32通道無線表面肌電和加速度信號采集系統(tǒng)設(shè)計*

左鵬飛，路知遠，張永強，董中飛，陳 香

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，合肥230027)

表面肌電sEMG(surface Electromyographic)是人體運動時肌肉收縮產(chǎn)生的生物電，與肌肉組織的生理特性以及神經(jīng)控制特性密切相關(guān)，且不同肌群組織的肌電信號展現(xiàn)出不同的特征。目前，肌電信號的研究分析已成為臨床診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物機械等諸多領(lǐng)域的研究熱點。尤其是sEMG信號，無創(chuàng)傷測量的優(yōu)點使它被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、康復(fù)工程和運動體育等領(lǐng)域。局部肌肉疲勞的sEMG信號特征不僅是肌肉疲勞的客觀評價指標，而且對于闡明肌肉疲勞發(fā)生的內(nèi)在生理、心理機制具有重要的理論意義和應(yīng)用價值［1］。李云等［2］實現(xiàn)了基于加速計與sEMG傳感器信息融合的手語識別方法，張啟忠［3］等實現(xiàn)了基于sEMG形態(tài)特征的多模式識別研究，Bonfiglioli R［4］等通過分析腕管綜合征體力勞動者的sEMG信號特性提出肌電信號峰度可以作為監(jiān)測患有肌肉神經(jīng)疾病患者病情發(fā)展情況的重要參數(shù)，Klaver-Król E G［5］等測量并分析了患有纖維肌痛患者的肌肉纖維速度和肌電信號的特征。

肌電信號電勢微弱，幅度在幾百至幾千μV之間，且易受外界條件干擾，這給肌電信號的采集和處理造成一定困難［6］。高性能肌電采集系統(tǒng)的研制是當(dāng)前研究熱點之一，國內(nèi)外各大公司和研究機構(gòu)為此做出了大量的工作，如萬莎［7］等設(shè)計了一種基于Lab-VIEW的多通道sEMG信號采集系統(tǒng)，Ahamed N U［8］等研制了一種高精度且接口可擴展的sEMG信號采集系統(tǒng)。目前的肌電信號采集系統(tǒng)主要采用有線和無線兩種信號傳輸方式。有線傳輸?shù)膬?yōu)點是信號傳輸穩(wěn)定和可持續(xù)供電，缺點是便攜性差，容易引入工頻干擾，且有線連接會對運動造成束縛，不便在運動中使用。相反，無線傳輸方式具有優(yōu)越的便攜性能，廣泛應(yīng)用于移動健康監(jiān)護和運動檢測等領(lǐng)域。無線傳輸?shù)娜秉c是易受外界干擾，有效傳輸距離和電池持續(xù)工作時間是無線傳輸系統(tǒng)的重要性能指標。

本文設(shè)計的目標是對無線肌電采集系統(tǒng)的采樣率、功耗、以及無線傳輸距離等性能參數(shù)進行改進，具體為:提高采樣率以獲取更高的數(shù)據(jù)精度;降低功耗以達到更長的持續(xù)工作時間;采用穩(wěn)定的藍牙無線傳輸方案，降低丟包率及誤碼率;集成可提供重要的人體姿態(tài)信息的加速度信號采集模塊。此外，采用FPGA為接收端提供大數(shù)據(jù)的實時處理能力。實驗表明，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有32通道信號的實時采集、存儲、顯示功能，且具有高數(shù)據(jù)精度、更穩(wěn)定的無線傳輸性能和高信噪比等優(yōu)點。本文工作為康復(fù)工程、運動醫(yī)學(xué)和人機交互等研究提供了一種可靠的運動信息捕獲系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由信號采集發(fā)送端和信號接收端組成。信號采集發(fā)送端采取傳感器與傳輸模塊有線連接的方式，每組模塊由信號采集傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊構(gòu)成。首先通過肌電傳感器和加速計采集肌電和加速度信號。其中肌電信號經(jīng)傳感器放大濾波后與加速度信號同時輸入到到單片機AD轉(zhuǎn)換輸入端，8通道信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由單片機打包到藍牙發(fā)送模塊緩沖區(qū)準備發(fā)送。藍牙接收端實時接收數(shù)據(jù)包，經(jīng)FPGA匯總后，通過USB傳輸至PC機進行數(shù)據(jù)存儲及波形顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。

肌電采集傳感器采用差分電極方式，電極材質(zhì)是999純銀，直徑0.9 mm，電極間距10 mm。傳感器通過差分電極采集肌電信號。人體肌細胞動作電位幅值在-80 mV～30 mV之間，傳達到肌膚表層后變得很微弱，表面肌電信號一般低于幾mV［9］。根據(jù)需求需要進行約500倍的放大。由于電阻值和極限頻率的因素，采用二級放大電路完成。前級放大電路放大倍數(shù)約330，二級放大電路放大1.47倍。由于肌電信號有效頻率范圍是20 Hz～1 kHz［10］。采集過程中，由于電極與皮膚之間摩擦而產(chǎn)生的運動偽跡頻率小于20 Hz，所以帶通濾波器的高通截止頻率設(shè)為 20 Hz，低通截止頻率為1 kHz。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表面肌電信號通常受到來自不同干擾源的影響，其中工頻干擾的影響最為明顯，如何有效地抑制甚至去除其中的干擾，對信號表面肌電的后續(xù)處理及應(yīng)用至關(guān)重要［11］。由于傳感器采用差分方式，且距參考電極相對較遠，50 Hz工頻干擾信號會在差分電極上近似形成共模信號。高共模抑制比的放大器對其起到了較好的抑制作用。傳感器濾波電路采用的是多路負反饋有源二階帶通濾波器，該濾波器電路的增益、帶寬、品質(zhì)因數(shù)可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，電路原理圖見圖2(a)。

圖2 肌電傳感器原理圖

如圖2(a)所示，前級放大電路的放大器為AD8220，該集成放大器具有輸入阻抗高、高CMRR、低電流噪聲的優(yōu)點，可有效抑制共模噪聲信號，減少輸入電流噪聲。后級放大電路采用集成運放OPA2349，該運放靜態(tài)電流僅為1 μA，軌到軌的設(shè)計更加適用于采用電池供電系統(tǒng)。

肌電傳感器采用3.3 V電池供電。放大器輸入電壓要求為±2.5 V，因此需要進行電壓反向變換，電壓轉(zhuǎn)換電路選用tps60401芯片實現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)，該芯片具有封裝小、功耗低的優(yōu)點，原理圖如圖2(b)所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要實現(xiàn)加速度信號的采集，模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)打包及藍牙控制。該模塊由電池管理模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、信號電壓抬高模塊、單片機控制模塊、加速度采集模塊和藍牙模塊組成。

發(fā)送端配有可充電鋰電池，容量1 000 mAh，同時具有充電控制功能，只需USB接口提供5 V直流電壓，即可完成充電。充電控制芯片選用BQ24020芯片，通過外圍電阻的匹配實現(xiàn)3.7 V鋰電池充電，充電時間約3 h。

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由于發(fā)送端芯片需要不同的工作電壓，分別為3.3 V和 2.5 V，因此采用輸出電壓可調(diào)節(jié)的tps62200芯片實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，該芯片采用SOT23-5封裝，低功耗，且輸出電壓可由外圍電阻匹配調(diào)節(jié)。

由于肌電傳感器采用雙電源運放，輸出信號電壓范圍是±1.25 V，而單片機的模擬信號出入端電壓范圍是0～2.5 V因此要對肌電信號進行1.25 V的電壓抬高，電壓抬高功能采用電壓跟隨電路實現(xiàn)(見圖3)，2.5 V輸入由C8051F411單片機參考電壓P1.2端口輸出提供，經(jīng)分壓，跟隨電路的最終輸出電壓為1.25 V。

圖3 電壓抬高電路

單片機模塊采用28引腳QFN封裝的C8051F411，實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換以及藍牙芯片控制。

系統(tǒng)采用MMA7361L加速計獲取模擬加速度信號。該傳感器為LGA-14封裝，體積為3 mm×5 mm×1 mm，輸出電壓和加速度線性相關(guān)，范圍是0～3.3 V，該加速計支持 ±1.5 gn，±6.0 gn兩檔，本系統(tǒng)選用±1.5 gn(gn:重力加速度1 gn=10 m/s2)。

藍牙模塊采用HWW-SPP嵌入式藍牙串口通訊模塊。藍牙設(shè)備在第一次通信前需要進行初始化操作，主要包括復(fù)位、讀取并記錄本地藍牙地址、設(shè)置查詢響應(yīng)時間參數(shù)等［12］。核心模塊尺寸大小為28 mm×15 mm×2.35 mm。配對中的工作電流為30 mA～40 mA，配對完畢，未通信時工作電流為2 mA～8 mA，通信過程中工作電流為8 mA。通信協(xié)議采用藍牙2.0通用協(xié)議標準，波特率為115 200 bit/sV。

接收端采用FPGA芯片實現(xiàn)了對四組藍牙接收模的操作，使他們并行工作。FPGA芯片采用Altera公司的CycloneⅢ系列產(chǎn)品EP3C25Q240。四組藍牙接收模塊分別與發(fā)送端對應(yīng)的藍牙模塊進行一對一通信，每對藍牙完成8通道數(shù)據(jù)的收發(fā)。FPGA完成對32通道信號打包成統(tǒng)一的幀格式發(fā)送至PC機(幀格式見表1(a))，接收端硬件框圖如圖4所示。

圖4 接收端硬件框圖

接收端采用5 V供電，采用1117系列芯片轉(zhuǎn)換電壓實現(xiàn)多種電壓需求。使用串口USB接口芯片CH341實現(xiàn)數(shù)據(jù)向PC機端的傳送。

1.2 無線通信協(xié)議設(shè)計

發(fā)送端對8通道數(shù)據(jù)進行打包重組成幀格式，C8051F411內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換精度為12 bit，故每個采樣點分配16 bit存儲數(shù)據(jù):其中前4 bit作標志位，后12 bit存儲數(shù)據(jù)。因此每幀包括16 byte。字節(jié)結(jié)構(gòu)見表1(a)，幀結(jié)構(gòu)協(xié)議格式如表1(b)所示。

表1 發(fā)送端數(shù)據(jù)格式(a)字節(jié)結(jié)構(gòu)

表2 匯總模塊端幀結(jié)構(gòu)

2 軟件程序設(shè)計

數(shù)據(jù)發(fā)送端，軟件程序主要實現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)采集，以及通過UART向藍牙發(fā)送芯片輸入數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 發(fā)送端程序設(shè)計流程圖

接收端程序主要完成對4組藍牙進行UART通信和對接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析與重組。數(shù)據(jù)解析主要有兩個功能:根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)幀格式對數(shù)據(jù)進行檢驗，找出數(shù)據(jù)包的幀頭實現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊;同時對數(shù)據(jù)檢錯，發(fā)現(xiàn)破損的數(shù)據(jù)包自動丟棄處理。數(shù)據(jù)重組是將收到的數(shù)據(jù)按照新的幀格式進行數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給PC機端，接收端程序流程圖見圖6。

圖6 接收端程序設(shè)計流程圖

PC機端界面顯示程序基于C++語言開發(fā)，實現(xiàn)32通道數(shù)據(jù)的實時顯示，同時對完成對數(shù)據(jù)進行文本格式存儲，數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集軟件界面

3 性能測試

3.1 信號采集發(fā)送端

為了信號采集安放方便，信號采集發(fā)送端設(shè)計成腕帶形式，實物如圖8(a)所示。每個腕帶前端是5個肌電傳感器，與后端控制模塊之間有線連接，線長分為25 cm和100 cm兩種，分別測量上肢和下肢信號。每個肌電傳感器的體積為22 mm×18 mm×7 mm，控制模塊體積為54 mm×34 mm×12 mm。每組重量約為60 g，工作電流為100 mA，電池容量800 mAh，工作時間可持續(xù)6 h。

圖8 系統(tǒng)實物圖

信號采集過程中可用彈性腕帶將傳感器固定，測量位置可隨需求改變。接收端模塊實物圖見圖8(b)。采集過程中通過數(shù)據(jù)線連接至PC機，進行實時數(shù)據(jù)傳輸。測量方式如圖9所示。

圖9 肌電信號采集方法示例

圖10為一組將傳感器穿戴在實驗者左臂，分別做握拳、伸掌、手臂左右、圓周擺動所產(chǎn)生的信號示意圖。

圖10 8通道信號波形

3.2 傳感器性能測試

本系統(tǒng)放大倍數(shù)為約500，頻帶為20 Hz～1 000 Hz，為測試放大濾波電路的幅頻特性，在0.5 H～1 300 H的頻帶內(nèi)測試了放大電路的放大性能。選擇輸入信號為正弦波，幅值為5 mV，在測試頻帶內(nèi)選取20個測試點，觀察每個頻率測試點上的電壓值。實驗結(jié)果見表3。

表3 放大濾波電路幅頻特性測試

根據(jù)表3結(jié)果繪制幅頻特性波形圖如圖11所示，從圖11可以看出，在高通截止頻率20 Hz點的放大倍數(shù)300倍，在低通截止頻率1 000 Hz點的放大倍數(shù)約250倍。在頻率為200 Hz時達到最大值470倍。在肌電信號主要能量頻率段50 Hz～100 Hz內(nèi)都有超過400倍的放大倍數(shù)。

圖11 放大濾波電路幅頻特性曲線

肌電傳感器的抗噪聲性能是本系統(tǒng)的重要性能指標。本文對信噪比的測量方法是正常的動作信號電壓與無動作產(chǎn)生的信號電壓(肌肉放松狀態(tài)下所測量的信號可視為噪聲信號)的比值，經(jīng)測量放松狀態(tài)下的信號電壓為1.1 mV，動作產(chǎn)生的信號電壓最高位1.25 V，信噪比約為70 dB。

3.3 無線通信質(zhì)量測試

電磁波在實際環(huán)境中的傳播與在理想自由空間中的傳播有很大的區(qū)別，主要干擾因素包括:吸收、反射、折射、多徑干擾等［13］。無線傳輸中因為受到干擾或人體運動的影響，難免會發(fā)生數(shù)據(jù)出錯或丟失的現(xiàn)象。因此在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入自定義的幀標識，接收到的數(shù)據(jù)包幀標識有誤，則丟棄該數(shù)據(jù)包，相應(yīng)數(shù)據(jù)補零處理;若超時仍未接收到信號，認為數(shù)據(jù)包丟失，亦補零處理。這樣處理的原因是sEMG信號中若出現(xiàn)小段的零信號，不會影響手勢識別的結(jié)果。因此根據(jù)非補零的數(shù)據(jù)所占的比例計算通信有效率即誤碼率。測試過程是分別在室內(nèi)室外選取直線距離20 m通信距離，并間隔2 m作為測試點，在測試點上做握拳，伸掌，手臂左右、四周擺動四種手勢動作各20次，并對收到的數(shù)據(jù)進行存儲以待進行誤碼率計算。測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)室內(nèi)有效通信距離約為10 m，室外有效通信距離約為12 m。測試結(jié)果如圖12所示。

實驗結(jié)果表明室外通信質(zhì)量會優(yōu)于室內(nèi)通信，造成這種差別是因為建筑物的物理特性。2.4 G無線信號對不同的墻體表現(xiàn)不同的穿透能力，同時會受到室內(nèi)布局的影響［14］。

4 結(jié)論

圖12 通信性能測試結(jié)果

本文設(shè)計了一套便攜式、無線通信傳輸?shù)?2通道表面肌電和加速度信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的表面肌電傳感器具有很高的抗噪聲性能。傳感器與發(fā)送端采取有線連接的方式，既能方便電極安放，又縮小了傳感器的體積。無線傳輸采用藍牙2.0協(xié)議，通信穩(wěn)定，丟包率低。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于醫(yī)療診斷和康復(fù)醫(yī)學(xué)中的肢體運動信號采集，還可以應(yīng)用于手語識別、情境感知等更廣泛的科學(xué)研究領(lǐng)域。

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