腦機接口分類及模塊
1非植入式腦機接口
非植入式腦機接口最典型的例子是1929年Hans Berger提出的以腦電信號作爲基礎的BCI系統，如今已經發展成爲醫學治療上常用的EEG檢測治療系統。非植入式腦機接口主要是通過安置在頭皮上的多通道電極對大腦內部大量神經元的整體電活動進行記錄和分析。然後通過特定的信號處理算法得到信號的輸出，最後達到對外部器件的控制。
2植入式腦機接口
植入式腦機接口是指將電子設備通過植入式多通道電極陣列與神經系統直接相連，能夠實現與一個或多個獨立神經元直接交互。比非植入式系統具有更高的信息提取精度，能夠更加準確地確定信號產生的神經元。
傳統的植入式腦機接口設備大多由商用採集器與個人電腦組成，其系統性能比較穩定，功能強大，但是設備笨重並且價格昂貴，給植入式腦機接口的推廣造成了極大的阻礙。然而定製的嵌入式平臺，能夠根據實際應用的要求對平臺的資源進行裁剪，使得消耗的資源更少，尺寸更小，耗能更低，便攜性更強。目前基於嵌入式設計的腦機接口系統一般可以分爲五大模塊，分別爲採集模塊、信號轉換模塊、控制模塊、數據傳輸模塊和電源模塊。本文將對一種特定的植入式腦機接口系統設計對模塊化設計進行闡釋。
如圖1所示，該系統整體以STM32F407控制器爲核心，利用該芯片上的高速接口SPI1，通過COMS-SPI轉LVDS-SPI模塊連接全段的信號採集芯片RHD2116並進行配置。接着，控制器按照順序讀取採集芯片各個通道的數據，同時進行數據預處理和數據包裝。控制器通過W5500將用戶數據報協議將數據發往上位機。
圖1 系統整體結構示意圖
採集模塊，前端信號採集模塊的選用關鍵在於低功耗、性能穩定和便於集成。Intan Technologies公司生產的一種低功耗生理信號採集芯片RHD2216基本能夠符合實現系統功能的需求。該芯片集成了16個可編程帶寬的低噪聲放大器，截止頻率可調的模擬和數字濾波器，可複用的16位模數轉換器，電極阻抗測量模塊，支持CMOS-SPI 和LVDS-SPI的數據接口。芯片可以達到同時採集16個通道數據的目的，便於同時進行多種生物信號的檢測。
信號轉換模塊，該模塊的核心控制器以低壓差分信號通過標準的4線SPI縱向與RHD2216採集芯片進行信息交互。RHD2116的配置及採集端信號傳輸都是使用SPI總線的通信方式。SPI具有高速、全雙工、同步、串行等特點，是一種常用的通信總線。SPI以主從方式進行工作，涉及一個主設備和多個從設備。SPI只有四根數據線，分別爲MISO（數據輸入），MOSI（數據輸出），SCLK（時鐘線），CS（片選線）。主設備通過片選線來控制從設備的選擇與否，當主設備對片選信號使能時，對應的芯片就會被選中，由此SPI實現了對多個從設備的連接。與此同時，主設備通過控制時鐘信號的上升沿和下降沿來控制數據的傳輸並保持主從設備的同步性。
控制器模塊，該模塊的微控制芯片需要具有高速的指令運行速度，這樣纔可以在短時間內將指令傳達。同時，應該具有豐富的外設接口，例如，至少有3個支持DMA傳輸的高速SPI接口，便於採集模塊和數據傳輸模塊的數據交互。最後，能夠支持浮點加速運算，這是處理ADC採集到的數據的必然要求。該模塊的芯片可以參考ST意法半導體公司的STM32F407芯片進行選擇。STM32F407是一種低價位，低功耗，高性能的32位MCU，工作頻率可達168MHz,指令處理速度達到210DMIPS。並且在芯片中集成了Cortex-M4的32位RISC內核，其浮點運算單元FPU可以支持所有浮點型處理指令和數據類型。
數據傳輸模塊，數據傳輸大都採用無線傳輸，正在發展的全集成的植入式神經修復系統，都以無線方式進行體內信號與外設部分的通信，同時，這也必將是植入式腦機接口系統的一個發展趨勢和最終結果。該模塊將採集到的神經信號或者已經在體內芯片進行處理過的信息通過特定的調製方式發送。在接收外部信號時，既包括接收外部控制信號，也包括從中恢復產生植入芯片工作所需要的電源電源以及時鐘信號等。該模塊可參考使用以太網控制芯片W5500。W5500是一款集成全硬件TCP/IP 協議棧的嵌入式以太網控制器，是一顆工業級以太網控制芯片。與傳統軟件協議棧不同，W5500內嵌8個獨立硬件Socket，可實現8路獨立通信，並且該8路Socket的通信效率相互獨立，不會產生相互影響。同時，可以通過W5500上的32K字節的收發緩存靈活定義各個Scoket的大小，便於設計者根據實際需求進行調整。
電源管理模塊，該模塊選用3.7V的鋰電池供電比較理想，既能夠滿足系統的要求，又能達到最大程度上的節能。推薦採用LM117-3.3V作爲電源的管理芯片，可以使芯片的輸出穩定在3.3V。整個腦機接口的信號採集模塊、控制模塊，信號轉換模塊和數據傳輸模塊均使用3.3V的電壓，但是仍然需要對各個模塊進行濾波和數模電源隔離。然而電源的濾波電路實際並不理想，原本希望其表現出的低通特性在實際中只能表現出帶通特性。電源濾波電路如圖2所示，電路中10uF 的大電容來濾除電源的紋波，用100uF的小電容用來濾除高頻噪聲。
圖2 電源濾波
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