FreeEEG32是一款面向科研人员与脑科学爱好者的开源脑电图（EEG）参考设计，以\"高质量、低成本、可扩展\"为核心优势，填补了传统专有EEG设备价格高昂、技术封闭的缺口。作为一款可堆叠的32通道同步采样系统，它凭借精准的信号采集能力和灵活的扩展特性，在神经科学研究、生物电信号分析等领域获得广泛关注。
一、核心硬件架构与技术特性
FreeEEG32 的硬件设计围绕\"同步性、低噪声、高性能\"三大核心需求构建，关键组件与技术参数如下：
1.核心信号采集单元
系统采用模块化设计，通过4片8通道AD7771 Sigma-Delta ADC芯片构建32通道采集前端，每片ADC独立负责8路生物电信号的转换。AD7771芯片具备24位高分辨率，配合系统搭载的超低噪声参考源（测量值<0.22 μV），可精准捕获微弱的脑电信号，避免噪声干扰对数据质量的影响。这种\"一通道一ADC\"的架构彻底解决了传统轮询式采集的信号延迟问题，实现全通道同步采样。
2.主控与数据处理模块
系统主控选用STM32H7 ARM Cortex-M7微控制器，该芯片具备强大的运算能力，内置FPU（浮点运算单元），可高效完成信号预处理与数据传输任务。STM32H7配备6个SPI接口，足以满足多片ADC的高速通信需求，同时支持UART、USB-CDC等多种数据输出方式，方便与主机设备对接。固件层面经过专项优化，在32通道全负载运行时，可稳定维持每通道512SPS的采样率，完全符合EEG信号采集的标准要求。
3.电源与隔离设计
为保障信号纯净度与使用安全性，FreeEEG32在电源路径采用小型变压器驱动设计，有效抑制电源轨道上的噪声耦合。接口部分配备多通道隔离器（含SPI与串口隔离）及USB隔离器，既防止外部干扰传入采集系统，又保障实验对象的电气安全。电源输入支持MicroUSB与独立引脚两种方式，提升使用场景的灵活性。
二、核心技术原理
FreeEEG32的技术原理围绕“微弱信号精准捕获-同步转换-低损传输”的核心链路构建，针对脑电信号（微伏级、低频特性）的采集难点，通过硬件设计与信号处理算法的协同，实现高质量数据输出，关键原理可分为三个核心环节。
1.脑电信号前端调理原理
脑电信号从头皮电极采集后，首先进入前端调理模块，这是保障信号质量的首要环节。由于原始脑电信号幅度仅为1-100μV，且易受工频干扰（50/60Hz）、肌电噪声及电极接触噪声影响，调理模块需完成“信号放大-噪声抑制-共模干扰抵消”三重任务。
系统采用仪表放大器构建差分放大电路，利用其高共模抑制比（CMRR>120dB@50Hz）的特性，有效抵消电极与人体之间产生的共模信号（如工频干扰）。放大环节分为两级：第一级为仪表放大器提供100-1000倍的固定增益，将微弱信号提升至毫伏级；第二级通过AD7771芯片内置的可编程增益放大器（PGA）实现0-8倍可调增益，适配不同采集场景下的信号强度差异。同时，调理电路集成8Hz高通滤波与120Hz低通滤波，分别滤除基线漂移（低频噪声）与肌电等高频干扰，为后续AD转换提供“干净”的模拟信号。
2.Sigma-Delta ADC同步转换原理
AD7771芯片采用的Sigma-Delta（Σ-Δ）调制技术是实现高精度信号转换的核心。与传统逐次逼近型ADC不同，Σ-Δ ADC通过“过采样-噪声整形-数字滤波”的方式提升分辨率，特别适用于低频微弱信号采集。其工作过程分为三步：首先，通过远高于奈奎斯特频率的采样率（FreeEEG32最高支持128kSPS）对调理后的模拟信号进行过采样，将信号带宽内的噪声分散到更宽的频率范围；其次，通过Δ调制器比较输入信号与反馈信号的差值，输出1位数字脉冲，再由Σ积分器对差值进行累积，实现噪声整形，将量化噪声推至高频段；最后，通过数字低通滤波器滤除高频噪声，同时对过采样数据进行抽取，得到24位高分辨率的数字信号。
全通道同步性则通过STM32H7主控输出的同步时钟信号实现——主控为4片AD7771芯片提供统一的采样触发信号，确保所有通道在同一时刻启动采样，彻底消除传统轮询式采集导致的通道间时间差（≤1μs），为脑电信号的时空关联分析提供精准的数据基础。
3.数据同步传输与预处理原理
32通道数字信号由AD7771通过SPI接口传输至STM32H7主控，主控通过多SPI接口并行接收数据，避免单接口传输瓶颈。为减少数据量并保留关键信息，主控内置的预处理算法会完成三项核心操作：一是数据校验，通过CRC校验剔除传输错误的数据；二是基线校正，利用滑动平均算法实时修正信号基线，进一步降低低频漂移影响；三是数据格式化，将原始数据转换为二进制流或OpenVIBE兼容格式，便于后续分析软件直接解析。
传输层面采用“中断触发+DMA缓存”的机制：当ADC数据准备就绪后，通过中断信号通知主控，主控启动DMA（直接存储器访问）将数据从ADC缓存传输至内存，无需CPU全程参与，既提升了传输效率，又避免了数据丢失。对于多板卡扩展场景，主控通过USB-CDC接口与主机建立多设备通信，各板卡基于主机下发的同步指令实现数据传输同步，确保多通道数据的时间戳一致性。
三、核心性能优势
•高精度同步采集：全通道实现真正意义上的同步采样，避免传统多通道设备因轮询导致的信号时间差问题，这对脑电信号的时空分析至关重要。在32 kSPS采样率下，系统动态范围可达107 dB，支持高达8倍的可编程增益放大，可适配不同强度的生物电信号采集需求。
•灵活扩展能力：通过板卡堆叠技术，可将通道数量从32通道扩展至64-256通道甚至更多，多块板卡虽独立连接主机，但可同步流式传输数据至同一软件实例，满足大规模脑电信号采集场景（如全脑电活动监测）的需求。
•全开源特性：作为开源项目，FreeEEG32提供完整的硬件设计资料（原理图、PCB文件）与软件资源（基于HAL库的固件代码），开发者可根据研究需求进行二次开发。项目主页提供详细的设计文档与技术支持，降低技术门槛。
•高性价比：相较于传统科研级EEG设备动辄数十万元的价格，FreeEEG32通过开源设计与通用元器件选型，在保证采集质量的前提下大幅降低成本，使中小实验室及个人研究者能够负担得起。
四、应用场景与扩展潜力
1.核心应用领域
FreeEEG32的核心应用聚焦于生物电信号采集与分析，主要包括：
•神经科学基础研究：脑电活动模式分析、认知功能监测等；
•生物电信号多维度采集：除EEG外，还可扩展用于肌电（EMG）、心电（ECG）等信号的同步采集；
•开源硬件二次开发：作为生物电采集前端，与Arduino、ESP32等开发板结合，构建个性化监测系统。
2.软件与生态适配
系统数据输出支持二进制流与OpenVIBE编码两种格式，可与主流生物信号分析软件兼容。开发社区提供基于STM32H7的固件开发指南，支持OTA差分升级功能，可节省90%的带宽并实现断点续传，方便固件维护与更新。此外，其数据传输协议与接口设计可参考OpenBCI等成熟EEG系统的GUI设计，降低数据处理与可视化的开发成本。
3.技术对比优势
与传统低成本多通道生物电系统相比，FreeEEG32解决了\"低成本无放大滤波\"的痛点，通过专用ADC芯片与低噪声设计实现高质量采集；相较于基于ADS1299的EEG设备（如OpenBCI Cyton），其通道数量更多（32通道vs 8通道），采样率更高（最高128 kSPS vs 250Hz），且扩展能力更强，同时保持了开源特性与成本优势。
五、项目资源与获取方式
FreeEEG32的完整技术资料与项目进展可通过官方渠道获取：
•项目主页：https://www.crowdsupply.com/neuroidss/freeeeg32（提供硬件规格、固件下载及社区交流）；
•技术文档：电子工程专辑、EEWorld等平台发布的设计解析与应用案例，涵盖硬件调试、固件开发等实操内容。
FreeEEG32的核心价值在于\"开源赋能创新\"，其设计不仅满足基础脑电采集需求，更通过模块化、可扩展的架构为开发者提供了二次创新的平台，推动脑科学研究与生物电技术应用的普及化发展。
