研制，產品的開發和維護等問題。生物信息的采集、處理，儀器設備的控制等知識模塊在專業課程體系中占據了重要地位。在工程學科的人才培養中，基于工程對象的教學法備受推崇[1-2]，主要用于綜合實訓及創新實踐教學環節。諸如機器人、智能小車等是電子、機械、電氣控制類專業典型的工程對象。在生物醫學工程專業(醫療儀器方向)常見的綜合實訓項目是生理信號采集系統[3-7]。該項目涵蓋的知識點全，相關技術成熟，適合于學生對知識系統運用的訓練。然而，創新實踐教學中更側重于在已有技術基礎上的改進或創造新的事物、方法、元素等。

因此，針對生物醫學工程專業的特點，設計了一套涵蓋生物信息采集、傳輸、處理、控制的創新實訓系統。以當前生物醫學工程領域的研究熱點——腦電信號[8-9]作為實訓對象，通過設計腦電信號的采集傳輸、信號處理及傳輸控制電路系統，進一步結合Lab VIEW實驗教學平臺，完成了整個系統的構建。

1 系統總體設計

系統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。系統框圖如圖1所示：

圖1 系統框圖

系統采用無線藍牙方式進行各模塊間的數據傳輸。采集的腦電信號可通過無線藍牙模塊將數據傳輸到數據處理單元或智能小車單元。

數據處理單元由LabVIEW實驗平臺和以STM32F103ZE為核心的信號預處理模塊組成。信號預處理模塊完成腦電信號的接收和小車控制指令的發送，實現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出的控制指令，并根據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

2.1 數據采集單元

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”指數和“放松度”指數。同時該模塊還可以輸出數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準串口協議，可以很方便地連接起來，將腦電信號發送到數據處理單元,見圖2。

圖2 腦電信號采集單元結構框圖

2.2 數據處理單元

數據處理單元由雙藍牙模塊、信號預處理模塊和安裝了LabVIEW軟件的PC機構成。

雙藍牙模塊中的一個用于腦電數據的接收，另一個實現了上位機控制命令的發送。采用這種方式可以避免藍牙模塊反復切換配對而導致的數據傳輸延時問題，能很好的實現數據的高速、穩定傳輸。STM32微處理器用于對藍牙模塊的初始化配置，并實現對腦電原始數據的預處理，最后將處理好的數據通過串口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、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公司推出了生物醫學信息處理工具包，該工具包包含了大量生物信息處理的現成函數庫，可實現生物信號采集、預處理、提取以及分析[12-14]。上位機利用LabVIEW強大的圖形化開發環境，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送控制小車運動的控制指令。

2.3 智能小車硬件設計

智能小車硬件電路包含微處理器系統電路，電機驅動電路，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，該單片機內部集成了2路PWM模塊，8路10位A/D轉換器以及1KB的外部SRAM。應用在智能小車上具有資源豐富，學習入門快捷的特點。M1為LCD5110點陣液晶顯示模塊，實現人機交互。M2為ATK-HC05藍牙串口模塊，實現上位機控制指令的接收。

圖3 智能小車微處理器系統電路

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

圖4 智能小車電機驅動電路

(3) 智能小車電源電路如圖5所示。智能小車可以使用兩節鋰電池7.4 V電壓供電，單片機模塊使用的5 V電壓由穩壓芯片AMS1117提供。為了避免電機啟動或者反轉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，確保穩壓芯片正常工作，避免了單片機因電壓變動而導致自動重啟的問題。

2.4 智能小車軟件設計

智能小車系統控制流程圖如圖6所示。單片機先對系統進行初始化，包括芯片內部串口設置、PWM設置等。配置藍牙模塊包括藍牙的主從狀態設定，波特率以及密碼設定等。藍牙數據連接成功后，單片機就可以不斷查詢上位機發送的命令，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議解析后，通過串口發送到PC機。PC機上采用LabVIEW軟件的VISA控件接收數據，然后調用顯示控件實現數據的顯示。

采集1名受試者在安靜、清醒狀態下的腦電信號，傳輸到PC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 系統應用舉例

在所構建的實訓平臺上，實訓內容以基于嵌入式系統和PC機系統的軟件開發為主。可以開設如下教學項目：藍牙無線通信程序設計、智能小車控制設計、基于LabVIEW的腦電信號特征分析、單通道腦電分析儀設計等。

以“專注度控制智能小車行駛速度”項目為例，系統工作過程如下：將電極片佩戴在人腦前額、耳根處，進行腦電信號采集，信號經過TGAM模塊放大、濾波、采樣后通過藍牙模塊完成數字化腦電信號向數據處理單元的傳送。信號預處理模塊根據腦電采集模塊固有通信協議，從接收到的數據中提取出原始的腦電數據，然后上傳到上位機。利用LabVIEW軟件編程實現腦電信號的接收，專注度的提取和分析，并對專注度的大小進行量化。將量化后的數據作為智能小車行駛速度的控制參數，再通過藍牙模塊傳送到單片機中。單片機將該參數顯示在液晶屏上，同時調節PWM(脈寬調制)占空比的數值以控制電機的轉速，進而實現小車行駛速度的調節。

實施項目教學法的過程如下：教師將項目分解為三個任務單元：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，學生組成對應的三個項目組。將任務單元再細分，規定好細分任務單元的完成時間及要實現的基本功能。學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 語

本系統涵蓋了生物學、醫學、工程學多學科的知識，具有典型性、開放性和趣味性的特點。系統采用模塊化結構，便于模塊的技術更新及成果的復用。

腦電信號是生物醫學工程學科的研究熱點，以腦電信號的采集處理作為實訓系統的組成部分，可設置面向科學研究的項目內容，有利于學生創新實踐能力的提高和成果的產出，同時也利于教學與科研的承接。

[1] 吳建平,成 毅. “工程對象教學法”模式應用研究[J]. 成都理工大學學報(社會科學版),2009,17(4):85-88.

[2] 何華光,莫 琳,陳 華. 項目教學法在電子信息綜合設計實踐教學中的應用[J]. 廣西教育,2015,19:140-141+177.

[3] 趙曉明. 基于單片機的心電采集實驗平臺設計與實現[J]. 實驗技術與管理,2013,30(12):82-86.

[4] 趙曉明. 生物醫學電子綜合實驗系統設計[J]. 實驗技術與管理,2013,30(7):51-54.

[5] 郭淑艷,余學飛. 生物醫學工程專業開展綜合設計性實驗的探討[J].中國醫療設備,2009,24(5):68-70.

[6] 翁蘇湘,霍旭陽. 生物醫學工程專業綜合實驗室建設的實踐研究[J].計算機時代,2012(7):55-59.

[7] 方向林. “專業課程設計”實驗教學平臺的搭建 [J].中國電力教育,2012(28):114-116.

[8] 王慧娟,鐘東晟,趙建坤. 基于腦機交互接口的遙控小車控制平臺設計[J].北華航天工業學院學報,2013,23(4):15-17.

[9] 王金甲,楊成杰,胡 備. P300腦機接口控制智能小車系統的設計與實現[J].生物醫學工程學雜志,2013,30(2):223-228.

[10] 趙進創,馬 超,潘屏萍. 基于單通道腦機接口的小車控制系統設計[J].電子技術應用,2014,40(4):22-24.

[11] 陳東偉,吳 方,王 震. 基于腦-機接口的智能小車系統設計與實現[J].信息技術,2013(6):80-82.

[12] 朱志強,田 心. LabVIEW及其在生物醫學工程中的應用[J].國外醫學生物醫學工程分冊,2001,24(2):59-64.

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

[14] 付 靜,高 莉. 基于LabVIEW的虛擬腦電實驗儀設計[J]. 實驗研究與探索,2011,30(3):57-60.

[15] 宋 錦. 單片機課程項目教學法的探索和實踐[J].武漢職業技術學院學報,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

廣西高等教育教學改革工程B類項目(2013JGB127)；廣西醫科大學教育教學改革項目(2013XJGA14)

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

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

G 642

A

1006-7167(2016)09-0231-04