基于脑-机接口的无线智能机器人控制系统

  近年来基于医疗的严峻现状，医学院的教学性能不断削弱；医院对医生的要求又不断提高，学校教育与医院要求出现脱节。社会的发展，医疗体制的改革，媒体的宣传，民众的法律意识大大加强，一系列医疗法规的出台，进一步明确了病人的各项权益。病人，这一以往传统医学教学的主体更多的选择拒绝配合教学工作。而近年来医疗纠纷的增多与医患关系的紧张，出于自身利益的考虑，医院的教学性能不断削弱。医学院校在临床医学教育中的常规模式是：理论教学+单项技能训练——见习——临床实习。但由于种种原因，见习不能有效开展，从而导致“理论教学+单项技能训练”这一教学模式的形成。基于以上现实情况，医学院校内教学的尴尬局面迫切需要改变。将“模拟教学”引入校内教学流程，形成“理论教学+单项技能训练——模拟教学——临床实习”新型的临床医学教学模式。该系统结构简单，通过模型人的方式再现临床医学的工作场景，为学习者提供了一个无风险学习临床知识和技能的条件和环境。
 
1 系统结构组成
 
    从结构方面看，该系统可以分成模型人和遥控器两部分。模型人主要有内部无线接收装置和控制装置以及人体表面的专用装置。遥控器上有液晶显示屏、键盘以及相关说明。考核者可以很方便地向模型人内部的无线接收装置发出指令信号，无线接收装置以收到的指令来确定是什么疾病类型，从而控制模型人身上各位置点应该发出什么声音，当听诊器接触到模型人身上相应的位置点时，相应的装置会给控制单元一个位置信号，然后控制单元将这个信号通过多路模拟开关控制相应的喇叭闭合发出所在点的心肺听诊音，被考核者通过听诊器将此声音传到人耳朵里，这就完整模拟了一次真实的听诊过程。被考核者通过听诊器的探头触诊模型人的不同体位，并通过听诊器来听诊不同位置的各种病理特征，由此来判断是否为某种疾病，从而达到教学和培训的目的。
 
2 系统的功能组成
 
  从功能方面，该系统又可分为语音播放单元、多路模拟开关、位置识别开关、无线通信单元和电源及低功耗设计单元六个部分。其中模型人内部系统框图如图1所示。



  遥控器的系统框图如图2所示。

   
2．1 主控制器芯片的选择
 
  主控制器是整个系统的核心部分，主控制器芯片的选择关系到整个系统功能的实现与否。本系统要实现语音播放、无线收发、多路模拟开关、电源低功耗、上位机教学等功能，所以就要求该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如带有SPI的FLASH存储器或者一些其他芯片)，并且功耗较低，调试方便等。综合上述因素，主控制芯片用美国德克萨斯(TI)公司生产的MSP430，因为该系统是便携式心肺听诊系统，采用电池供电的方式，所以要求必须超低功耗，这样才能满足医学教学的要求，而该芯片最大的特点就是低功耗，电压准备工作模式是3．3 V，正常工作时电流在几毫安，完全满足系统要求。该芯片具有如下性能：
 
低电压范围：1．8～3．6 V；
 
超低功耗：标准模式1．3 mA，RAM保持关闭时为0．1 mA；
 
低电流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；
 
5种节点模式和6 ms内从等待模式唤醒；
 
16位RISC指令结构和125 ns指令周期；
 
12位A／D转换和内部参考电压、采样保持、自动扫描特性；
 
16位定时器并带有映射寄存器的7路捕获、比较寄存器，定时器B；16位定时器并带有3路捕获／比较寄存器，定时器A；片内比较器；
 
串行在线编程，无须外部编程电压，安全熔丝保护程序代码；
 
内含60 KB闪存，2 KB随机存储器。
 
2．2 语音播放
 
  语音播放是本系统一个重要组成功能之一。在这里有两个问题需要解决，一个是语音数据的存储，另一个是语音的编解码和播放。由于WAV波形数据占用的空间较大，所以有必要先对原始数据进行压缩编码。因此该系统选用中青世纪科技公司开发的PM50智能语音芯片，它既是语音播放电路，也是智能单片机，其音质水平，价格都要略优于著名的ISD电路，同时也有21 kHz的高保真音质。该芯片由专用的语音单片机和FLASH RAM存储器集合构成，它既有13～100 s的多段语音播放功能，也有单片机可编程的智能特性，该芯片具有如下特点：
 
可存储声音长度：13～100 s；
 
宽范围工作电压：DC 3～6 V；
 
工作电流50 mA，静态电流1μA；
 
直接驱动8 Ω 0．5 W的喇叭，具备PWM和DAC两种音频输出模式；
 
宽范围采样频率：4．8～21 kHz；
 
录制的语音可分并行1～8段和串行128段；
 
自带8个输入端口，9个输出端口，功能均可由用户自定义；
 
FLASH RAM结构，可以反复擦写录入，寿命在1万次以上；
 
两种封装形式：COB28和COB16；
 
开发用的电脑软件系超智能傻瓜图形设计，外行也能使用；
 
配合编程软件可以开发出并行、串行、智能型等多种控制模式；
 
最小系统的外围电路只需一只振荡电阻、一只电源滤波电容；
 
有13 s／20 s／50 s／100 s多个时间档次可选；
 
完成开发和试验生产后，直接用源文件投产掩膜，音质效果、功能性能不变。 
 
2．3 多路模拟开关
 
  多路模拟开关主要是用来选择播放位置点喇叭声音的，因为PM50芯片只能连接一路扬声器，所以只能通过多路模拟开关来选择各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路选择开关，可以将两片芯片扩展起来形成32路选择开关，芯片电压在4．5～30 V之间，功耗非常小，且不影响喇叭的发音，完全满足要求。并且听诊器探头可以轻易地触动模型人皮下的专用位置，所以采用这种技术对本系统来说是一个很好的选择。
 
2．4 无线模块的设计
 
  无线模块的设计包括两个部分：硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括PCB图的布局走线和天线设计两方面，软件设计主要是通信协议的定义。
 
  无线模块工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高频段，因而对PCB板的布局提出了更高的要求。一般来说，外围元件要尽可能靠近无线芯片，并且所有元件要尽可能排列在PCB板的同一侧，这样可以在PCB板的另外一侧进行大面积的敷铜以减少干扰。软件方面，良好的通信协议也是无线模块稳定工作的重要保障之一。通信协议除了规定应答关系之外，检错也是一个重要环节。目前比较常用的检错方法是循环冗余校验(CRC校验)，其特征是信息字段和长度字段的长度可以任意选定。CRC码集的选择原则是：若设码字长度为N，信息字段长度为K，校验字段长度为R，其中N=K+R，则对于CRC码集中的任一码字，当且存在一个R次的多项式g(x)，使得：

                                 

式中：m(x)为K次信息多项式；r(x)为R-1次校验多项式；g(x)为生成多项式。发送方通过生成g(x)来产生CRC码字，接收方将接收到的码字多项式与生成多项式g(x)相除，若能除尽，则说明接收正确。
 
2．5 电源模块
 
  在便携式产品的设计中，为避免频繁更换电池，延长产品的一次使用时间，低功耗设计一直是重中之重。电源模块主要用于对电池组的管理，并给系统的其他模块供电。电源横块主要用在遥控器上，用来供给遥控器各模块正常工作。本系统采用的是两节电池供电的方式，具有升降压功能的DC／DC电源芯片。良好的电源模块设计可以有效提高电池的利用效率，维持稳定的电压，减少电源纹波，增大输出电流。
 
2．6 低功耗设计
 
由于本系统采用的是两节干电池供电的方式，对系统功耗要求比较高。为了延长电池的使用寿命，避免频繁地更换电池，在系统设计的各个环节都要考虑到低功耗的设计要求。低功耗设计就是要降低系统时钟频率、电源电压以及门的活跃因素。从硬件方面来讲，要降低系统的功耗，就要尽可能选择低功耗的芯片，或者带有休眠功能的芯片。软件方面，可以采用间断唤醒的工作方式。如果某个功能模块工作的空闲时间较长时，可以暂时将其关闭或者使其处于低功耗状态，然后通过定时唤醒来检测应答信号，只有当接收到应答信号时模块才进入工作状态。通过间断唤醒的方式可以极大地降低系统的功耗。
 
3 上位机教学软件
 
主控制器通过I／O口将模型人的位置信息传到上位机，上位机根据收到的位置信号来控制上位机软件界面的显示，可以显示听诊的位置、声音特点、与呼吸的关系以及声音的波形信息，另外还可以外接扬声器放大播放所听到的心肺声音，达到医学教学的目的。上位机界面的设计框图如图3所示。

 
4 结语
 
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下特点：强大的处理能力；采用了精简指令集(RISC)结构；具有丰富的寻址方式；简洁的27条内核指令以及片内数据存储器都可以参加多重运算；高效的查表处理指令；较高的处理速度，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证编制出高效率的源程序。另外MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6μs。
  本系统的优点是由于系统利用MSP430超低功耗性能，因此设计具有很高的实用性和稳定性，并且该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的I／O口，兼容一些外部芯片，调试方便等优点。系统用普通听诊器去测试心肺音，更能逼真模仿真实的临床环境，因而相关技术产品的研究和开发，不仅对于提高现阶段我国医学模拟教学的水平具有重要的现实意义，同时也具有良好的市场前景。