一种降低脑电采集设备功耗的系统及其方法

本发明涉及脑电信号采集领域，具体而言，涉及一种降低脑电采集设备功耗的系统及其方法。

背景技术：

1、脑-机接口(bra i n-computer i nterface,bci)是将中枢神经系统活动直接转化为人工输出的系统，它能够替代、修复、增强、补充或改善中枢神经系统的正常输出，从而改善中枢神经系统与内外环境之间的交互作用，一个典型的脑机接口系统包含信号采集、信号处理、控制设备和反馈环节四个部分。脑电信号采集系统作为脑机接口的主要部分，成为了当前仪器科学的热点方向。目前已经有脑电图，脑磁图，近红外光谱等多种脑电信号绘制技术，在这其中脑电图(eeg)是一种无创的测量大脑电活动的方法。

2、可穿戴脑电图设备是脑电图设备的研究重点，其集成放大器、模数转换器和无线收发器，可实时采集信号，无线脑电采集设备具有长续航、便携式的设计要求，长续航能力意味着设备可以持续工作较长时间而不需要频繁充电，这对于需要长时间监测脑电活动的应用场景来说至关重要。然而，为了满足长续航的需求，现有的无线脑电图机大都采用了容量较大的锂电池作为电源。虽然大容量锂电池能够提供足够的能量以支持长时间的脑电采集，但这也带来了设备尺寸的增加的问题。大容量锂电池的体积和重量通常较大，导致整个脑电图机的体积也随之增大，从而降低了设备的便携性。

技术实现思路

1、针对现有技术难题，本发明提供一种降低脑电采集设备功耗的方法，该方法针对传统脑电采集设备通常依赖大容量电池以确保设备的持续工作的现状，解决传统脑电采集设备体积较大，限制其便携性和应用场景的问题。本发明对低功耗脑电采集设备关键技术进行研究，提出脑电采集设备采用异核通信来降低功耗的方法，以提出的方法为核心，在低功耗蓝牙通信协议的基础上，使用低功耗芯片，设计低功耗脑电采集设备，本发明有望降低穿戴式脑电图机功耗，增强小容量电池下脑电图机的续航，取代大容量大体积电池减小脑电图机体积，拓宽应用场景，为可扩展式多导联为脑机接口实用化提供一种新的设计思路。

2、为了解决现有技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有降低脑电采集设备功耗的系统，所述系统包括视觉刺激模块、标签同步模块、脑电信号分类模块和上位机模块；所述系统还包括低功耗脑电采集模块，所述低功耗脑电采集模块通过多核唤醒工作方式完成脑电信号的采集与蓝牙发送，在多核唤醒工作方式中，包括蓝牙通信连接间隔在内的时间参数的计算与设置；其中：所述低功耗脑电采集模块由脑电采集电极单元、模拟采集前端单元、主控与蓝牙传输芯片单元、第一时钟、第二时钟和电源管理单元组成，所述模拟采集前端单元将脑电采集电极单元传输的脑电信号进行放大、采样、ad转换处理，所述主控与蓝牙传输芯片将模拟采集前端单元传输的脑电类型数字信号进行缓存与传输，完成多核唤醒工作中时间参数的计算与设置；所述电源管理单元用于向低功耗脑电采集模块供电；其中：所述主控与蓝牙传输芯片单元由主处理器、射频处理器和协处理器构成，包括：

4、所述主处理器对蓝牙协议与脑电采集任务进行管理，并完成多核唤醒工作中时间参数的计算与设置；

5、所述协处理器通过超低功耗的形式与模拟采集前端单元交互，控制着脑电采集任务，实现所述模拟采集前端单元的初始化与数据传输；

6、所述射频处理器完成蓝牙发送任务，通过底层蓝牙通信任务将协处理器采集到的数据发送。

7、进一步地，所述低功耗脑电采集模块通过多核唤醒工作方式完成脑电信号的采集与蓝牙发送的通信连接间隔在内的时间参数的计算与设置过程，包括：

8、步骤201.选取低功耗脑电采集模块采样率为fs；

9、步骤202.主处理器在对主控与蓝牙传输芯片单元进行初始化过程中通过如下公式获得连接间隔t；

10、t＝t1+t2＝7.5+1.25×α(ms)    (1)

11、其中α为未知数，t1为7.5ms代表蓝牙协议规定的最小连接间隔，t2为1.25×α为计算步长，式中的两个加数均为1.25ms整数倍，满足了蓝牙协议规定的蓝牙连接间隔时间为1.25ms整数倍的要求；

12、对于α，在采样率为fs时，需满足(t1+t2)×fs为整数，即

13、

14、步骤203.主处理器在对主控与蓝牙传输芯片单元进行初始化过程中设置协处理器缓存阈值n＝t×fs；

15、步骤204.射频处理器在蓝牙通信初始化中完成与蓝牙主机连接的建立；

16、步骤205.射频处理器在蓝牙连接确定中修改与蓝牙主机连接间隔为t；

17、步骤206.协处理器在连接间隔修改完成1/fs/10后，控制脑电采集任务开始执行。

18、进一步地，所述第一时钟24mhz晶振；所述第二时钟32.768khz晶振。

19、本发明还可以采用如下技术方案：

20、一种具有降低脑电采集设备功耗的方法，包括：

21、步骤101由主处理器对主控与蓝牙传输芯片单元进行初始化；

22、步骤102由射频处理器进行蓝牙通信初始化；

23、步骤103主控与蓝牙传输芯片单元初始化与通信初始化完成后，等待蓝牙通信连接建立；

24、步骤104蓝牙连接确定后，主处理器和射频处理器休眠；

25、步骤105由协处理器初始化模拟采集前端单元，配置采集参数，并控制脑电采集任务；

26、步骤106脑电采集任务启动后，等待模拟采集前端单元在采样点处对数据的采集；

27、步骤107由协处理器周期性读取并缓存模拟采集前端单元的数据；

28、步骤108等待协处理器缓存的数据到达缓存阈值；

29、步骤109由协处理器缓存的数据，数据量达到数据阈值n后，唤醒主处理器；

30、步骤110由主处理器唤醒蓝牙发送任务，即唤醒射频处理器，然后主处理器再次进入休眠模式；

31、步骤111由射频处理器将采集到的脑电数据进行蓝牙发送，并在数据传输完成后进入休眠模式；

32、当协处理器缓存数据达到预定阈值时，重复并循环执行所述步骤(106)至步骤(111)。

33、所述步骤109中由协处理器缓存到的数据，缓存指定n个数据后，唤醒主处理器过程中，所述协处理器中缓存的数据的数量n，与射频处理器间的两次连接间隔t，应满足n＝t×fs的基本关系，所述连接间隔t为蓝牙通信双方进行一次数据传输的间隔；采样率fs是选取连接间隔t的基础。

34、有益效果

35、相比于传统技术方案，本发明所带来的有益效果是：

36、1、本发明用于脑电采集的多核唤醒方法设计低功耗脑电采集模块，可以降低脑电采集模块的功耗，进而降低脑电采集模块电池与整体的体积。

37、2、本发明通过此方法，可以以更低的数据采集阶段功耗，进行脑电数据的采集工作，以更低的tx阶段功耗，进行脑电数据的蓝牙传输工作，当脑电采集模块的采样率为1000hz，蓝牙连接间隔10ms，以45mah电池供电时，使用此方法，比不使用此方法的设备工作时长增加约80min，此时脑电采集模块的体积<8cm3,总量<8g。

38、3、本发明低功耗脑电采集模块具有快速佩戴、便携，能够满足长时记录的特点，可以解决传统台式脑电采集设备，常采用帽式采集电极，体积大，市电供电，仅能应用于实验室中的问题；便携式脑电设备，体积重量还相对较大，采用头带、头盔等固定方式，隐秘性、可穿戴性较差，不易被消费者接受的问题。