脑电控制智能小车创新实训系统的设计

陈 妮， 何华光， 颜焕欢

(1. 广西医科大学 基础医学院，广西 南宁 530021；2. 广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004)



脑电控制智能小车创新实训系统的设计

陈 妮1， 何华光2， 颜焕欢1

(1. 广西医科大学 基础医学院，广西 南宁 530021；2. 广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004)

基于项目教学法的理念，设计了一款单通道脑电控制智能小车的实训系统，包括：脑电信号采集单元、智能小车单元、信号预处理单元及PC机端的信号显示单元。脑电信号采集由TGAM1-R2.4A模块和无线蓝牙模块组成；智能小车由STC12C5A60S2微处理器、电机驱动模块以及无线蓝牙模块组成；信号预处理由STM32F103ZE微处理器来实现；在PC机上采用LabVIEW软件完成脑电信号的存储、显示，对脑电信号做进一步的处理并转换为智能小车的控制信号，实现对小车速度及方向的控制。该系统可用于生物医学工程专业创新实践训练课程。

脑电； 智能小车； LabVIEW； 无线传输

0 引 言

生物医学工程学科作为生物学、医学和工程学的交叉，学科的方向性多，每个不同方向侧重的学科基础也不同。生物医学工程专业(医疗仪器方向)以工程学为基础，要求学生经过培养后能利用电子、计算机技术解决医疗仪器设备的研制，产品的开发和维护等问题。生物信息的采集、处理，仪器设备的控制等知识模块在专业课程体系中占据了重要地位。在工程学科的人才培养中，基于工程对象的教学法备受推崇[1-2]，主要用于综合实训及创新实践教学环节。诸如机器人、智能小车等是电子、机械、电气控制类专业典型的工程对象。在生物医学工程专业(医疗仪器方向)常见的综合实训项目是生理信号采集系统[3-7]。该项目涵盖的知识点全，相关技术成熟，适合于学生对知识系统运用的训练。然而，创新实践教学中更侧重于在已有技术基础上的改进或创造新的事物、方法、元素等。

因此，针对生物医学工程专业的特点，设计了一套涵盖生物信息采集、传输、处理、控制的创新实训系统。以当前生物医学工程领域的研究热点——脑电信号[8-9]作为实训对象，通过设计脑电信号的采集传输、信号处理及传输控制电路系统，进一步结合Lab VIEW实验教学平台，完成了整个系统的构建。

1 系统总体设计

系统包括脑电信号的采集传输单元、信号处理单元，智能小车单元。系统框图如图1所示：

图1 系统框图

系统采用无线蓝牙方式进行各模块间的数据传输。采集的脑电信号可通过无线蓝牙模块将数据传输到数据处理单元或智能小车单元。

数据处理单元由LabVIEW实验平台和以STM32F103ZE为核心的信号预处理模块组成。信号预处理模块完成脑电信号的接收和小车控制指令的发送，实现对脑电原始信号的提取。

智能小车单元由以STC12C5A60S2为核心的微处理器模块、电机驱动模块以及无线蓝牙模块组成。微处理器可通过无线蓝牙模块接收上位机发出的控制指令，并根据指令控制电机完成加速、减速、前进、后退等基本操作。

2 各模块的具体实现

2.1 数据采集单元

采用神念科技公司TGAM1-R2.4A单通道脑电采集模块，TGAM模块包括了一个高度集成的单一芯片脑电传感器，可以将置于前额和耳根的电极片采集的脑电信号进行放大、滤波、A/D采样和数字信号处理等操作[10-11]。TGAM模块可以通过串行接口(UART)输出eSense “专注度”指数和“放松度”指数。同时该模块还可以输出数字化的原始脑电信号。

蓝牙模块采用星翼电子科技公司的ATK-HC05蓝牙串口模块。脑电模块和蓝牙模块都支持标准串口协议，可以很方便地连接起来，将脑电信号发送到数据处理单元,见图2。

图2 脑电信号采集单元结构框图

2.2 数据处理单元

数据处理单元由双蓝牙模块、信号预处理模块和安装了LabVIEW软件的PC机构成。

双蓝牙模块中的一个用于脑电数据的接收，另一个实现了上位机控制命令的发送。采用这种方式可以避免蓝牙模块反复切换配对而导致的数据传输延时问题，能很好的实现数据的高速、稳定传输。STM32微处理器用于对蓝牙模块的初始化配置，并实现对脑电原始数据的预处理，最后将处理好的数据通过串口UART3上传到上位机。

LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)推出的一种简单、易学、灵活、方便的图形化编程语言， 具有可视化强、操作直观、功能修改简便等特点。2013年，NI公司推出了生物医学信息处理工具包，该工具包包含了大量生物信息处理的现成函数库，可实现生物信号采集、预处理、提取以及分析[12-14]。上位机利用LabVIEW强大的图形化开发环境，可以快速搭建脑电信号实验测试模型，对接收到的原始脑电进行分析处理，提取出脑电信号的特征后发送控制小车运动的控制指令。

2.3 智能小车硬件设计

智能小车硬件电路包含微处理器系统电路，电机驱动电路，电源电路及无线蓝牙模块。无线蓝牙模块可直接与微处理器的串口相连。

(1) 智能小车微处理器系统电路如图3所示。智能小车采用单机器周期高速单片机STC12C5A60S2，该单片机内部集成了2路PWM模块，8路10位A/D转换器以及1KB的外部SRAM。应用在智能小车上具有资源丰富，学习入门快捷的特点。M1为LCD5110点阵液晶显示模块，实现人机交互。M2为ATK-HC05蓝牙串口模块，实现上位机控制指令的接收。

图3 智能小车微处理器系统电路

(2) 智能小车电机驱动电路如图4所示。电机驱动电路以L298N功率芯片为核心，二极管D1～D8构成电压保护电路。单片机通过IN1～IN4实现智能小车的方向控制，2路PWM接到L298N的ENA、ENB端口，实现小车的速度控制。

图4 智能小车电机驱动电路

(3) 智能小车电源电路如图5所示。智能小车可以使用两节锂电池7.4 V电压供电，单片机模块使用的5 V电压由稳压芯片AMS1117提供。为了避免电机启动或者反转瞬间电源电压的波动，二极管D13和电容C9形成一个简单的抑制电源电压跳变的保护电路，确保稳压芯片正常工作，避免了单片机因电压变动而导致自动重启的问题。

2.4 智能小车软件设计

智能小车系统控制流程图如图6所示。单片机先对系统进行初始化，包括芯片内部串口设置、PWM设置等。配置蓝牙模块包括蓝牙的主从状态设定，波特率以及密码设定等。蓝牙数据连接成功后，单片机就可以不断查询上位机发送的命令，从而控制小车的各种动作。

图5 智能小车电源电路

图6 智能小车系统控制流程图

2.5 PC端的信号显示

STM32微处理器将接收到的脑电信号进行协议解析后，通过串口发送到PC机。PC机上采用LabVIEW软件的VISA控件接收数据，然后调用显示控件实现数据的显示。

采集1名受试者在安静、清醒状态下的脑电信号，传输到PC机上，利用LabVIEW软件进行分析显示，得到的原始脑电波形如图7所示，从原始脑电信号中分析出的各频段波形如图8所示。

图7 原始脑电信号波形

图8 脑电信号各频段的波形

3 系统应用举例

在所构建的实训平台上，实训内容以基于嵌入式系统和PC机系统的软件开发为主。可以开设如下教学项目：蓝牙无线通信程序设计、智能小车控制设计、基于LabVIEW的脑电信号特征分析、单通道脑电分析仪设计等。

以“专注度控制智能小车行驶速度”项目为例，系统工作过程如下：将电极片佩戴在人脑前额、耳根处，进行脑电信号采集，信号经过TGAM模块放大、滤波、采样后通过蓝牙模块完成数字化脑电信号向数据处理单元的传送。信号预处理模块根据脑电采集模块固有通信协议，从接收到的数据中提取出原始的脑电数据，然后上传到上位机。利用LabVIEW软件编程实现脑电信号的接收，专注度的提取和分析，并对专注度的大小进行量化。将量化后的数据作为智能小车行驶速度的控制参数，再通过蓝牙模块传送到单片机中。单片机将该参数显示在液晶屏上，同时调节PWM(脉宽调制)占空比的数值以控制电机的转速，进而实现小车行驶速度的调节。

实施项目教学法的过程如下：教师将项目分解为三个任务单元：脑电信号的专注度分析、PC机与单片机间的通信、智能小车的速度控制，学生组成对应的三个项目组。将任务单元再细分，规定好细分任务单元的完成时间及要实现的基本功能。学生自行确定各自在项目小组中的分工、功能模块之间的衔接及合作的方式，并按照已确立的工作步骤和程序进行工作[15]。

4 结 语

本系统涵盖了生物学、医学、工程学多学科的知识，具有典型性、开放性和趣味性的特点。系统采用模块化结构，便于模块的技术更新及成果的复用。

脑电信号是生物医学工程学科的研究热点，以脑电信号的采集处理作为实训系统的组成部分，可设置面向科学研究的项目内容，有利于学生创新实践能力的提高和成果的产出，同时也利于教学与科研的承接。

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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

广西高等教育教学改革工程B类项目(2013JGB127)；广西医科大学教育教学改革项目(2013XJGA14)

陈 妮(1982-)，女，广西柳州人，硕士，讲师，电子学教研室副主任，研究方向：基于嵌入式系统的信号采集与处理。

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

G 642

A

1006-7167(2016)09-0231-04