1导言
当一个活的细胞、组织或器官被激发时，无论其外在表现如何不同，都伴随着电的变化，这也是人体电信号产生的原因。这些电信号可以被仪器记录和分析，从而获得重要的信息。时至今日，脑电图和心电图已广泛应用于医学和科学研究中。同样，在眼球运动的过程中，会发生可测量的电位变化，这种电位变化称为眼电图(EOG)。通过对眼电图的放大、滤波和分析，可以得到眼球运动的轨迹。利用这一原理，可以通过眼球运动直接操作计算机界面，实现人脑与计算机的交互。在这里，我们利用EOG信号设计了一套实时计算机控制系统。EOG信号经过放大和去躁后，提取眼球运动的相关信息并进行分析，控制计算机。该系统取代了传统的用鼠标等外部设备进行人机交互的方式，具有很强的新颖性。
2工作原理
眼电图(EOG)记录是临床上应用最广泛的技术。近年来，在脑机接口(BCI)的研究领域，EOG以其成本低、信号稳定、实用性强、无创性等优点越来越受到关注。接下来，介绍系统的原理：
眼球运动：人类视觉系统的前端是人的眼球。人的眼球是一个结构复杂、设计巧妙的光学成像系统。如图1所示。外界的影像经过角膜、虹膜、晶状体、玻璃体等一系列结构的反复折射，最终在视网膜上形成缩小、倒置的影像。眼球运动的目的是使物体的图像落在视网膜最清晰的区域。这意味着眼球要能随意调整位置，瞄准目标。眼球运动由六组肌肉控制，分别由第三、第四、第六脑神经控制。这些肌肉成对工作，分别控制水平、垂直和圆周运动。如图2所示。
眼球运动可以分为以下几种类型：
1.扫视：快速动眼期，将视觉焦点从一点移到另一点。
2.平滑追逐：眼球随着位置缓慢变化的物体平滑移动。
3.补偿性动作：为了使头部和身体的视觉焦点在运动过程中相对固定而进行的无意识补偿性动作。
4.聚散度：为了保持立体视觉，两个眼球的运动。
图1:眼球结构图
图2:眼部六组肌肉示意图。
EOG信号的产生：眼球前面的角膜在电特性上是正的，而视网膜是负的。根据这个特点，我们可以把眼球看成一个偶极子。当电极放置在皮肤上时，可以测量眼球偶极子运动引起的电位变化。如果受试者直视前方，我们可以记录一个稳定的基线。眼球运动时，电位随眼球运动的方向和角度线性变化。EOG可用于监测眼球在距中心点70度范围内的运动，精度可达2度。图3眼球分别向右移动30度和向左移动15度时的电位变化。
图3:3:EOG信号变化图
EOG的测量方法：为了测量眼球的电位，应该在眼睛周围的皮肤上放置电极。为了减少偏移并获得合适的电阻，在放置电极之前必须清洁皮肤。然后根据不同方向的测量，贴上带有导电膏的Ag-AgCl皮肤电极。为了测量水平运动，通常在眼球左右两侧的皮肤上放置电极，而垂直运动是通过在眼球上下两侧放置电极来实现的。把一个电极放在你的前额作为接地。如图4所示。
图4:4:EOG电极放置示意图
EOG信号有以下优点：首先，在各种生物电信号中，EOG是最容易测量的。其次，它的信号幅度强(15 ~ 200 UV)，在磁头位置相对固定的情况下，它的干扰小。同时，由于有用信号的频率分布与各种噪声的频率分布相差甚远，因此可以通过简单的滤波方法消除噪声。最后，信号和眼动之间是线性关系，很容易分析。
3系统设计与实现
整个系统分为两部分，数据采集端(简称采集端)和数据接收模块(简称接收端)。两个模块通过伊通27M无线通信模块连接和通信。采集终端用于采集人体EOG信号和加速度传感器信号，并进行处理和计算，将数据打包发送给接收终端，接收终端负责与PC机交互，将数据转换成PC机能识别的鼠标命令，通过串口发送给PC机，完成PC机的控制。系统的整体结构如图5所示。
图5:系统的整体框图
系统有两种工作状态，可以通过开发板上的按键控制来选择。一种状态是正常工作状态。在这种状态下，鼠标由眼睛控制。头向左偏转代表左击，头向右偏转代表左击，头向左偏转停留一会代表双击。另一种状态是辅助调节状态。在这种状态下，除了正常工作状态下的功能之外，另一个加速度传感器模块被开启。此时这个加速度传感器模块的前后左右移动也可以控制鼠标。
采集终端采用周立功公司的arm2131开发板实现，外围接口电路和各采集模块自行设计。数据采集终端的主要功能包括：加速度传感器数据采集、EOG信号采集和无线传输。采集端的外观如图6所示。
图6:数据采集端外观
采用EOG电路实现眼电信号的采集。电路分三级放大，最后加第一级电位调整：第一级放大电路放在3倍的倍数。的三个电阻阻值相等。第二放大电路是差分放大电路。两个输入信号可以差分放大，这个倍数取决于我们增加的电阻值。第三级放大器电路是可调放大器电路。在第二级和第三级之间添加一个二阶有源带通滤波器，以消除不需要的高频信号和噪声。集成运算放大器的芯片是TI公司的tlv2264芯片。该模块的原理图如图7所示。
图7:7:EOG模块电路示意图
加速度传感器模块使用的芯片是飞思卡尔公司的MMA7260Q。该芯片可以测量水平和垂直两个方向的加速度，具有较高的精度和响应速度。该模块的原理图如图8所示。
图8:加速模块电路原理图
无线通讯模块我们用的是易通 27M无线通信模块连接。数据包的格式如图9所示。首先需要连续发送10 HI/LOs作为前导波形，用来调整无线模块的状态，然后发送起始波形START 600 us HI/600 us LO/600 us HI/400 us LO，最后是数据，都是200uS HI/LOS。每四个字节的数据由LoHi同步，保证无线传输的可靠同步。
图9无线通信包
采集终端的最终pcb布局如图10所示。包括电源电路模块、接口电路模块、两个加速度传感器电路模块和EOG电路模块。
图10采集终端pcb布局
在软件设计方面，采集终端和接收终端均采用多任务设计，开发在uCOS操作系统上完成。采集终端包括三个进程：主进程，负责检测按键输入和开关状态，控制指示灯显示；加速度传感器监控进程负责检测两个加速度传感器模块的输入变换；EOG输入检测程序，
该系统基于EOG理论，利用信号采集电路采集眼睛周围的表皮电信号。它是对EOG理论的探索和实践，在医疗领域、家庭应用领域，甚至在工业和军事领域都具有很强的新颖性和潜在的应用价值。当然，系统还有待完善，比如信号精度、去噪设计、稳定性和适应性设计、易用性等。
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