一種表面肌電儀校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

王耀弘，王藝穎 ，張雯，周中木，龔偉

（1.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院,重慶，400121；2.國家熱工流量儀表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（重慶），重慶，400121；3.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶，401331）

0 引言

人體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)興奮時(shí)會(huì)產(chǎn)生生物電信號(hào)，肌電儀能夠記錄肌肉靜止或收縮時(shí)的電活動(dòng)曲線。表面肌電儀因其無痛、便捷的優(yōu)點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)針電極插入式肌電儀給病人痛苦而廣泛應(yīng)用于臨床診斷、康復(fù)治療、運(yùn)動(dòng)評(píng)估、工傷評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。為保障表面肌電儀量值溯源準(zhǔn)確，文章設(shè)計(jì)了一種具有微弱電生理信號(hào)模擬功能的表面肌電儀校準(zhǔn)裝置。該裝置具有寬頻率、高準(zhǔn)確度等特征，能夠滿足檢測要求[1-10]。

1 工作原理

直接頻率合成是利用相位累加器存儲(chǔ)信號(hào)的相位信息，其相位累加情況由頻率控制字節(jié)K控制，通過查詢表使相位信息轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字量幅度信息，并經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬正弦量，濾波后輸出所需頻率，其優(yōu)點(diǎn)是具有高精度的頻率和相位分辨力。

直接數(shù)字頻率合成周期信號(hào)產(chǎn)生算法為：

式中：?為任意周期信號(hào)，lout為周期信號(hào)頻率，0α為角速度。

直接數(shù)字頻率合成器輸出頻率0λ關(guān)系式：

直接數(shù)字頻率合成器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字分頻器。隨著n的變大，累加器的長度也變大，從而能夠得所需頻率。

2 系統(tǒng)組成與關(guān)鍵硬部件選型

研制的表面肌電儀校準(zhǔn)裝置由單片機(jī)、按鍵電路、液晶顯示電路、數(shù)字合成電路、調(diào)理電路等組成人機(jī)交互系統(tǒng)，具體見圖1。

單片機(jī)是信號(hào)源硬件的核心，裝置采用16位的SPCE061A單片機(jī)為控制中心，該單片機(jī)具有兩個(gè)外部時(shí)鐘源輸入和7路10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，32位通用可編程I/O端口。由于參考時(shí)鐘等因素的影響，高端雜散噪聲干擾較大，為實(shí)現(xiàn)較好的頻譜純度信號(hào)，結(jié)合設(shè)計(jì)采用的逼近原則，采用橢圓函數(shù)低通濾波器進(jìn)行濾波，依據(jù)陡度系數(shù)計(jì)算出反射系數(shù)50%，進(jìn)而確定采用七階橢圓濾波器?？紤]濾波過程中存在信號(hào)特殊頻段衰減問題，設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)高頻時(shí)增大幅值，從而達(dá)到補(bǔ)償效果。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

AD9953是AD公司采用先進(jìn)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的具有高集成度DDS電路。內(nèi)部包含分辨率14位的高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及高速比較器，工作頻率高達(dá)400MHz，具有靈活使用頻率合成功能，最高功耗僅為200mW。同時(shí)內(nèi)置32KRAM，通過此功能可以實(shí)現(xiàn)可編程的模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，其內(nèi)置寄存器可存放頻率、相位、幅度數(shù)據(jù)。AD9953芯片頻率控制字長K為32位，其中相位控制字長為14位，計(jì)算可得理論輸出相位精度達(dá)到1.9×10-4。

標(biāo)準(zhǔn)肌電信號(hào)可以認(rèn)為是周期信號(hào)，相位連續(xù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)為2的整數(shù)次冪，采用適當(dāng)算法可以調(diào)整到所需長度，通過DDS算法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變信號(hào)發(fā)生，信號(hào)發(fā)生方法見圖2所示。

圖2 頻率連續(xù)可變示意圖

人機(jī)交互電路模塊主要有單片機(jī)控制。裝置選用YM12864C圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，其采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器兩部分組成了全點(diǎn)陣液晶顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)清晰顯示。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

研制的表面肌電儀校準(zhǔn)裝置完成后，使用Ocilloscope示波器和數(shù)字多用表進(jìn)行檢測。依據(jù)JJF 1470-2014多參數(shù)生理模擬儀校準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)方波信號(hào)、三角波信號(hào)、正弦波信號(hào)幅度和頻率進(jìn)行測量，具體數(shù)據(jù)見表1至表4。

表1 方波信號(hào)幅度準(zhǔn)確度

表2 方波信號(hào)頻率準(zhǔn)確度

表3 三角波信號(hào)頻率幅度準(zhǔn)確度

表4 正弦波信號(hào)頻率幅度準(zhǔn)確度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明研制的表面肌電儀計(jì)量校準(zhǔn)裝置幅度誤差≤±2%，頻率誤差≤±1%，滿足JJF 1470-2014 多參數(shù)生理模擬儀校準(zhǔn)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

采用直接頻率合成技術(shù)研制的表面肌電儀校準(zhǔn)裝置具有攜帶方便、結(jié)構(gòu)合理、操作簡單等特點(diǎn)，同時(shí)頻率、幅度示值誤差等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，經(jīng)過計(jì)量檢定后能夠滿足表面肌電儀計(jì)量檢定需要。