基于ZigBee的無線肌電檢測系統(tǒng)設計

林善明，曲李虎，陳 偉

(1.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022; 2.河海大學傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室，常州213022)

基于ZigBee的無線肌電檢測系統(tǒng)設計

林善明1，2，曲李虎1，2，陳 偉1，2

(1.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022; 2.河海大學傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室，常州213022)

針對目前表面肌電信號采集系統(tǒng)尺寸大，不易攜帶的缺陷，設計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線表面肌電信號檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由前置放大電路、帶通信號調(diào)理電路和基于單片機CC2430的無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路組成。該電路系統(tǒng)能有效覆蓋帶寬為10～500Hz的表面肌電信號，實現(xiàn)肌電信號的采集和與上位機的無線射頻通信。應用實踐表明，此系統(tǒng)能夠通過ZigBee無線網(wǎng)絡對人體肌電信號進行實時采集，具有移動性和便攜性，因此能廣泛適用于健康運動監(jiān)測和醫(yī)院移動監(jiān)測等領(lǐng)域。

ZigBee技術(shù);無線肌電信號檢測;CC2430單片機

1 引言

表面肌電信號sEMG(surface Electromyography)是一種非常微弱的信號，是肌肉中許多運動單元動作電位在時間上和空間上的疊加，反應了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)。目前，臨床肌電圖(Electromyogram)檢查多采用侵入式針電極插入被檢查者肌肉內(nèi)進行肌電圖檢測，其優(yōu)點是干擾小，定位性好，易識別。但由于它是一種有創(chuàng)的檢測方法，且體積較大，不夠靈活，其應用受到一定限制。表面肌電信號檢測則是通過表面肌電電極從人體皮膚表面記錄神經(jīng)肌肉活動時發(fā)放的生物電信號，具有無創(chuàng)性，操作簡單，在基礎醫(yī)學研究臨床診斷和康復工程中有廣泛的應用。

隨著計算機技術(shù)和無線傳感技術(shù)的發(fā)展，無線采集方案越來越得到廣泛應用。基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，設計了一種無線表面肌電信號采集終端，采用CC2430作為主控芯片，具有功耗低、易控制、使用靈活的特點，克服了采用有線采集方案活動范圍受限制的缺陷。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)主要由模擬信號采集和處理單元、CC2430主控單元和ZigBee無線傳輸單元組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

工作時，先由CC2430控制單元發(fā)出開始采集肌電信號的指令，信號檢測模塊開始工作，然后將肌電電極采集到的原始信號通過模擬電路的預處理送至CC2430進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳給控制單元中的信息處理單元，最后將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通訊單元發(fā)送到上位機，由上位機進行數(shù)據(jù)存儲，便于后續(xù)的分析和處理。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

sEMG信號是一種微弱的非平穩(wěn)隨機電信號，其振幅約為10～5000uV，頻率分布在10～500Hz，易受50Hz工頻干擾的影響。在檢測過程中電極和皮膚表面接觸處會有較大的直流電壓產(chǎn)生，若將采集到的信號直接輸入高增益放大器，會造成放大器的飽和，丟失信號的有用信息，故采用多級逐步放大。模擬信號采集和處理單元電路圖如圖2所示。

圖2 模擬信號采集和處理單元電路圖

3.1 前置放大電路和補償電路

前置放大電路選用儀表放大器AD620，具有高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲、低漂移、溫度穩(wěn)定性好的特點。在整個電路的工作過程中，要求總的放大倍數(shù)為1000倍左右，而小信號放大器的設計原則要求前級增益不宜過高，否則不利于后續(xù)電路對噪聲的處理，所以此處設定為8倍增益。由AD620的增益計算公式可知:

電路仿真如圖3(a)所示。

為了抵消人體信號源中的各種噪聲干擾，引入補償電路，在前置放大電路反饋端與信號源地端建立共模負反饋，放大的反饋信號接入?yún)⒖级?，這樣可以最大限度的抵消工頻干擾，如圖2所示。運放AD705JR、R4、R5、C1組成補償電路。

3.2 濾波電路

肌電信號有效頻率在10－500Hz，所以設計了由高通濾波器和低通濾波器組成的帶通濾波器，將這個頻帶以外的噪聲進行有效濾除。高通濾波由一個二階有源濾波電路組成，采用增益為1的Sallen－Key高通電路，實驗選用C2=C3=100nF，R6=R7= 150kΩ，采用巴特沃斯濾波方式，截止頻率為:

實際測得其幅頻特性如圖3(b)所示。

低通濾波同樣采用二階有源濾波電路，經(jīng)過仿真驗證，多重反饋型低通濾波電路高次諧波要小一些，衰減特性更好。選用R=R8=R9=R10=10kΩ，C4=67nF，C5=15nF截止頻率為:

幅頻特性如圖3(c)所示。

圖3 電路幅頻特性仿真圖

3.3 陷波電路

50Hz市電交流工頻干擾是影響肌電信號檢測過程中一種很嚴重的干擾。傳統(tǒng)雙T電路廣泛應用在零值網(wǎng)絡中，但Q值固定在1/4，這里引入正反饋來提高Q值。實驗選取R=47kΩ，C=68nF，則:

R12=R/2=23.5kΩ，C6=2C=136nF，

仿真調(diào)試后選擇最佳K值0.96，選取R4、R6初始值為5kΩ則:

R4=5kΩ×0.04=200Ω，R6=4.98kΩ。

中心陷波頻率為:

3.4 主放大電路和加法器電路

為了后續(xù)的信號處理與濾波，前置放大電路對信號只放大了8倍，整體電路的放大倍數(shù)為1000倍，所以此處設置增益為1000/8=125倍。電路中第一個運放構(gòu)成電壓跟隨器，用來提高輸入阻抗，第二個運放構(gòu)成普通反向放大器，增益可調(diào)，由R19控制，最大增益為125。

經(jīng)過前面電路的放大濾波，已經(jīng)可以得到一個伏特級且信號比較純凈的表面肌電信號了，但是這個信號存在小于零的部分，為了減少信號損失，便于A/D轉(zhuǎn)換，需要將信號波形整體上提。TL431和電位器RP提供0－2.5V可調(diào)電壓，為保證TL431正常工作，應選擇合適的R21阻值以保證陰極電流在1－100mA。電路圖如圖4所示。

圖4 電平抬升電路

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 CC2430單片機

設計的無線發(fā)送模塊中采用TI公司生產(chǎn)的芯片CC2430實現(xiàn)模塊整體控制。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻RF前端內(nèi)存和微控制器，此外還集成了具有128KB的可編程閃存和8KB的SRAM，包含8通道8～14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC定時器，1個16位定時器和2個8位定時器。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。具有3種休眠模式，從休眠模式轉(zhuǎn)換到正常模式僅需54us，特別適合要求電池長期供電的應用場合。

4.2 CC2430軟件設計

在軟件實現(xiàn)中采用模塊化設計，分為主功能模塊和子功能模塊，包括了A/D轉(zhuǎn)換信號的濾波與壓縮、按鍵中斷程序以及數(shù)據(jù)發(fā)送程序。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將采集到的表面肌電信號模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散幅值也離散的數(shù)字信號。CC2430單片機自帶14位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足表面肌電信號采樣的基本要求，采樣率設定為500Hz，采樣過程中模擬信號輸入到CC2430的P0.0口，由A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)，通過CC2430自身攜帶的ZigBee無線通訊單元以無線方式發(fā)送至上位機，用于波形顯示和其他功能實現(xiàn)。軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 CC2430軟件設計流程圖

5 結(jié)束語

設計了以CC2430單片機為控制單元的表面肌電信號檢測系統(tǒng)，運用其自帶的2.4GHz ZigBee無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)肌電信號的檢測和無線發(fā)送，與傳統(tǒng)有線測量方法相比，具有操作方便快捷，成本低，易擴展等優(yōu)點，同時可以加入心電信號檢測、體溫測量等模塊，實現(xiàn)遠程醫(yī)療、健康檢測的功能，具有廣闊的應用前景。

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Design of Wireless sEMG Measurement System Based on ZigBee

LIN Shan－ming1，2，QU Li－h(huán)u1，2，CHEN Wei1，2
(1.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China; 2.Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Aiming at the large size and carrying inconveniently for the current sEMG acquisition system，a wireless sEMG measurement system based on ZigBee technology is designed.The system is comprised of preamplifier circuit，band－pass processing signal circuit and wireless data transceiver circuit based on CC2430.The circuit system can effectively cover the bandwidth of 10～500Hz sEMG signal and realize the collection of electromyographic signal and wireless communication with PC.The application shows that the system can acquire the sEMG signal of human body in real－time by ZigBee wireless network.Because of its mobility and portability，it can be widely used in health movement monitoring，the hospital mobile monitoring and other fields.

ZigBee technology;Wireless detection of sEMG signal;CC2430 microprocessor

10.3969/j.issn.1002－2279.2014.02.023

TP273

A

1002－2279(2014)02－0073－04

林善明(1964－)，男，江蘇常州人，碩士研究生，副教授，主研方向:信息獲取與處理、檢測技術(shù)與智能系統(tǒng)。

2014－01－27