毕业设计（论文）-基于脑电波机器人控制器方法研究.doc

基于脑电波机器人控制器方法研究学 生 姓 名： 指导教师： 专业名称： 电子信息工程 所在学院： 信息工程学院 2013年 6 月 目 录摘要IAbstractII第一章 引言11.1 研究目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容和方法1第二章 系统总体设计22.1 系统控制原理2第三章 脑电相关知识及神念产品软硬件特点33.1 脑电波简介33.2 NeuroSky 脑机接口技术33.3 NeuroSky ThinkGear介绍43.4 eSense43.5 噪声信号质量（poor single quality）63.6 原始脑电波数值（RAW）63.7 眨眼强度（strength）63.8 ThinkGear信息包格式73.9 数据包解析103.10 Mindband开发工具103.11 神念脑电硬件11第四章 Arduino及各部分模块介绍分析174.1 Arduino174.2 蓝牙264.3 L298N电机驱动模块32第五章 小车制作及调试365.1 小车制作材料准备365.2程序流程图，如图5.1所示365.3 各模块连接375.4 测试过程385.5测试过程中遇到的问题及解决方法39第六章 结论40致谢41参考文献42附录一43附录二50附录三52 摘要本论文主要是基于神念科技mindband脑电波传感器进行智能小车机器人控制方法的研究和设计。脑电波方面主要是脑电波的采集和后期对mindband输出的数据进行解析，进而得到所需要的专注度参数。解析数据及控制小车的主控器采用arduino uno，arduino的处理芯片为Atmel 公司的AVR单片机（ATmega328p），本身具有数字I/O口和模拟I/O口；数据通信采取无线传输方式，采用了基于蓝牙2.0技术的蓝牙模块；动力方面采取由L298N电机驱动模块、两个独立直流电动机和万向轮构成的动力系统。除上述硬件系统外，软件部分主要基于arduino语言和其专用IDE进行编写，其中mindband通信协议的解析是程序核心部分。最终达到的目的是，通过专注度的不同数值达到控制小车运动状态的控制。关键词： 脑电波，mindband，arduino uno，蓝牙，arduino语言，通信协议II 大连海洋大学本科毕业论文（设计） Abstract AbstractThis thesis is based on the NeuroSky brainwave sensor which is called mindband to control smart car robot method of research and design. Brain waves will be mainly about brain waves and the latter part of the collection mindband output data for analysis, and then concentrate to give the attention level parameter. Parse the data and control the car use arduino uno, arduino processing chips for Atmels AVR microcontroller (ATmega328p), itself has digital I / O ports and analog I / O ports; adopt wireless transmission of data communications, using a based on Bluetooth 2.0 Bluetooth module; power taken by the L298N motor driver module, two independent DC motors and power system consisting of casters. In addition to the hardware, the software part is mainly based on the language and its dedicated arduino IDE to write, which mindband communication protocol analysis is the core part of the program. Ultimately achieve the aim is that by focusing different values of the degree of control the car reached the state of motion control.Keywords: brain waves, mindband, arduino uno, Bluetooth, arduino language, communication protocol 大连海洋大学本科毕业论文 第一章 引言 第一章 引言1.1 研究目的和意义本毕设的目的在于基于神念科技的脑电波传感器mindband的二次开发，神念传感器已经做好了脑电采集和各种脑电波形的量化，而脑电波在生活中以何种方式应用成为本毕设研究的方向和目的。就目前而言，脑电波的实际应用在全球范围内是一个新兴领域，若能开发出基于脑电波大众化研究或消费产品，定会就有划时代的意义。用脑电波控制小车运动状态，可以看车是脑电波应用化的前期工作，后来者研究的基石。很多人误将脑电波等同于“思想”，这是不科学的。简单说，脑电波是众多生物电的一种，我们大脑在运作时，会产生微弱电信号，这些信号大致经过采集、降噪、分析后，变得到我们所谓的“脑电波”，而不是我们常说的“思想”。1.2 国内外研究现状就目前现状而言，在消费级脑电波产品的研究上，国外要领先与国内水平。而领导消费级别脑电波传感器的两家公司（NeuroSky和Emotiv Systems）均来自美国硅谷，但是只有NeuroSky在中国设有子公司。两家公司的产品均为非入侵式脑机接口。同时，又各有特色，NeuroSky的脑电传感器为干电极传感器，通常由一个前额电极和一个耳部参考电极组成；Emotiv Systems的脑电传感器（EmotivEpoc）所使用电极为湿电极，佩戴时需涂抹导电液，而且由16个头部电极构成，能够准确反映脑电波变化情况。NeuroSky目前主要产品有mindband，mindset，MindFlex，Necomimi；浙江大学使用EmotivEpoc控制四旋翼飞行器。1.3 研究内容和方法由于使用神念公司的mindband脑电波传感器，因此熟悉掌握其通信协议成为此次毕设中程序编写至关重要的一步。其次，使用何种主控器，经过性能比较之后选择了arduino，因为其优越的可扩展型和成熟的设计。采用反复实验的方法，开始化整为零，每一部分单独测试，最后再进行整体测试。59 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统总体设计 第二章 系统总体设计2.1 系统控制原理本设计由Mindband脑电波传感器采集脑电波数据，通过内部ThinkGear芯片对采集数据进行处理，由内置蓝牙传输数据。小车接收部分采用蓝牙模块，得到的数据经过arduino uno处理后输出给小车驱动电路，进而实现脑电波控制小车的目的。如图2.1为脑电波控制小车系统框图。小车Mindband蓝牙主机电极Arduino uno 处理器无线传输ThinkGear芯片Mindband内嵌蓝牙从机小车驱动电路图2-1 脑电波控制小车的系统框图 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第三章 脑电相关知识及神念产品软硬件特点 第三章 脑电相关知识及神念产品软硬件特点3.1 脑电波简介生物电现象是生命活动的基本特征之一。人类在进行思维活动时在大脑产生的生物电信号就是脑电波1，这些脑电波信号可以通过放置在头皮的传感器来进行测量和研究。自上世纪以来，通过对脑电波信号的研究，人们在很大程度地增加了对于大脑的认识。我们的大脑无时无刻不在产生脑电波。这些自发的生物电信号的频率变动范围通常在0.1Hz30Hz 之间，根据其频率不同可划分为四个频段，即（0.13Hz）、（47Hz）、（812Hz）、（1230Hz），其中 波又可划分为Low Beta、Midrange Beta、High Beta。如表3.1为不同脑电波类型的频率范围及幅值和对应的精神状态。表格 1不同脑电波类型的频率范围及幅值和对应的精神状态脑波类型频率及幅值精神状态Delta0.1Hz 到 3Hz 幅值不一沉睡, 非快速动眼睡眠, 无意识状态Theta4Hz 到 7Hz高于20微伏直觉的，创造性的，回忆，幻想，想象，浅睡Alpha8Hz 到 12Hz30-50微伏放松但不困倦，平静，有意识地Beta12Hz 到 30Hz5-30微伏警觉,放松且专注，有协调性，烦躁,思考，对于自我和周围环境意识清楚Gamma30Hz 到 100Hz幅值不一心理活动活跃3.2 NeuroSky 脑机接口技术脑机接口技术（Brain-Computer Interface ，简称BCI）源自于对大脑思维过程中产生的脑电波信号的探测及分析。NeuroSky BCI2 技术通过干态电极传感器采集大脑产生的生物电信号，并将这些采集的信号送入ThinkGear芯片，ThinkGear将混杂在信号中的噪音以及运动产生的扰动进行滤除，并将有用信号进行放大，然后通过NeuroSky eSense专利算法解读出描述使用者当前精神状态的eSense参数（专注度、放松度），最终，通过将这些量化的参数输出到电脑、手机等智能设备，实现基于脑电波的人机交互，即通常所说的意念控制。1.信号校准:对不同使用者脑电信号进行自适应计算及同步，以进行信号的校准。2.信号采集:采用NeuroSky 单导干电极技术，使得脑电信号采集变得简单易用。3.信号提取:ThinkGear从噪音环境中分离出脑电波信号，经过放大处理，产生清晰的脑电波信号。4.信息解读：通过eSense专利算法将脑电波解读为eSense 参数，用于表示用户当前的精神状态。5.人机交互：将eSense 参数传递给计算机、手机等智能设备，从而可以通过脑电波进行人机交互。3.3 NeuroSky ThinkGear介绍NeuroSky ThinkGear技术将脑电波信号的采集、滤波、放大、A/D 转换、数据处理及分析等功能完全集成到一块ASIC 芯片中，并通过标准接口对外输出eSense参数（包括“专注度”和“放松度”等参数）和原始的脑电波数据，从而大大简化并加快了脑电波采集处理及分析的过程，降低了脑电波应用成本，使得基于脑电波的应用更易于推广到大众消费领域。ThinkGear技术已广泛应用于NeuroSky 所有产品及其合作伙伴的产品中，通过在产品中集成基于ThinkGear的脑机接口技术，可以使这些设备方便地通过脑电波进行人机交互，包括实时观测使用者的精神状态，并且能够通过“意念思维”进行控制。3.3.1 ThinkGear ASIC 芯片技术特性 采用单导干电极测量技术（通常将一个干电极放在用户的前额进行脑电信号测量） 集成神经信号的滤波和放大功能 集成eSense算法（使用者无需进行额外的信号处理） 符合工业标准的串行UART 输入输出接口 输出“专注度”和“放松度”两种eSense数据，数据输出频率为1Hz 输出、 脑电波数据，数据输出频率为1Hz（可选） 输出原始脑电波形数据，数据输出频率为128Hz 或者512Hz（可选） 功耗低，耗电量小，适用于需要依靠电池长时间工作的设备3.4 eSenseeSense是NeuroSky 用于以数字化参数方式对人的当前精神状态进行度量的专利算法。NeuroSky ThinkGear技术首先对原始脑电波信号进行放大并过滤了环境噪音及肌肉组织运动产生的干扰，通过对上述处理后的信号应用eSense算法进行计算，得到了量化的eSense 参数值。需要注意的是，eSense 数值不是量化当前精神状态的一个具体的数值，而是描述当前精神状态活动的波动范围的数值。3.4.1 eSense参数概述eSense参数用于描述被试者进入专注状态（类似于注意力集中程度）或者冥想状态（类似于精神放松程度）的程度。如同锻炼一块不发达的肌肉需要一个较长的过程一样，如果我们想熟练地通过控制自己的脑意念思维来操作eSense参数，也需要花费一定的时间进行训练。通常来说，在刚开始训练时，人们通过意念思维对某个eSense参数的控制力要强于对其它eSense参数的控制力。所以，在找到有效控制自己意念思维的方法之前，建议您尽量尝试采用不同的意念活动方式，一旦您发现您的方法有较好的控制效果，就可以把这种方法运用到对其它参数的控制上，从而能够通过简单训练就能够更容易地控制其它参数。通常情况下，你可以通过盯住某个物体或者是集中精力思考某个问题等方式来控制你的专注度，从而可以推高屏幕上“专注度仪表盘”的数值。你可以通过盯住屏幕上的一个点或者想象你正在努力完成的动作等方式来提高你的专注度。例如，你可以盯住屏幕上的“专注度仪表盘”并且努力想象表盘上的指针在向数值高的地方移动。放松度控制的训练可以帮助我们实现自我放松，清除脑中纷繁的思绪并且能够达到平和与安宁的心境。如果你难以自如地控制自己的放松度，请把眼睛闭上几秒钟，然后睁开眼晴看看“放松度仪表盘”的当前数值，从而体会如何进行放松。3.4.2 eSense 参数技术描述eSense参数以1到100之间的具体数值来指示用户的专注度水平和放松度水平。数值在40和60之间表示此刻该项参数的值处于中间范围，这一数值范围类似于常规脑电波测量技术中确定的“基线”。（但是ThinkGear的基线测定方法是自有的专利技术，与常规脑电波的基线测定办法不同）。数值在6080之间表示此刻该项参数的值处于“较高值区”，也就是说略高于正常水平（即当前情况下你的专注度或者是放松度比正常情况下要高）。数值在80100之间表示处于“高值区”。它表示你的专注度或放松度达到了非常高的水平，即处于非常专注的状态或者是非常放松的状态。同理，如果数值在2040之间则表示此时的eSense参数水平处于“较低值区”，数值在120则意味着处于“低值区”。与前述其它区值所代表的人的精神状态相反，eSense参数处于这2个区域则表示被试者的精神状态表现为不同程度的心烦意乱、焦躁不安、行为反常等。eSense 算法具有动态自学习能力，它采用“慢速自适应”算法，可以针对不同使用者脑电波信号在正常范围内的波动趋势和个体差异进行动态补偿。由于采用了自适应技术，使得ThinkGear 能够适用于不同的人群和不同的周边环境，并且在这些不同的应用场景下都能够具有非常好的准确性和可靠性。1.“专注度”参数（attention）“eSense 专注度参数”指示了使用者当前的“专注度”或“专心度”，该参数反映了使用者当前的注意力集中程度。心烦意乱、精神恍惚、注意力不集中以及焦虑等精神状态都将降低专注度参数的数值。该指数值的范围是0到100。2.“放松度”参数（meditation）“eSense 放松度参数”指示了使用者当前的“平静度”或者“放松度”。放松度反映的是使用者的精神状态，而不是其身体状态，所以，简单地进行全身肌肉放松并不能快速地提高放松度水平。然而，对大多数人来说，在正常的环境下，进行身体放松通常有助于精神状态的放松。放松度水平的提高与大脑活动的减少有明显的关联。长期观察结果表明：闭上眼睛可以使得大脑无需处理通过眼睛看到的景象从而降低大脑精神活动水平。所以，闭上眼睛通常是提高放松度值的有效方法。心烦意乱、精神恍惚、焦虑、激动不安等精神状态以及感官刺激等都将降低放松度参数的数值。该指数值的范围是0到100。3.5 噪声信号质量（poor single quality）ThinkGear用一字节无符号整型数值描述信号噪声。噪声范围在0到200之间。0表示在整个通信过程中没有噪声输出。通常，数值越高，表示噪声越多。然而，当噪声值达到200时，有着特殊的含义，表示ThinkGear没有与使用者的皮肤接触。通常以下几种情况会引发噪声产生：1， 传感器电极没有接触到使用者额头2， 接触不良（例如：在传感器电极和接触的皮肤之间有异物）3， 使用期间，使用者额外的动作（如，过多的移动头部或身体，造成接触电极移动）4， 过多的外界电磁干扰（如，环境中强烈的电磁信号或者是静电对传感器的干扰）5， 额外的非标准脑电信号（如，肌电图EMG、心电图EKGECG、动眼电波图EOG等）即使NeuroSky的滤波技术和其特有的eSense算法已经侦测、修正和补偿方面做了努力，其中包含了多种非正常脑电噪声，不过一些噪声还是不可避免的。大多数的使用者只注意专注度和松弛度的数值，却不关注噪声质量的好坏。然而，噪声质量在某些对噪声敏感的应用上是更加有用的（例如，在某些医学和研究上的应用）。默认情况下，噪声质量每秒钟输出一次。3.6 原始脑电波数值（RAW）原始脑电数据由2字节构成，有符号的16位整型范围由-32768到32767。第1个字节代表高八位，第2个字节代表低八位。全部的原始脑波数值，有高八位和低八位按位或得到：Short raw = (value0 = 32768 ) raw = raw 65536;通常情况下，每秒钟输出512次raw，大约每2ms输出一次。3.7 眨眼强度（strength）用一位无符号整型代表使用者最近一次的眨眼强度。当侦测到眨眼信号时，会用1到255其中的某一数值来表示。这一数值表示眨眼强度，没有单位。3.8 ThinkGear信息包格式 ThinkGear数据包格式3由3部分组成：1，数据包头 2，信息有效数据载荷 3，有效数据校验和ThinkGear数据包被用来从ThinkGear模块组件向任意一个接收设备（如，计算机，微处理器和其他任何能够接收连续位数据流的设备）传递数据。报文格式被设计的主要目的是稳定和灵活。“数据包头”和“有效数据校验和”分别提供了数据流同步和数据完整性检验，与此同时，有效数据载荷的格式确保新的数据能够被加进信息包中并且在任何已存在的应用或设备中中断任何的数据包解析器。这就意味着任何一个完成ThinkGear信息包解析正确的应用能够使用更新的ThinkGear模块，无需改变它们的解析器或者应用，即使，更新的ThinkGear硬件包含了新数据或者重新排列了数据顺序。数据包结构：数据包发送的是异步串行数据，其发送媒介可能是UART(通用异步收发传输器)、串行COM、USB、蓝牙、或者是其他任何能够传递数据流的机制。每个数据包由包头开始，然后是数据有效载荷部分，结尾部分是数据校验和位。如3.1图所示： 图3.1 数据包格式说明其中PAYLOAD部分允许有169字节长度，与此同时，每个SYNC、PLENGTH、CHKSUM都是1字节长度。这意味着，一个有效的数据包至少有4字节长度（在数据有效载荷为空的情况下），同时数据包的最大容量为173字节（当数据有效载荷为169字节长度时）。3.8.1 数据包头每个数据包头由3字节组成：2个同步字节SYNC(0xAA 0xAA) ,紧随其后的是1字节的有效数据长度PHENGTH(Payload length)。如图3.2所示： 图3.2数据包头格式示意图2个字节的SYNC都用0xAA表示，代表一个新数据包的开始。同步2个字节代替1个字节，为了减少由1字节SYNC(0xAA)引起数据包开始可能发生错误的机会。尽管对于2个连续的SYNC字节依旧有产生错误的可能性，不过PLENGTH和CHKSUM结合起来，能够确保“同步错误”将永远不会被解释为有效的数据包。PLENGTH表示有效数据载荷部分的长度，其值范围为0到169。当其值大于169时，则是错误的。值得注意的是，PLENGTH仅代表数据包有效数据载荷长度。然而，整个数据包的长度为PLENGTH+4字节。3.8.2 有效数据载荷数据包中的有效数据载荷是一连串的字节。有效数据载荷的字节数由数据包头的PLENGTH给出。1.有效数据载荷结构：一旦数据包中的校验和被验证，有效数据载荷就会被解析。有效数据载荷本身由一连串连续的数据值构成，被包含在其中的每一位称作数据行。每个数据行不仅包含着其数据值本身所代表的意义，还包含着所有数据值的长度和数据的字节数等信息。因此，为了解析数据有效载荷，就必须要解析每一个来自数据有效载荷的数据行，直到所有的有效数据载荷字节被解析。2.数据行格式：每个数据行格式如图3.3所示： 3.3数据行格式示意图在上面格式中值得注意的是，括号中的情况是有一定条件的，只出现在一些数据行中，并不是每个数据行都是如此。数据行可能由0开始，也可能由扩展代码字节EXCODE(Extended Code)0x55开始。扩展代码字节的数量表示扩展代码级，反过来说，扩展代码级和代码CODE结合决定了组成数据行的数据值的类型。解析器因此一直通过对扩展代码（0x55）字节的计数来解析数据行，进而确定数据行代码的扩展码级。与扩展码级相连接的代码CODE表示数据行中数据值的类型。例如：当扩展码级为0时，代码CODE为0x04表示数据行包含专注度参数。不过，需要注意的是，扩展码级的0x55和SYNC的0xAA都不能够作为代码CODE使用。如果代码CODE值在0x00和0x7F之间，VALUE是1字节长度（单字节），在这种情况下，是不存在VLENGTH的，因此，单一的字节的VALUE是紧随在代码CODE之后的。如果代码CODE大于0x7F, VLENGTH会出现在代码CODE之后，并且其值表示VALUE中字节的数量（多字节）。更高的代码值对传输数值的指针更有效，但是这些值不适合一个单字节。有这种方式定义的数据行格式导致在任何一个适合的解析器中当有新的代码CODE代表的数据（例如那些目前没有被认知的代码，但是解析过程不会被中断）加入时不会被中断。代码定义表如下：Single-Byte CODEsExtended (Byte)Code Level CODE LENGTH Data Value Meaning- - - -0 0x02 - POOR_SIGNAL Quality (0-255)0 0x04 - ATTENTION eSense (0 to 100)0 0x05 - MEDITATION eSense (0 to 100) 0 0x16 - Blink Strength. (0-255) Sent only when Blink event occurs.Multi-Byte CODEsExtended (Byte)Code Level CODE LENGTH Data Value Meaning- - - -0 0x80 2 RAW Wave Value: a single big-endian 16-bit twos-compliment signed value (high-order byte followed by low-order byte) (-32768 to 32767) 0 0x83 24 ASIC_EEG_POWER: eight big-endian 3-byte unsigned integer values representing delta, theta, low-alpha high-alpha, low-beta, high-beta, low-gamma, and mid-gamma EEG band power valuesAny 0x55 - NEVER USED (reserved for EXCODE)Any 0xAA - NEVER USED (reserved for SYNC)3.8.3 有效数据校验和CHKSUM位被用来验证数据包有效数据载荷的完整性。有效数据校验定义如下：1， 归纳所有的数据包有效数据载荷的字节2， 取归纳后有效数据载荷的低八位3， 将低八位取反接收器接收一个数据包必须经历这3个步骤用来计算其接收到的有效数据载荷的校验和，同时这个计算的结果要与其接收到的数据包中的校验和进行比较。如果这个计算的有效数据校验和与接收到的CHKSUM不匹配，那么整个数据包将被视为无效数据被丢弃；如果匹配，那么接收器将开始解析有效数据载荷。3.9 数据包解析 数据包解析过程：1， 读取数据流中的每一字节，直到SYNC的0xAA出现； 2， 要确保第二次读取到的也是SYNC的0xAA。如果不是，重新进行步骤1；否则，进行下一步；3， 接下来读取PLENGTH值。如果PLENGTH值为170，重复步骤3（因为170与SYNC的0xAA重复）；如果PLENGTH值大于170，返回步骤1重新读取数据；否则，执行步骤4；4， 在数据流中读取PLENGTH后的PAYLODA,并且将其保存在一个足够大的数组内。讲读取到PAYLODA中的每一个字节通过递增校验器相加；5， 将校验器相加后结果的低8位取反，得到校验和。6， 读取数据流中的校验和值。如果读取的校验和值和计算得到的校验和不匹配，重复步骤1。3.9.1 如何解析数据包中数据有效载荷的数据行1， 在当前数据行开始时解析和计算扩展码级的个数；2， 为当前数据行解析代码字节；3， 如果代码CODE = 0x80，为当前数据行解析VLENGTH;4， 根据数据行的扩展码级，代码和VLENGTH解析和处理当前数据行的VALUE数据；5， 如果保存PAYLOAD数组中有字节没有被解析，则返回步骤1，继续解析下一数据行。3.10 Mindband开发工具3.10.1 MDT:NeuroSky Mindband开发工具包（MDT）可以从NeuroSky在线商店免费下载。MDT提供了MindSet神念耳机或MindWave脑立方耳机的脑机界面（BCI）技术开发和发布游戏以及其它应用软件所需要的各类工具和资源。MDT包含开发所需要的驱动、示例代码以及在不同的软件平台下进行开发的资料文档。MDT支持包括PC，手机如诺基亚Symbian，甚至嵌入式单片机开发平台，如Arduino微控制器开发平台。MDT直接支持的开发语言包括C/C+、C#、Java（通过JNI支持）以及J2ME。此外，MDT 还提供了一个可运行于Windows 和Mac OS X 系统的后台程序“ThinkGear Connector”(TGC)。TGC在用户计算机上监听一个TCP端口，应用软件可以通过连接该TCP端口来获取耳机的脑波数据。由于在后台运行的TGC已经连接到脑立方耳机，所以用任何语言编写的任何应用软件都可以通过TCP Socket（如Flash ActionScrip3及其它脚本语言）来连接TGC，来读取数据。使用MDT开发工具包，可以开发出令人激赏的新游戏，让使用者挑战他们的意念控制力，也可以为现有游戏加上新的意念控制功能。3.10.2 MRTNeuroSky MindSet研究工具包(MRT)，研究人员可以将脑立方当做一个数据采集设备。通过成本低廉、易于使用的脑立方耳机和MRT研究工具包，研究人员可以拓展他们的研究领域并且更有效地利用现有资源。MRT包含NeuroView应用软件，通过该软件，可以很容易的实时记录脑立方数据，转换数据成图表。MRT还包含NeuroSkyLabMATLAB模块，经过本模块可以自行开发MATLAB 脚本及函数，便利脑立方采集数据的处理和分析。3.11 神念脑电硬件3.11.1 TGAM模块参数说明： 采样率： 512Hz 频率范围：3Hz-100Hz 静电保护：4kV接触放电; 8kV隔空放电 最大消耗功率：15MA 3.3V 运行电压：2.973.63V测量 原始脑波信号 处理和输出,等脑波波段数据 处理和输出Neurosky（神念科技）获得专利技术的eSense专注度和放松度指数以及未来开发的其他数据 嵌入式的信号质量分析功能能警告接触不良或是完全没接触的异常状态 眨眼侦测物理规格 规模尺寸（最大）2.79cm x 1.52cm x 0.25cm 重量（最大）130mgNeuroSky的TGAM模块集成了ThinkGear芯片。3.11.2 前期准备：软件：1，串口调试工具 2，TGAM模块输出信号质量检测工具硬件：(如图3.4所示)1， TGAM模块2， 前额干电极3， 耳夹参考电极4， 带有屏蔽线的连接电缆干接触点规格要求： 建议接触点与皮肤接触的表面积在80平方毫米到150平方毫米之间 Ag/AgCl, 不锈钢，金或银（坚硬的材质及镀金材质都可以） 脑电采集点位于前额左眼或右眼上方 接地点和参考点位于耳后或夹在耳垂上 接触点对皮肤的压力最少为0.8PSI，以防止使用时接触点会滑动连接接触点的电线规格要求： 长度小于12寸，越长就越容易受噪音影响 脑电采集点和参考点必须用屏蔽线连接，接地点不须用屏蔽线连接口径不能超过AWG28图3.4自制脑电波传感器硬件部分图3.5 TGAM模块PCB板布局TGAM模块引脚说明：（如图3.5所示）头部P1(电极)Pin1-脑电电极“EEG”Pin2-脑电防护罩Pin3-接地电极Pin 4参考保护Pin 5参考电极“REF”头部P3(UART/串口)Pin1 GND “-”Pin2- VCC “+”Pin3RXD “R”Pin 4TXD “T”头部P4(电源)Pin1-VCC “+”Pin2-GND “-”对TGAM模块跳线进行设置时，要了解B0，B1和M跳线在不同电平下的状态：表格 2 TGAM波特率及内容设置B0B1波特率输出内容LOWLOW9600EEG,Mental state levelHIGHLOW1200LOWHIGH57600RAW EEG,EEG,Mental state levelHIGHHIGH未定义未定义表格 3 TGAM模块干扰滤波设置M功能HIGH过滤60Hz干扰信号LOW过滤50Hz干扰信号表格2中第三行和表格3中第二行参数设置是我们所需要的，传输速率为57600bps,输出内容包括8组EEG Power,Mental state level 和 原始脑波数据RAW。同时需要配置模块干扰滤波器滤除50HZ的工频干扰信号。如何检测TGAM模块设置状态：参考上述两表，可以使用万用表来检查TGAM模块的当前设置：万用表调至电阻档，量程大于10K，一只表笔接于其中一个跳线盘上（B0、B1、M），另一只表笔分别测试VCC和GND端，测试时，如果接VCC时万用表显示约10K阻值，则表示此跳线盘通过上拉电阻接于VCC，状态为HIGH；若测试GND时万用表显示约10K阻值，表示此跳线盘通过下拉电阻接于GND，为LOW状态。以此方式可以检查出当前TGAM的设置，如果设置与表2表3中所选择设置不同，可以调整跳线盘旁边的电阻（上拉/下拉）。如图3.6所示。图3.6 检测TGAM模块状态电阻说明3.11.3 硬件连接：图3.7 连接好后的TGAM模块如图3.7所示：将前额电极电缆与头部P1的pin1连接，屏蔽线与P1的pin2连接；耳夹接地端连到P1的pin3,屏蔽端连接P1的pin4，耳夹参考电极连接到P1的pin5。至此，电极部分与TGAM模块连接完毕。但需要注意的是，模块本身尺寸较小，而且集成度高，多为贴片是元器件，在焊接过程中要特别注意，否则易损坏模块。然后要解决的是TGAM模块于计算机的通信问题。有多种方式可供选择：方式一：通过TGAM与USB TO TTL模块连接实现与计算机通信。其优点在于，USB TO TTL提供了3.3V的电压输出，可以直接给TGAM模块供电，省去了外置电源的麻烦。不过其也存在容易将计算机端的干扰引入TGAM模块。具体连接方法为，将USB TO TTL模块的TXD、RXD、VCC、GND端分别对应接到TGAM模块的RX、TX、VCC、GND引脚。如图3.8所示：图3.8 USB TO TTL与TGAM模块连接示意图方式二：通过TGAM与蓝牙模块连接，实现与计算机通信的目的。其优点在于不会像USB TO TTL模块那样引入外来噪声干扰，通信质量能够得到保证，而且蓝牙传输波特率可通过AT命令进行更改；然而，其与方式一相比，需要外接电源给TGAM模块和蓝牙模块供电，并且蓝牙需要一主一从进行配对后方可通信。除上述两种通信方式外，还可以通过射频或者是通过单片机中转实现与计算机的通信。 大连海洋大学本科毕业论文 （设计） 第四章 Arduino及各部分模块介绍分析 第四章 Arduino及各部分模块介绍分析4.1 ArduinoArduino是基于开放原始代码的硬件平台，而且具有使用类似java 和 C 语言的开发环境。让使用者可以快速使用Arduino 语言与Flash或Processing等软件，作出互动作品。Arduino 可以使用开发完成的电子元件（例如Switch或Sensors 或其他控制器、步进电机或其他输入输出裝置）。Arduino也作为一个可以跟软件沟通的平台，例如：flash processing Max/MSP VVVV 或其他互动软。与此同时，Arduino开发界面基于开放原始码原则，可以免费下载使用。由于其开源性，目前市面上的Arduino版本非常之多：Arduino UNO R3，Arduino mini, Arduino nano, Arduino Leonardo, Arduino 2560可以针对不同场合，不同用途选取所需的Arduino。本设计中选用的是Arduino UNO R3，由于其稳定性，成为入门级首选。Arduino UNO R3技术参数摘要： 处理器 ATmega328 工作电压 5V 输入电压（推荐） 7-12V 输入电压（范围） 6-20V 数字IO脚 14 (其中6路作为PWM输出） 模拟输入脚 6 IO脚直流电流 40 mA 3.3V脚直流电流 50 mA Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader） SRAM 2 KB （ATmega328） EEPROM 1 KB （ATmega328） 工作时钟 16 MHz 4.1.1 电源Arduino UNO可以通过3种方式供电:1, 外部直流电源通过电源插座供电 2, 电池连接电源连接器的GND和VIN引脚 3, USB接口直接供电.而且Arduino能自动选择供电方式. 电源引脚说明 ： VIN - 当外部直流电源接入此引脚时，既可以通过VIN向外部供电；也可以通过此引脚向Arduino UNO直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。 5V - 通过稳压器或USB的5V电压，为Arduino UNO上的5V芯片供电。 3.3V - 通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。 GND - 接地引脚。 4.1.2 存储器ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。同时还有2KB SRAM和1KB EEPROM。Bootloader说明：Bootloader 程序，是系统上电后运行的第一段代码，就好比PC 机BIOS 中的程序，启动就进行自检，配置端口等等，当然单片机就是靠烧写熔丝位来设定上电从boot 区启动的，使用这个程序就可以直接把从串口发来的程序存放到flash 区中。我们在使用Arduino 编译环境下载程序时，就先让单片机复位，启动Bootloader 程序引导串口发过来的程序顺利写入flash 区中，flash 可以重复烧写，因此想更新软件就十分的方便。 4.1.3 输入输出1. 14路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入最大电流为40mA。每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接)。除此之外，有些引脚有特定的功能：串行口信号RX（0号）、TX（1号）: 与内部 ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号；外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发；脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10 、11）：提供6路8位PWM输出； SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口；LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。 2. 6路模拟输入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0到5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能：TWI接口（SDA A4和SCL A5）：支持通信接口（兼容I2C总线）。 3. AREF：模拟输入信号的参考电压。 4. Reset：信号为低时复位单片机芯片。 4.1.4 通信接口1. 串口：ATmega328内置的UART可以通过数字口0（RX）和1（TX）与外部实现串口通信；ATmega16U2可以访问数字口实现USB上的虚拟串口。 2. TWI（