1. 南京邮电大学 地理与生物信息学院，江苏 南京 210023； 2. 南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003
择要：结合嵌入式系统和脑机接口技能，构建脑力驱动残疾人轮椅系统。首先利用脑电旗子暗记（EEG旗子暗记）的采集芯片装置TGAM对脑电旗子暗记进行采集；其次通过蓝牙模块将TGAM和打算机相连接，将采集到的脑波原始数据传输到打算机上，利用eSense算法将脑电数据进行量化；然后再通过蓝牙无线连接到Arduino轮椅掌握平台，通过I/O掌握口实现脑力对轮椅的掌握；末了提出采取多措辞稠浊编程的方法实现脑电旗子暗记的图像显示，比较单一措辞编程的图像显示，多措辞稠浊编程法更好地显示了脑电旗子暗记的三维图像。
0弁言
人类的每一闪思维、每一种感情、每一个想法，在大脑中都会产生特定的脑电旗子暗记，脑电旗子暗记反响出大脑皮层不同区域的活动状态，通过对脑电旗子暗记的剖析和处理，可以有效地从脑电旗子暗记中提取可靠的特色参量来反响脑的功能状态［1］。不同思维情形下产生的神经元放电活动旗子暗记表现出不同的时空变革模式并导致EEG旗子暗记的不同。
随着环球各国生活水平以及医疗水平的提高，人口老龄化逐渐成为大部分国家须要负责考虑的问题，赡养老人也成为下一代很严重的压力问题。因此智能生活的需求十分急迫，身体的不健全导致的一些生活的不便利可以通过大脑活动来填补。智能轮椅的发明为当代人们供应了一种新的思路。
对付严重神经或肌肉伤残的人来说，可以利用大脑的信息与打算机或其他设备进行通信，因此在脑电旗子暗记的提取方面有一定的研究必要。
脑机接口（Brain Computer Interface,BCI）是在人脑和打算机或其他电子设备之间建立一种不依赖于常规大脑输出通路（外周神经和肌肉组织）的直接信息互换和掌握通道，是一种全新的人机交互系统［2］。对付遭受严重神经或肌肉伤残的人来说，可以利用脑机接口技能实现脑电旗子暗记与打算机或其他电子设备进行通信。
Mindwave脑电采集装置是一种不依赖于外周神经和肌肉等常规输出通道的信息互换系统。它可为神经肌肉障碍患者供应一条与外界沟通的路子,并在虚拟现实、游戏娱乐和航空等领域具有潜在代价。目前,常用的脑电输入旗子暗记包括P300、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、皮层慢电位(SCP)以及μ或β节律等。个中,SCP、μ或β节律等自发脑电不依赖于额外刺激的输入,不会产生视觉疲倦,没有适应性的问题,且其神全心理学根本已得到比较深入的研究,因而在Mindwave脑电采集装置中得到了较多的运用。但是,基于自发脑电的脑机接口也存在明显的毛病,如并非所有个体都适用基于μ节律的脑机接口,基于SCP的脑机接口要经由永劫光的演习才能实现等。
本文以此为根本，设计出一种能为手脚不便的残疾人供应一个脑力驱动的轮椅系统，利用者无需手动操作操纵杆便可完成轮椅的提高、转向、停滞等动作。本文利用多措辞稠浊编程方法，设计软件编程对脑电旗子暗记的三维图像进行显示设计。
1系统构造
本文的研究步骤是按照脑电旗子暗记的数据采集和剖析数据处理数据输出回馈框架，将脑电旗子暗记一起传输到掌握端实现轮椅的移动，一起传输到打算机显示端实现脑电旗子暗记的图像显示。利用TGAM芯片进行脑电数据的采集和剖析，利用蓝牙模块把采集、剖析的数据传输到打算机上，打算机进行数据的处理，通过蓝牙模块把处理后的数据传输到Arduino平台，经由数据算法转换成掌握旗子暗记，对残疾人轮椅进行掌握。轮椅的移动状态能够通过人的眼睛器官回馈给大脑，并在掌握轮椅移动的同时在打算机上显示脑电旗子暗记的三维图像。
脑力驱动残疾人轮椅和图像显示的系统框架图如图1所示。
2系统硬件设计
2.1数据采集模块
头戴式无线脑机接口系统设备［3］采取半导体微加工工艺制作的“干”电极作为采集脑电旗子暗记的电极，通过干态电极传感器采集生物电旗子暗记，将采集的旗子暗记传入到ThinkGear芯片中。
ThinkGear ASIC芯片是一种SoC（Systerm on Chip）。NeuroSky公司的ThinkGear ASIC专用芯片［4］集成了脑电旗子暗记的采集、滤波、放大、A/D转换、数据处理及剖析等功能，并通过UART标准接口对外输出以下4种参数:
(1)数字化的原始脑电波数据，输出频率512 Hz(每秒512个数据包)。
(2)8个δ、θ、α、β、γ波EEG参数，输出频率1 Hz；δ：1～3 Hz；θ：4～7 Hz；α1：8～9 Hz；α2：10～12 Hz；β1：13～17 Hz；β2：18～30 Hz；γ1：31～40 Hz；γ2：41～50 Hz。
（3）“专注度”、“放松度”两个eSense参数，输出频率1 Hz。
（4）传感器与皮肤的打仗良好程度参数，输出频率1 Hz。
该芯片集成的脑电旗子暗记剖析模块可以输出实验所需的“专注度”和“放松度”两个参数。
2.2Arduino平台
Arduino UNO是Arduino USB 接口系列的最新版本，作为Arduino 平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14 路数字输入/输出口（个中6 路可作为PWM输出），6 路仿照输入，一个16 MHz 晶体振荡器，一个USB 口，一个电源插座，一个ICSP header 和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版比较第三版有以下新的特点：在AREF 处增加了两个管脚SDA 和SCL，支持I2C 接口；增加IOREF 和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5 V和3.3 V核心板。这样改进了复位电路设计，USB 接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2［5］。
2.3受控模块：电动残疾人轮椅
轮椅的操纵杆掌握电路如图2所示，其与机器操纵杆（如图3）连接可对轮椅进行方向掌握。轮椅的操纵杆有五个端口，分别为：掌握轮椅提高退却撤退的A端口、基准参考电压GND、掌握轮椅旁边转向的B端口、电源电压VCC（5 V）、反馈调节电压Vref。
轮椅方向的掌握须要A端口和B端口的共同浸染。由于采取了模糊掌握方法，在A端口，电压在2.25 V～2.75 V之间时，轮椅在提高方向是停滞的；当电压低于2.25 V时，轮椅会退却撤退，由于电路内部的保护机制，退却撤退速率是固定且缓慢的；当电压高于2.75 V时，轮椅的转速会随着电压的变大而变大。
同样在B端口，电压在2.25 V～2.75 V之间时，轮椅不进行旁边转向；当电压大于2.75 V时，轮椅通过右电机转速大于左电机转速的办法实现左转，且左转的幅度大小随B端口输出电压的上升而上升；当电压小于2.25 V时，轮椅通过左电机转速大于右电机转速的办法实现右转，且右转的幅度大小随B端口输出电压的降落而降落。可以通过掌握电压的大小来实现移动的提高、退却撤退、转向和停滞。
3系统软件设计
3.1脑电旗子暗记的采集与剖析
脑电旗子暗记的采集与剖析采取NeuroSky公司的ThinkGear ASIC芯片，脑电信息是非平稳随机连续的信息，以512 Hz的采样率采集脑电旗子暗记［6］。脑电旗子暗记采集频段在0～100 Hz之间。
脑电数据剖析是由eSenseTM算法来完成，eSenseTM是NeuroSky用于以数字化参数办法对人确当前精神状态进行度量的专利算法［7］。首先对采集的原始脑电旗子暗记进行放大，并肃清噪声和肌电旗子暗记的滋扰，然后利用eSenseTM算法对去除滋扰的旗子暗记进行打算，得到量化的eSense参数值。
eSense算法紧张是先对原始脑波数据进行FTT变换［8］,然后进行频率滤波，得到α波和β波，并进行功率谱剖析，选定基本参考值，进行归一化。
3.2Arduino平台轮椅掌握系统实现
TGAM无线脑电采集设备可以采集多个值，如poorsignal、attention、meditation以及Blink旗子暗记。
poorsignal紧张反应的是传感器芯片上生物旗子暗记的强弱，值为0时表示生物传感器吸收到的旗子暗记很好，没有任何明显的问题；值在1~199区间时，值越高解释生物传感器检测到的问题越多；值为200时解释传感器可能没有打仗到导电体。一样平常在poorsignal参数值保持为0时，采集到的其他参数值才具有时效代价。
脑电采集装置采集到的原始脑电旗子暗记，经由打算机的处理后可以得到所需的“专注度”与“放松度”两个数值。这两个数值在0～99之间。正凡人平时的“专注度”数值在30～60之间，当人在高度集中时，“专注度”数值会大于60。同样地，正凡人的“放松度”在30～60之间，当人在闭眼放松或放松全身肌肉时，“放松度”会高于60［9］。
选用“专注度”作为掌握轮椅提高、停滞的旗子暗记，此时给定B端口固定为2.5 V电压值，系统将收到的干系参数值转换为掌握轮椅移动的对应电压值，attention值小于60时，A端口电压值固定为2.5 V，保持停滞状态；attention值在60～70之间时，A端口电压值固定为3 V，轮椅提高；attention值在70～80之间时，A端口电压值固定为3.5 V，轮椅提高；attention值在80～90之间时，A端口电压值固定为4 V，轮椅提高；attention值在90～100之间时，A端口电压值固定为4.5 V，轮椅提高。
Blink旗子暗记是肌电旗子暗记，用来掌握轮椅的转向，眨眼旗子暗记是由rawdata原始数据打算得出，此时给定A端口固定为2.5 V电压值，系统检测到右侧眨眼旗子暗记时，B端口给定电压1.5 V，实现右转向；当检测到左侧眨眼旗子暗记时，B端口给定电压3.5 V，实现左转向。
3.3脑电旗子暗记的图像显示
在图像显示方面，综合考虑多种问题成分，提出采取多措辞稠浊编程［10］的方法。所谓多措辞稠浊编程，是指利用两种或两种以上的程序设计措辞来开拓运用程序的过程。源文件无论利用何种措辞编写，终极编译的结果都是机器码。函数调用在机器码中是很大略的一步，按照参数表的哀求把参数值放入堆栈，然后利用jmp指令跳转到要调用的函数的函数地址即可，程序不管如何实现，只要知道参数表和函数地址就能调用，所有程序终极都是机器码，自然也符合这个规则。以是实现互调，只要将对方的接口程序文件映射到自己的进程中，预先知道它的参数表，得到它的接口函数地址，将参数放入堆栈，然后跳转到函数地址，就能实现调用。
本文提出通过C++措辞与MATLAB措辞稠浊编程［11］的方法实现脑电旗子暗记的图像显示，并成功通过编程读取脑电采集芯片输出的干系数值，实现了大略的旗子暗记二维图形显示，如图4所示。
在脑电旗子暗记的三维图像显示上采取的办理方案因此MATLAB措辞为主，C++措辞赞助，通过MATLAB干系的GUI设计［12］，并结合移动真个显示，实现各频段脑电波的三维图像实时显示，如图5所示。
4结论
本文利用脑电旗子暗记的“专注度”参数，通过Arduino平台的转换操作，得到有效掌握命令电压值，完成了轮椅的提高和停滞掌握，但在轮椅的退却撤退掌握上还未办理。轮椅的旁边转向是通过眨眼旗子暗记来掌握完成的，但是由于多种噪声的滋扰，导致转向的精确度不高，提高精确度的方法是尽可能滤除噪声影响。通过采取MATLAB措辞和C++措辞稠浊编程的方法，成功地实现了脑电波的三维图像显示。
参考文献
［1］ VELUVOLU K C, WANG Y, KAVURI S S. Adaptive estimation of EEG rhythms for optima band indentification in BCI［J］. Journal of Neuroscience Methods，2012，203(1):163-172.
［2］ WOLPAW J R, BIRBAUMER N, HEETDERKS W J, et al.Braincomputer interface technology: a review of the first internationl meeting ［J］. IEEE Trans Rehabil Eng, 2000, 8(2):222-225.
［3］ 王三强.脑电旗子暗记采集系统设计及在脑—机接口中的运用研究［D］.重庆：重庆大学，2006.
［4］ 张军.ASIC技能的特点与运用［J］.信息技能，2001（9）：1-3.
［5］ 程晨.Arduino 开拓实战指南［M］．北京：机器工业出版社，2012．
［6］ 杨帮华，颜国正，丁国清，等.脑接口关键技能研究［J］.北京生物医学工程，2005(4):308-310.
［7］ NeuroSky.Mindset Instruction Manua［Z］.神念科技有限公司，2009.
［8］ 胡广书.数字旗子暗记处理（第2版）［M］.北京：清华大学出版社，2011.
［9］ 史小华,王洪波,王建军.电动轮椅掌握器的设计与实现［J］.电子丈量技能,2013（1）:65-69.
［10］ 左艳丽.C措辞和汇编措辞稠浊编程的方法和实现［J］.职教与经济研究：娄底职业技能学院学报，2008（3）：60-62.
［11］ 陈建平， 罗先启.MATLAB与C/C++、FORTRAN措辞稠浊编程［J］.三峡大学学报(自然科学版)，2005，26（6）：547-551.
［12］ 邓昌瑞.基于MATLAB GUI的多功能打算系统设计及实现［D］.南昌：南昌大学，2012.
