🌟YuEEG 8通道脑机接口设备🌟

概述 🧠🔌

本项目旨在利用 TI 的 ADS1299 芯片构建一个 8 通道的脑机接口（BCI）设备。项目涵盖硬件电路设计、芯片驱动开发以及数据接收和显示的上位机程序。

项目亮点

• 8 通道高分辨率 EEG 采集，适合科研和创客项目。
• 定制 3D 打印脑电帽外壳，设计舒适，便于精确放置电极。
• 兼容 Arduino 的驱动代码，便于集成和控制，支持多种 EEG 应用和项目开发。

Caution

项目基于自定义的 MIT 协议，除本项目拥有者以外该项目不允许用来参加任何商业比赛。

Caution

【注意】请勿焊接TPS模块，直接使用USB供电，原因如下： ESP的Vbus引脚直连USB电源，并没有引脚二极管处理供电冲突所以请不要同时使用两种供电

Note

项目已更新【SSVEP 范式】，后续还会添加APP以及网页波形显示，建议 Star 或者Fork后，作者会添加更多内容。

目录 📁

1. 项目背景
2. 硬件设计
3. 软件开发
4. 上位机程序
5. 使用指南
6. 项目结构
7. 贡献
8. 许可

项目背景 📝

脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）是一种直接连接大脑和外部设备的系统，用于读取大脑活动信号并将其转换为机器指令。本项目使用 ADS1299 芯片，该芯片具有高分辨率和低噪声特性，非常适合 EEG（脑电图）信号的采集。

硬件设计 🔧

主要组件：

• ADS1299 芯片：用于 EEG 信号采集。
• 模拟前端电路：包括滤波和放大电路。
• 电源管理模块：提供稳定的电源供应。
• 数据传输接口：用于与上位机通信。

电路设计图：

嘉立创链接：https://oshwhub.com/protodrive000/1299_pro 访问密码：yutaov5

正面	反面

外壳模型设计图：

3D 外壳文件：https://a360.co/3AnxQdK 访问密码：yutaov5

单外壳	外壳+脑电帽	仰视图

上位机程序 📊

目前仅提供串口通讯的 plot_only.py 界面程序

功能：

• 数据接收：通过串口接收来自硬件设备的数据。
• 数据展示：实时显示 EEG 信号。
• 数据存储：保存数据以便后续分析。

使用技术：

• 编程语言：Python
• 图形库：pyqt + fluent

界面截图：

正常采集模式	测试信号模式

范式程序

功能：

• 拼音输入：通过C++编写的动态链接库。
• 联想拼写：隐马尔可夫链模型。
• 分类算法：FBCCA算法
• 支持多语言：NLTK模型。

配置界面	运行界面

运行 ssvep_paradigm.py

使用指南 📚

硬件连接：

1. 本项目支持两种供电模式：
   • USB 接入 XiaoESP32S3 直接供电使用，同时串口发送数据
   • 背面焊接 TPS63070 锂电池转 5V 模块，然后电源接口接入 3.7V 锂电池即可
2. 将 EEG 电极正确连接到被测试者。
3. 使用 USB 线连接设备和电脑。
4. 硬件上支持BMM150以及Makerbase的MKS-142健康监测模块

引脚连接

// 定义引脚
#define CS_PIN    A3
#define SCLK_PIN  SCK
#define MOSI_PIN  MOSI
#define MISO_PIN  MISO
#define DRDY_PIN  A0
#define START_PIN A2
#define RESET_PIN A1

硬件设置

驱动代码是为支持 ESP32 的 Arduino IDE 编写的，代码通过 SPI 与 ADS1299 进行数据采集。

先决条件

• Arduino IDE：从Arduino 官方网站下载最新版本。
• ESP32 开发板包：在 Arduino IDE 中通过开发板管理器添加 ESP32 开发板支持。

加载代码：

打开 Arduino IDE，选择 文件 > 打开 并选择 ino 文件。 在 工具 > 开发板 下选择你的 ESP32 开发板。 在 工具 > 端口 下设置正确的 COM 端口。

上传代码：

如果是第一次下载，上电前按住 boot 再上电后松开，然后正常下载

编译并将代码上传到 ESP32 开发板。

上位机代码使用方法

上传完成后，ESP32 开发板将开始与 ADS1299 芯片进行通信，并将 EEG 数据输出到串口监视器。

• 模式切换：使用以下串口命令或者左下方按钮切换不同模式：
  • 1：连续读取模式
  • 3：自检模式

示例用法 上传完成后，在 Arduino IDE 中打开串口监视器，波特率设为 115200。你将看到来自每个通道的实时 EEG 数据。

// 数据格式如下
Channel 1: 0.123456, Channel 2: 0.654321, ..., Channel 8: 0.345678

上位机安装步骤

1. 克隆此仓库：

   git clone https://github.com/YuTaoV5/YuEEG.git
   cd YuEEG

2. 安装所需库：

   pip install pyserial pyqt5
   pip install pyqtgraph PyQt-Fluent-Widgets
   pip install scikit-learn

3. 软件运行：

   python plot_only.py

贡献指南

欢迎社区贡献！请随时提交问题、功能请求或拉取请求。

未来改进

• 增加对不同微控制器的支持。
• 扩展脑电帽设计，以便调整电极位置。

致谢

特别感谢德州仪器提供 ADS1299 芯片，并感谢开源社区的启发与支持。

项目结构 🗂️

├── hardware
│   ├── schematics
│   └── pcb
├── firmware
│   └── ads1299_driver.ino
├── software
│   └── bci_gui.py
└── README.md

软件开发 💻

芯片驱动：

• SPI 通信：实现与 ADS1299 的 SPI 通信。
• 数据读取：从芯片读取 EEG 数据。
• 数据处理：初步处理和滤波。

引脚定义

引脚名称	描述
CS_PIN	片选引脚，低电平有效
SCLK_PIN	SPI 时钟引脚
MOSI_PIN	SPI 主设备输出从设备输入引脚
MISO_PIN	SPI 主设备输入从设备输出引脚
DRDY_PIN	数据就绪引脚，低电平表示数据可读
CLKSEL_PIN	时钟选择引脚
START_PIN	启动转换引脚
RESET_PIN	重置引脚
PWDN_PIN	省电模式引脚

命令定义

命令	描述
WAKEUP	唤醒芯片
STANDBY	进入待机模式
RESET	重置芯片
START	开始数据转换
STOP	停止数据转换
RDATAC	连续读取数据
SDATAC	停止连续读取数据
RDATA	读取数据
RREG	读取寄存器
WREG	写寄存器

定时器中断

代码中使用 ESP32 的定时器来定时读取数据和导联检测状态：

• onDataTimer: 检查数据是否就绪，如果就绪则设置标志位startRead。
• onImpedanceTimer: 读取导联检测状态。

初始化

在setup函数中：

• 初始化串口通信。
• 初始化引脚模式。
• 初始化 SPI 通信参数。
• 调用initADS1299函数初始化 ADS1299。
• 获取并打印设备 ID。
• 配置 ESP32 的定时器用于数据读取和导联检测。

主循环

在loop函数中：

• 检查串口是否有数据输入，用于切换连续读取模式和导联检测模式。
• 如果startRead标志位被设置，调用readData函数读取数据。

启动连续读取模式

startContinuousReadMode函数：

• 设置必要的标志位。
• 重置并初始化 ADS1299 的寄存器。
• 启动连续数据读取模式。
• 启动数据读取定时器，停止导联检测定时器。

启动导联检测模式

startLeadOffDetectionMode函数：

• 设置必要的标志位。
• 重置并初始化 ADS1299 的寄存器用于导联检测。
• 启动导联检测定时器，停止数据读取定时器。

ADS1299 初始化

initADS1299函数：

• 启动 ADS1299 的时序。
• 重置芯片。
• 停止连续数据读取模式。
• 配置必要的寄存器。

读取导联检测状态

readLeadOffStatus函数：

• 读取LOFF_STATP和LOFF_STATN寄存器。
• 打印导联检测状态。

读取数据

readData函数：

• 从 ADS1299 读取数据。
• 将数据转换为电压并打印。

寄存器读写

包含writeRegister和readRegister函数，用于向 ADS1299 写入和读取寄存器。

数据转换

convertData函数：

• 将读取的字节数据转换为电压值。

这个代码框架基本涵盖了 ADS1299 的初始化、数据读取、导联检测等主要功能。在实际应用中，可能需要根据具体需求调整寄存器配置和定时器的时间间隔。确保 ADS1299 手册中的寄存器配置正确无误，以实现所需的功能。

REF 和偏置电压（BIAS）的工作原理及电路连接

1. 参考电极（REF）

参考电极是所有测量电极电位的基准点。它的作用是提供一个稳定的参考电压，以确保各个测量电极的电位能够被正确地采集。ADS1299 提供了灵活的配置选项，可以将任意电极设置为参考电极。

2. 偏置电压（BIAS）

偏置电压用于提供共模电压稳定性和干扰抑制。在 EEG 测量中，人体容易受到共模干扰，如电源线频率的干扰（50/60Hz）。偏置电压通过向病人施加一个控制的电压，帮助将测量电极的共模电压保持在 ADS1299 输入范围内。ADS1299 的偏置放大器（BIAS amplifier）提供了一个内部的反馈回路，用于减少共模干扰。

3. SRB 引脚

SRB（Signal Reference Buffer）引脚在 ADS1299 中用于信号参考电极的配置。

• SRB1：当 SRB1 引脚用于参考时，所有通道的负输入可以连接到 SRB1。设置MISC1寄存器的 SRB1 位可以实现这种配置。
• SRB2：SRB2 引脚可以选择单独的电极作为参考电极，并通过设置CHnSET寄存器的 SRB2 位，将该电极的电位作为其他通道的参考。

贡献 🤝

欢迎大家对本项目进行贡献！请提交 pull request 或创建 issue 以报告问题。

许可 📜

本项目采用基于 MIT 的许可。

MIT License with Restrictions

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