本發(fā)明涉及一種無線數(shù)據(jù)傳輸方法，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)精確的無線數(shù)據(jù)同步的方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。

背景技術(shù)：

事件相關(guān)誘發(fā)電位（ERP）是由特定刺激所引起的腦電（EEG），它能夠反映刺激下大腦認(rèn)知過程中的神經(jīng)電生理變化，因此被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域?；贓RP的腦電系統(tǒng)除了必不可少的聲光電刺激器和腦電采集系統(tǒng)，有時(shí)需要結(jié)合一些其他信息如附圖1中的各種環(huán)境變量和其他生理信號(hào)以探索新的實(shí)驗(yàn)范式和開發(fā)有實(shí)用價(jià)值的基于ERP的腦電裝置，如基于視覺誘發(fā)電位的字母輸入器，基于腦機(jī)接口的環(huán)境控制器等。事件相關(guān)誘發(fā)電位的潛伏期與刺激之間有較嚴(yán)格的鎖時(shí)關(guān)系，即事件相關(guān)誘發(fā)電位在給予刺激后一段特定的時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)出現(xiàn)。這一固定的時(shí)間延遲是事件相關(guān)誘發(fā)電位的重要特征，因此在記錄事件相關(guān)誘發(fā)電位時(shí)，必須在采集腦電的同時(shí)準(zhǔn)確記錄下刺激發(fā)生的時(shí)刻，時(shí)間誤差要求在±1ms以內(nèi)?，F(xiàn)有能夠滿足該精度要求的技術(shù)方案均為有線傳輸方案，根據(jù)同步觸發(fā)信號(hào)的不同分為模擬與數(shù)字兩種。

1.模擬方案。

該方案將刺激系統(tǒng)產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號(hào)（一般為脈沖或具有一定特征的電壓變化）作為多導(dǎo)聯(lián)腦電采集系統(tǒng)的一路模擬輸入信號(hào)，連同其他導(dǎo)聯(lián)的腦電信號(hào)一起采集，通過分析各個(gè)同步信號(hào)導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)，識(shí)別觸發(fā)信號(hào)來標(biāo)記刺激的起始時(shí)間點(diǎn)。

2.數(shù)字方案。

該方案要求刺激器能夠產(chǎn)生若干位（由所采用接口PIN數(shù)而定）TTL電平信號(hào)，通過特定接口傳輸至腦電采集系統(tǒng)，作為同步數(shù)字信號(hào)輸入。同步信號(hào)觸發(fā)腦電采集系統(tǒng)在當(dāng)前所采集到的腦電數(shù)據(jù)中加上與同步數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，標(biāo)記刺激起始時(shí)間。

現(xiàn)有的模擬和數(shù)字同步方案存在如下缺點(diǎn)：

1. 均為有線傳輸方案，要求刺激器與腦電采集系統(tǒng)必須有線連接，極大限制了實(shí)驗(yàn)和相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。

2. 現(xiàn)有無線連網(wǎng)方案受傳輸速度和效率的限制，同步觸發(fā)信號(hào)的一組有線連接一次只能將一種刺激觸發(fā)信號(hào)傳輸給一個(gè)腦電采集系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)多種刺激系統(tǒng)，以及多種同步采集的生理參數(shù)與腦電采集系統(tǒng)的同步。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種使用無線網(wǎng)絡(luò)連接的腦電裝置數(shù)據(jù)同步方法。

本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種腦電裝置的精確無線事件同步方法，所述腦電裝置包括中央處理系統(tǒng)和至少一個(gè)采集子系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

（1）同步子鐘對(duì)準(zhǔn)；通過與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對(duì)時(shí)的方法完成各個(gè)采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計(jì)時(shí)；其中，每一次對(duì)時(shí)包括以下步驟：

（1.1）所述中央處理系統(tǒng)通過第一通信協(xié)議向所有采集子系統(tǒng)的子鐘無線地發(fā)出同步數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)到步驟（1.2）；

（1.2）采集子系統(tǒng)在收到所述同步數(shù)據(jù)后，將采集子鐘的時(shí)間戳重置；轉(zhuǎn)到步驟（1.3）；

（1.3）中央處理系統(tǒng)隨后查詢所有采集子系統(tǒng)是否收到之前發(fā)出的唯一信息，如果收到則說明同步成功并轉(zhuǎn)到步驟（2），否則轉(zhuǎn)到步驟（1.1）；

（2）子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與同步信號(hào)數(shù)據(jù)整合傳輸；

所述采集子系統(tǒng)按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時(shí)間戳加到每一個(gè)數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起通過第二通信協(xié)議向中央處理系統(tǒng)發(fā)送，且每個(gè)數(shù)據(jù)包只加一個(gè)時(shí)間戳，各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時(shí)間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的；

所述中央處理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合接收到所述數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理；

其中，所述第一通信協(xié)議為無連接的通信協(xié)議，所述第二通信協(xié)議為面向連接的通信協(xié)議。

優(yōu)選地，所述第一通信協(xié)議為UDP協(xié)議或ICMP協(xié)議；所述第二通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。

優(yōu)選地，所述同步數(shù)據(jù)包含了該次同步發(fā)起時(shí)刻中央處理系統(tǒng)的唯一信息，例如母鐘的時(shí)間戳；

所述中央處理系統(tǒng)的母鐘向所有采集子系統(tǒng)的子鐘同時(shí)發(fā)出對(duì)時(shí)信號(hào)，每一個(gè)所述子鐘所在的所述采集子系統(tǒng)若接收到此對(duì)時(shí)信號(hào)則發(fā)送返回信號(hào)；當(dāng)所述母鐘所在的所述中央處理系統(tǒng)收到所有子鐘的返回信號(hào)，即完成一次對(duì)時(shí)。

優(yōu)選地，共進(jìn)行三次對(duì)時(shí)，每次對(duì)時(shí)過程中，由母鐘發(fā)出同步數(shù)據(jù)，各個(gè)子鐘監(jiān)測(cè)到這個(gè)同步數(shù)據(jù)后，也將輸出返回?cái)?shù)據(jù)以回應(yīng)；母鐘在檢測(cè)到各個(gè)子鐘均完成了返回?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)，完成一次對(duì)時(shí)；在三次對(duì)時(shí)之后，由母鐘再發(fā)出一次同步數(shù)據(jù)，所有的子鐘在監(jiān)測(cè)到該數(shù)據(jù)后同時(shí)使能內(nèi)部的同步計(jì)時(shí)器，以0.1ms遞增，完成初始同步。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中只包括一個(gè)時(shí)間戳。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括刺激事件。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括環(huán)境變量。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括相關(guān)生理參數(shù)。

優(yōu)選地，所述中央處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理時(shí)結(jié)合所述數(shù)據(jù)信息的位數(shù)、長(zhǎng)度、采樣率和/或發(fā)包率。

本發(fā)明還提供了一種用于實(shí)施根據(jù)以上技術(shù)方案中任一項(xiàng)所述的方法的腦電裝置，包括：

中央處理系統(tǒng)，具有：母鐘，能夠在多次對(duì)時(shí)過程中提供對(duì)時(shí)信號(hào)；數(shù)據(jù)處理裝置，能夠?qū)邮盏礁鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理；以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊，能夠通過第一通信協(xié)議和第二通信協(xié)議無線地建立網(wǎng)絡(luò)連接；

至少一個(gè)采集子系統(tǒng)，其中的每一個(gè)采集子系統(tǒng)具有：

子鐘，其通過第一通信協(xié)議與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對(duì)時(shí)，從而完成各個(gè)采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計(jì)時(shí)；以及

數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，其通過第二通信協(xié)議按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時(shí)間戳加到每一個(gè)數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個(gè)數(shù)據(jù)包只加一個(gè)時(shí)間戳，各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時(shí)間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。

通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明能夠取得如下的技術(shù)效果。

1.能夠?qū)崿F(xiàn)外部設(shè)備與腦電采集系統(tǒng)的無線同步，精度在1ms以內(nèi)。

2.能夠?qū)崿F(xiàn)多種刺激、環(huán)境變量、生理參數(shù)與腦電信號(hào)的同步。

附圖說明

圖1：無線同步系統(tǒng)用于腦電相關(guān)系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

圖2：無線同步系統(tǒng)中母鐘與子鐘的連接拓?fù)鋱D。

圖3：母鐘與子鐘建立同步流程圖。

圖4：對(duì)時(shí)過程的信號(hào)序列圖。

具體實(shí)施方式

附圖1所示的是一根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用了無線同步系統(tǒng)的腦電相關(guān)系統(tǒng)，包括：

一中央處理系統(tǒng)，具有：母鐘，能夠在多次對(duì)時(shí)過程中提供對(duì)時(shí)信號(hào)；數(shù)據(jù)處理裝置，能夠?qū)邮盏礁鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理；以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊，能夠通過第一通信協(xié)議和第二通信協(xié)議無線地建立網(wǎng)絡(luò)連接；

至少一個(gè)采集子系統(tǒng)，其中的每一個(gè)采集子系統(tǒng)具有：

一子鐘，其通過第一通信協(xié)議與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對(duì)時(shí)，從而完成各個(gè)采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計(jì)時(shí)；以及

一數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，其通過第二通信協(xié)議按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時(shí)間戳加到每一個(gè)數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個(gè)數(shù)據(jù)包只加一個(gè)時(shí)間戳，各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時(shí)間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)[HX1] 等。

所述數(shù)據(jù)包中只包括一個(gè)時(shí)間戳。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括刺激事件。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括環(huán)境變量。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括相關(guān)生理參數(shù)。

優(yōu)選地，所述中央處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理時(shí)結(jié)合所述數(shù)據(jù)信息的位數(shù)、長(zhǎng)度、采樣率和/或發(fā)包率。

母鐘與子鐘分別由嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)晶振精度在10ppm以下，以保證在對(duì)時(shí)之后，腦電數(shù)據(jù)采集的過程中，不同子鐘時(shí)間戳的計(jì)時(shí)偏差在1ms以內(nèi)。

該腦電相關(guān)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)同步方法包括以下步驟。

1.同步子鐘對(duì)準(zhǔn)。

在初始階段，通過與同步母鐘進(jìn)行三次握手的方法完成各個(gè)子鐘之間的同步計(jì)時(shí)。在對(duì)準(zhǔn)階段，子鐘所在的采集子系統(tǒng)與母鐘所在的中央處理系統(tǒng)通過無線方式建立網(wǎng)絡(luò)連接。

母鐘當(dāng)發(fā)送對(duì)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，以無線電廣播的形式同時(shí)向所有子鐘發(fā)送同一對(duì)準(zhǔn)信號(hào)。子鐘位于所述刺激器、所述環(huán)境變量采集設(shè)備、所述生理信號(hào)采集設(shè)備、所述腦電采集設(shè)備的一個(gè)或幾個(gè)之中。中央處理系統(tǒng)向各個(gè)采集子系統(tǒng)發(fā)送同步數(shù)據(jù)時(shí)，為了保證通信的速率與效率，需要采用無連接的通信協(xié)議，并且優(yōu)選地采用UDP協(xié)議?？蛇x地，中央處理系統(tǒng)也可以通過其他無連接通信協(xié)議發(fā)送同步數(shù)據(jù)，諸如ICMP協(xié)議。

母鐘與子鐘對(duì)準(zhǔn)過程如附圖3所示。母鐘所在的中央處理系統(tǒng)向所有子鐘同時(shí)發(fā)出對(duì)時(shí)信號(hào)，每一個(gè)同步子鐘所在系統(tǒng)若接收到此對(duì)時(shí)信號(hào)則發(fā)送返回信號(hào)。該返回信號(hào)一般通過面向連接的通信協(xié)議發(fā)送，諸如TCP/IP協(xié)議。

當(dāng)母鐘所在的中央處理系統(tǒng)收到所有子鐘的返回信號(hào)，算完成一次對(duì)時(shí)。按照同樣的方式連續(xù)進(jìn)行三次對(duì)時(shí)，母鐘立即發(fā)出開始計(jì)時(shí)信號(hào)，子鐘接受到該信號(hào)后同步同時(shí)使能各自系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)時(shí)器，同步子鐘對(duì)準(zhǔn)階段結(jié)束。

具體流程如下：共進(jìn)行三次對(duì)時(shí)，每次對(duì)時(shí)過程中，由母鐘發(fā)出同步數(shù)據(jù)，各個(gè)子鐘監(jiān)測(cè)到這個(gè)同步數(shù)據(jù)后，也將輸出返回?cái)?shù)據(jù)以回應(yīng)；母鐘在檢測(cè)到各個(gè)子鐘均完成了返回?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)，完成一次對(duì)時(shí)；在三次對(duì)時(shí)之后，由母鐘再發(fā)出一次同步數(shù)據(jù)，所有的子鐘在監(jiān)測(cè)到該數(shù)據(jù)后同時(shí)使能內(nèi)部的同步計(jì)時(shí)器，以0.1ms遞增，完成初始同步。母鐘與子鐘存在delay的情況下通過3次對(duì)時(shí)實(shí)現(xiàn)初始同步，對(duì)時(shí)過程的信號(hào)序列如圖4所示。

2.子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與同步信號(hào)數(shù)據(jù)整合傳輸。

完成子鐘對(duì)準(zhǔn)后，子鐘使能，以0.1ms遞增，各子系統(tǒng)按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。同步后的子鐘將時(shí)間戳加到每一個(gè)數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個(gè)數(shù)據(jù)包只加一個(gè)時(shí)間戳，不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時(shí)間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。各個(gè)采集子系統(tǒng)向中央處理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的完整性與正確性，需要采用面向連接的通信協(xié)議，諸如TCP/IP協(xié)議。

根據(jù)實(shí)際需要的不同，各個(gè)采集子系統(tǒng)向中央處理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的格式均會(huì)有所差異，如數(shù)據(jù)位數(shù)、長(zhǎng)度、采樣率、發(fā)包率等。對(duì)諸如溫度、濕度等變化較慢的環(huán)境變量，數(shù)據(jù)的采樣率低、發(fā)包率高、每包數(shù)據(jù)量低；而腦電數(shù)據(jù)變化快，至少100Hz采樣率，對(duì)精度要求高，則數(shù)據(jù)的發(fā)包率適中，每包數(shù)據(jù)量較大；刺激信號(hào)一旦出現(xiàn)必須發(fā)送，則會(huì)出現(xiàn)發(fā)包率不固定、每包數(shù)據(jù)只有時(shí)間戳等情況。

中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合接收到各種數(shù)據(jù)的位數(shù)、長(zhǎng)度、采樣率、發(fā)包率等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊和處理。數(shù)據(jù)對(duì)其和處理的具體方式方法與不同系統(tǒng)的預(yù)期要求不同而不同，可采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何技術(shù)方案，非本發(fā)明主要內(nèi)容，不做詳述或舉例。