面向植入式脑机接口系统的微型化设计*

刘朝旭， 王明浩， 郭哲俊， 王晓林， 刘景全

(上海交通大学 微纳电子学系 微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240)

0 引 言

随着神经科学的不断发展，人们对脑机接口技术的研究越来越火热，其应用场景也越来越广泛。而植入式脑机接口相对于其他非侵入式的脑机接口，具有信号时空分辨率高、可提取的信息量大、能够同步实现精细和复杂的运动控制等优点，这引起了众多科研工作者的关注[1～4]。然而，传统的植入式脑电信号采集设备大多由商用采集器与个人电脑(PC)组成，虽然性能稳定，资源丰富，功能强大，但是设备笨重并且价格高昂，给脑机接口的实际应用带来了一定的限制[5～7]。而定制的嵌入式平台，则能够根据对应场合的需求，剪裁掉嵌入式平台多余的软硬件，使得平台消耗的资源更少，尺寸更小，能耗更低，系统实时性也更强[8]，使之能够完全符合植入式脑机接口系统的应用。

本文结合嵌入式系统便携性和灵活性的特点，设计了一套完整的植入式神经信号的数据采集与传输系统。该系统主要包括Intan Technologies公司的16通道前端微弱生理信号采集芯片RHD2116，核心控制单元采用ST公司主频168M的STM32F407微控制器，数据传输采用内部集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY以太网接口芯片W5500，通过UDP协议的方式实现硬件系统与上位机通信[9]。实验结果表明，16通道的采集系统输入噪声为7 μV，每通道采样频率20 kHz，采样精度16位，完全满足植入式神经信号采集的要求。

1 系统整体结构

便携式采集与传输系统主要由五大模块组成，分别为采集模块、信号转换模块、控制模块、数据传输模块和电源模块。其中控制模块用来完成对各个模块的配置以及协调模块之间的通信。

如图1，以STM32F407控制器为核心，使用其上的高速接口SPI1，通过CMOS-SPI转LVDS-SPI模块连接前端的信号采集芯片RHD2116并进行配置，比如带通滤波器的截止频率、采样速率、采样通道选择，以及控制采集过程的开始与结束。随后，控制器顺序读取来自采集芯片各个通道的信号数据，同时进行数据预处理与数据包装；控制器通过W5500以用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)将数据发往上位机。最后上位机将数据进行实时绘图显示。

图1 系统整体结构示意

1.1 采集模块

前端信号采集模块选择了Intan Technologies公司的一种低功耗电生理信号采集芯片RHD2216，集成了16个可编程带宽的低噪声放大器，截止频率可调的模拟和数字滤波器，复用的16位模/数转换器(ADC)，电极阻抗测量模块，支持CMOS-SPI和LVDS-SPI的数据接口，可同时采集16个通道的数据，适用于多种电生理信号监测。

图2 基于RHD2216的外围电路原理

图2为RHD2116的外围电路原理图，RHD2116采用8 mm×8 mm的标准QFN56引脚的封装，如此小的封装尺寸非常适合可植入设备和便携式设备的集成。RHD2116的16个采集通道连接到16pin的FPC母座，用于采集电极的重复安装与替换。RHD2116通过LVDS-SPI通信接口接收MCU的指令并返回采集数据给MCU。

1.2 信号转换模块

核心控制器以LVDS(低压差分信号)通过标准的4线SPI总线与RHD2216采集芯片进行通信[10]。这里使用了TI的SN65LVDS1，SN65LVDS2 低压差分信号发送器、接收器来连接控制器的CMOS接口(CS，SCLK，MISO，MOSI)与RHD2216的LVDS接口(CS+，CS-，SCLK+，SCLK-，MISO+，MISO-，MOSI+，MOSI-)。

RHD2116的配置及采集端信号传输都是用SPI总线的通信方式。SPI是Motorola公司推出的一种高速、全双工、同步、串行的通信总线。SPI的通信原理很简单，以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备。SPI只有4根数据线，分别为MISO(数据输入)、MOSI(数据输出)、SCLK(时钟线)、CS(片选线)。主设备通过片选线来控制从设备的选择与否，当主设备对片选信号使能时对应的芯片才会被选中，这是SPI支持连接多个从设备的原因。主设备通过控制时钟信号的跳变沿来控制数据的传输并保持和从设备同步[11]。

在每个SPI时钟周期内，都会发生全双工数据传输。主设备在MOSI线上发送一个位，从设备读取它，同时从机在MISO线上发送一位数据，主机读取它。SPI有4种工作模式,各个工作模式的不同在于SCLK不同,具体工作由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)两个寄存器的值来决定。

1.3 控制器模块

微控制芯片采用的是ST意法半导体公司的STM32F407芯片，STM32F407是一种低价、低功耗、高性能的32位MCU，集成了Cortex-M4的32位RISC内核，工作频率高达168 MHz，指令处理速度达到210 DMIPS。Cortex-M4的浮点运算单元(FPU)，支持所有浮点型处理指令和数据类型。实现了一套完整的DSP指令和一个增强应用程序安全性的内存保护单元(MPU)。此外，还集成了带FIFO和支持BURST传输的16通道直接内存访问(DMA)控制器，减轻大数据量传输时CPU的负担。

本文中选用STM32F407,一是因为其快速的的指令运行速度，二是因为其丰富的外设接口，如3个支持DMA传输的高速SPI接口，用于采集模块和数据传输模块的数据交互，三是支持浮点加速运算，非常适合处理ADC采集到的数据。

1.4 数据传输模块

W5500是一种全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，W5500内部集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层(MAC)及物理层(PHY)，全硬件TCP/IP协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP以及PPPoE协议。W5500内嵌了32K字节片上缓存以供以太网包处理。用户可以同时使用8个硬件 Socket 独立通讯。芯片的封装采用7 mm×7 mm，间距0.5 mm的LQFP48封装，易于便携式设备的集成。

如图3所示，W5500提供了SPI串行接口，从而更加方便与MCU进行整合。而且，W5500的SPI接口支持的速率高达80 MHz，从而能够更好地配合STM32F407控制器实现高速网络通信。W5500同样提供了直连以太网的接口，使用单芯片就能拓展网络连接。

图3 基于W5500的数据传输电路原理图设计

1.5 电源管理模块

本系统选用3.7 V的锂电池供电，LM1117—3.3 V作为电源的管理芯片。LM1117是TI公司推出的低压差电压调节器，被广泛应用在嵌入式单板供电单元中。系统的采集模块、控制模块、信号转换模块、数据传输模块均使用3.3 V供电电压，针对各个模块进行必要的滤波和模数电源隔离。

电源的滤波电容容抗在理论上表现出低通特性，但实际并不理想，只是在对应的频段起到滤波的作用，接近于带阻滤波器的作用。用10 μF的大电容来滤除电源的纹波，用100 nF的小电容来滤除系统的高频噪声。零欧电阻用于模拟地和数字地单点接地，提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗。

图4 电源部分

1.6 系统布局

考虑到系统高度微型、轻量化的要求，在保持系统各个模块信号完整性的前提下，将数字、模拟电源隔离，数字、模拟地隔离，对PCB板进行了多层、器件封装紧密排布的优化设计。

如图5所示，所有的元件被集成在4.2 cm×4.2 cm的PCB上，仅半张信用卡的大小。包含16个pin，pin间距为0.5 mm的FPC母座与RHD2216的通道连接在一起，用于外接测试电极，采集信号。板上的水晶头通过一根网线与上位机相连，将原始信号数据打包实时发送给上位机。

图5 系统整体结构

2 实验部分

为测试本系统的数据采集及传输的运行效果，做了如图6的实验。

图6 系统的实验设置

16个通道的工作电极通过FPC软排线连接到PCB上的FPC母座，工作电极和参考电极浸入磷酸缓冲盐(PBS)溶液中。峰峰值为5 mV，频率为1 000 Hz的正弦信号施加在一组金电极和地电极之间，两个电极都被浸没在PBS溶液中。记录到的信号数据通过系统的以太网接口被传输到PC端。系统的噪声水平同样按照图6的实验形式进行测量，在采样频率为250 Hz的条件下，系统噪声水平的均方根值为7 μV，如图7(a)所示。工作电极上测得的信号通过网线被传输到PC上，PC上通过python调用图像显示模块实时显示信号，显示如图7(b)。

图7 测试结果

从测试结果可以看到，电极端到外部PC端之间信号传输及数据处理功能的可行性。

3 结 论

本文研制了一套微型化、高质量、低成本的16通道植入式脑电信号的数据采集与传输系统。同时，通过连接植入式采集电极，在PBS溶液中对本系统进行了测试。测试结果表明：该系统可支持16通道的植入式脑电数据的采集及传输，输入噪声为7 μV，每通道采样频率20 kHz，采样精度为16位，而尺寸仅为4.2 cm×4.2 cm，完全满足植入式脑电采集设备多通道、低噪声、高采样速率、便携式及实时神经信号采集与传输的要求。