基于信道状态感知的ADC动态分时采集系统、方法及芯片与流程

本技术属于神经接口集成电路，涉及一种基于信道状态感知的adc动态分时采集系统、方法及芯片。

背景技术：

1、在多通道脑电信号采集系统中，传统架构通常为每一个模拟前端信号链搭配一路独立的模数转换器（analog-to-digital converter，adc），以实现并行同步采样。然而，这种全并行的架构在功耗与芯片面积方面负担过重，每一个采集通道均需配置一个高精度adc，将消耗大量面积与功耗，严重限制系统在多通道应用中的集成度与便携性。例如，在128通道的神经信号记录系统中，若每个通道独立配置一路adc，不仅芯片面积将急剧膨胀，总功耗亦难以满足植入式或可穿戴设备的严苛要求。

2、现有技术中，为降低多通道脑电信号采集系统的硬件开销，已有方案采用少量adc配合模拟多路复用器进行分时采集，通过将多个采集通道的模拟输出信号分时耦合至adc模块输入端来减少adc数量。然而，这种分时复用架构在实际应用中存在多方面不足：一方面，在多路复用器进行通道切换时，adc输入端采样电容需要从前一通道电压切换至下一通道，若建立时间不足将严重影响采样精度和线性度，特别是在高速分时采集场景下该问题尤为突出；另一方面，即使采用全并行架构配置多颗独立adc，各adc之间因工艺偏差而存在的增益误差、偏移误差和非线性误差也难以通过数字校准完全消除；更重要的是，在植入式或闭环式脑电信号采集系统中，电刺激脉冲产生的强烈刺激伪迹会导致采集前端放大器进入饱和状态，需要一定的恢复时间才能重新工作于线性区间，而传统分时采集方案采用固定时序轮询方式依次对各通道进行采样，若某个通道正处于放大器饱和恢复期而被轮询采样，将采集到无效甚至错误的信号数据，不仅降低了adc的有效利用率，还可能导致后续数据处理出现严重偏差。

3、因此，本领域亟需一种能够在保证采样精度的前提下有效降低adc硬件开销，并在电刺激伪迹环境下仍能维持较高有效数据输出率的采集控制架构。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于信道状态感知的adc动态分时采集系统、方法及芯片，用于解决现有技术中adc硬件开销大、通道切换时采样建立时间长、电刺激伪迹下有效数据输出率低的技术问题。

2、第一方面，本技术提供一种基于信道状态感知的adc动态分时采集系统，包括：多个采集前端，分别与对应的采集电极连接，被配置为对脑电信号进行放大与滤波处理；多工切换单元，设置于所述多个采集前端的输出端与adc模块的输入端之间，被配置为将多个采集通道的模拟输出信号分时耦合至所述adc模块的输入端；预充电单元，设置于所述多工切换单元的输出端与所述adc模块的输入端之间，被配置为在通道切换间隙对目标通道的信号电平进行预充电；状态标记单元，分别与各所述采集前端的状态输出端连接，被配置为接收各采集通道的反馈状态信号，并据此对每一个采集通道进行状态标记，所述状态至少包括有效状态和恢复中状态；控制逻辑单元，分别与所述状态标记单元的输出端以及所述多工切换单元的控制端连接，被配置为根据各采集通道的当前状态标记产生动态控制信号，驱动所述多工切换单元优先选通处于所述有效状态的采集通道，并跳过或延迟选通处于所述恢复中状态的采集通道。

3、在第一方面的一种实现方式中，所述多工切换单元包括多路选通开关阵列，包括一级选通开关组和二级选通开关组；所述一级选通开关组包括多个一级选通开关，每个所述一级选通开关的多个输入端分别与对应的采集前端输出端连接，每个所述一级选通开关的输出端连接至对应的公共节点，被配置为将n个采集通道中的一路信号选通至所述公共节点；所述二级选通开关组包括至少一个二级选通开关，所述二级选通开关的多个输入端分别与各所述公共节点连接，所述二级选通开关的输出端与所述预充电单元的输入端连接，被配置为将多路公共节点信号中的一路输出至所述预充电单元。

4、在第一方面的一种实现方式中，所述预充电单元包括串联连接的高速缓冲器和采样保持电容；所述高速缓冲器的输入端与所述多工切换单元的输出端连接，所述高速缓冲器的输出端、所述采样保持电容的第一端以及所述adc模块的采样输入端相互连接于同一节点，所述采样保持电容的第二端接地；所述高速缓冲器被配置为在当前通道的采样转换期间，将下一待采样通道的信号电压经所述高速缓冲器的输出端预充至所述采样保持电容的第一端，所述adc模块通过其采样输入端采集所述节点上的电压信号。

5、在第一方面的一种实现方式中，所述状态标记单元包括比较器阵列、或门逻辑电路和状态寄存器；所述比较器阵列包括与各采集通道一一对应的多路比较器；各所述采集通道的信号分别输入至对应的所述比较器的同相输入端，各所述比较器的反相输入端连接至基准阈值电压，各所述比较器的输出端连接至所述或门逻辑电路的各输入端；所述或门逻辑电路的输出端连接至所述状态寄存器的对应数据位，被配置为将任一通道的放大器饱和触发信号或刺激伪迹触发信号锁存至所述状态寄存器的对应位，作为所述通道的恢复中状态标记。

6、在第一方面的一种实现方式中，所述采集前端包括：针对每个采集通道设置的低噪声放大器、低通滤波器以及第一开关组和第二开关组；所述第一开关组设置于所述低噪声放大器与采集电极之间，所述第二开关组设置于所述低噪声放大器的差分输入端与共模参考电压或地之间；所述采集前端信号处理电路具有采集状态和刺激保护状态：在所述采集状态下，所述第一开关组闭合且所述第二开关组断开，使神经信号经采集电极、所述第一开关组、所述低噪声放大器和所述低通滤波器后输出至模数转换器；在所述刺激保护状态下，所述第一开关组断开且所述第二开关组闭合，以阻断电刺激信号经采集电极传入所述低噪声放大器，并通过所述第二开关组将所述低噪声放大器的输入端短接，以阻断采集前端通道间的串扰。

7、在第一方面的一种实现方式中，所述状态标记单元对每一所述采集通道的标记依据包括以下至少之一：所述采集通道的放大器的饱和检测信号是否被触发；所述采集通道是否处于电刺激伪迹影响期间；所述采集通道的放大器的输出是否已恢复至线性工作区间。

8、在第一方面的一种实现方式中，所述控制逻辑单元包括时序基准模块、通道状态读取模块和选通地址生成模块；所述时序基准模块被配置为产生采样时序时钟信号；所述通道状态读取模块被配置为读取所述状态标记单元输出的各采集通道的标记位；所述选通地址生成模块被配置为根据所述标记位生成跳过所述恢复中状态的通道的选通地址序列，所述选通地址生成模块的输出端连接至所述多工切换单元的控制端。

9、在第一方面的一种实现方式中，所述控制逻辑单元被配置为：在默认状态下对各所述采集通道进行顺序轮询调度；以及当检测到任一采集通道被标记为所述恢复中状态时，暂停对所述采集通道的采样调度，待所述采集通道恢复为所述有效状态后重新纳入轮询序列。

10、第二方面，本技术提供一种基于信道状态感知的adc动态分时采集方法，所述方法包括：状态标记步骤：获取各采集通道的反馈状态信号，根据所述反馈状态信号将各采集通道标记为有效状态或恢复中状态；动态调度步骤：根据各采集通道的当前状态标记生成动态控制信号，所述动态控制信号用于指示优先调度处于所述有效状态的采集通道参与采样，并跳过或延迟调度处于所述恢复中状态的采集通道；分时切换步骤：根据所述动态控制信号控制多工切换网络进行通道选通切换，将处于所述有效状态的采集通道的模拟信号分时耦合至adc模块的输入端；预充电步骤：在当前采集通道的采样转换期间，对下一目标通道的信号电平进行预充电，以使该下一目标通道切换至所述adc模块输入端时，所述adc模块输入端的信号电平已接近该目标通道的信号值。

11、第三方面，本技术提供一种芯片，包括：如第一方面所述的基于信道状态感知的adc动态分时采集系统，以及至少一个adc模块，所述adc模块的输入端与预充电单元的输出端连接，被配置为对分时接入的各采集通道的脑电信号进行模数转换。

12、如上所述，本技术所述的基于信道状态感知的adc动态分时采集系统、方法及芯片，具有以下有益效果：

13、1、本技术通过多工切换单元使少量adc模块分时服务多个采集前端通道，显著降低了adc硬件开销与功耗。 相较于每通道独立配置adc的全并行架构，本技术大幅减少了adc数量，从而有效降低了芯片面积与系统功耗，提高了多通道应用中的集成度与便携性；同时，由于adc模块数量大幅减少，多颗adc之间因工艺偏差导致的增益误差、偏移误差和非线性失配问题也得到有效缓解，减轻了后续数字信号处理的负担。所以本技术可以有效解决现有技术中adc硬件开销大、通道切换时采样建立时间长、电刺激伪迹下有效数据输出率低的技术问题。

14、2、本技术通过在多工切换单元与adc模块之间设置预充电单元，在通道切换间隙预先将目标通道的信号电平预充至目标值附近，有效缩短了adc采样建立时间，保证了高速分时采集的精度与线性度。 具体地，预充电单元包括串联连接的高速缓冲器和采样保持电容，高速缓冲器在当前通道的采样转换期间将下一待采样通道的信号电压预充至采样保持电容上；当多工切换单元切换至下一通道时，adc模块采样输入端的电压已基本建立至目标值附近，从而大幅缩短了采样建立时间。这使得系统在多通道高速分时切换场景下仍能保持良好的采样线性度和精度，避免了因建立时间不足导致的采样误差。

15、3、本技术通过状态标记单元实时监测各采集通道的放大器饱和状态和刺激伪迹状态，对每个通道标记为有效或恢复中，并由控制逻辑单元根据通道状态动态调度采样顺序，优先采样有效通道、跳过或延迟恢复中通道，从而提高了电刺激伪迹环境下的有效数据输出率。 在植入式或闭环式脑电信号采集系统中，电刺激脉冲产生的强烈刺激伪迹会导致采集前端放大器进入饱和状态；本技术通过动态调度机制避免在通道恢复期进行无效采样，使系统在强烈电刺激伪迹环境下仍能维持较高的有效数据输出率，提高了数据通信效率和后续信号处理的可靠性。