姜 磊，杜冬梅

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

肌電信號(EMG)發(fā)源于作為中樞神經(jīng)一部分脊髓中的運動神經(jīng)元，是電極接觸到的許多單元發(fā)放的動作電位的總和，反映了神經(jīng)肌肉的活動和功能狀態(tài).表面肌電信號(SEMG)是從人體骨骼肌表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉活動發(fā)放的生物電信號，它的應(yīng)用已經(jīng)深入了到臨床醫(yī)學(xué)、運動控制、生物醫(yī)學(xué)與康復(fù)工程等諸多領(lǐng)域[1].

人體皮膚表面的肌電信號幅值約為10～5 000 μV，能量主要集中在10～500 Hz，信號微弱，易受干擾[2].因此，用電極采集過來的表面肌電信號必須經(jīng)過放大濾波，才能被有效地識別.本研究設(shè)計了高性能的印制電極和具有高共模抑制比、抗干擾能力強的信號調(diào)理電路，并通過控制核心CC430單片機來完成高精度的A/D轉(zhuǎn)換以及433 MHz無線射頻通信，取得了良好的實驗效果，為之后對表面肌電信號進行分析辨識并通過肌電信號作為控制信號驅(qū)動輪椅電機打下堅實的基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由印制電極、模擬信號前置放大器、1～10 kHz的帶通濾波器以及由主控芯片CC430和射頻芯片CC1101構(gòu)成的無線射頻433 MHz的收發(fā)模塊組成，通過SPI轉(zhuǎn)換USB芯片CH341來實現(xiàn)CC1101與上位機的通信和編程設(shè)置.本研究的工作主要集中在印制電極的設(shè)計、肌電信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換以及433 MHz射頻收發(fā)模塊的通信.

本系統(tǒng)SEMG采集調(diào)理電路及CC430無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊采用鋰電池供電，以CC1101為核心的無線數(shù)據(jù)接收模塊采用USB供電.

圖1 肌電信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Circuit structure diagram of SEMG acquisition

2 印制陣列電極的設(shè)計

與普通的Ag/AgCl電極相比，印制電極不需要涂抹導(dǎo)電膏和電解溶液，具有佩戴便捷性和舒適性[3].如圖2(a)所示，單個印制電極由銅制圓盤、導(dǎo)電孔和屏蔽層3部分組成.銅制圓盤是使用印刷電路板的方式印制而成，直徑為2.5 mm.圓盤中心通過導(dǎo)電孔與其他電氣層連接，并在圓盤上鍍鎳，在鎳上鍍厚度為0.1 μm的金層就形成表面肌電印制電極[4].電極的外部用作參考點(接地點)，以減少電路串?dāng)_、提高電路可靠性.如圖2(b)所示，電極陣列式排列，相鄰兩個電極的間距5 mm，中心電極為參考電極，與電路板GND相連.中心電極的上、下和左、右兩對電極分別作為信號采集通道1和2的差分式輸入端.本設(shè)計的陣列式電極體積小，而且集成了兩對差分式電極作為信號采集輸入端，結(jié)構(gòu)上互相垂直，可以有效地采集表面肌電信號，抗干擾能力強.

圖2 陣列式印制電極Fig.2 Array type printing electrode

3 硬件電路設(shè)計

表面肌電信號幅值為10～5 000 μV，頻率范圍為20～500 Hz[5].根據(jù)表面肌電信號的幅值和頻率范圍，本電路設(shè)計擬將表面肌電信號放大250倍，并進行10～1 000 Hz的帶通濾波.由于CC430內(nèi)部設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍在0～2.5 V，而表面肌電信號的電壓范圍在-5～5 mV，放大250倍后電壓范圍在-1.25～1.25 V，所以需要外部基準(zhǔn)電壓1.25 V，將采集過來的信號抬高，使輸入電壓達到0～2.5 V.硬件電路主要由肌電信號調(diào)理電路和信號采集與無線收發(fā)電路兩部分組成.肌電信號調(diào)理電路包括前級放大電路和10～1 000 Hz帶通濾波電路.

3.1 前級放大電路

前級放大電路由儀用放大器U1與周圍阻容元件構(gòu)成，對差分電極CH1+，CH1-上的SEMG信號放大一定倍數(shù)，并利用電阻R1和電容C1串聯(lián)的特性進行一階高通濾波以抑制運動偽跡的影響.

前級儀用放大器的選用主要考慮以下幾個重要參數(shù)：①輸入電壓噪聲和峰峰值噪聲電壓；②共模抑制比CMRR.對幾種儀用放大器的性能指標(biāo)進行比較，結(jié)果如表1所示.AD公司的儀用放大器AD8222的噪聲最小，有較高的共模抑制比，而且集成兩個儀表放大器，體積小、功耗低，符合整個低功耗的設(shè)計要求.

表1 幾種儀用放大器的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance index of several instrumentation amplifiers

根據(jù)多級放大器的噪聲合成原理，要想減少整個系統(tǒng)的噪聲，就要在前置放大器實現(xiàn)較大的增益.前級放大器的增益主要由R1決定，而R1和C1共同決定前級放大器的高通濾波截止頻率.AD8222的增益公式和高通濾波的截止頻率公式如下：

G=1+49.4kΩ/R1，

(1)

f=1/2πR1C1.

(2)

選取C1=10 μF，設(shè)計濾波器截止頻率為10 Hz，計算得R1=1 592 Ω，實際取R1為1.5 kΩ.根據(jù)公式(1)，可得前級放大倍數(shù)約30倍.實際電路中采用AD8222作為前置放大器完全能夠符合整個系統(tǒng)的設(shè)計要求.

3.2 10～1 000 Hz帶通濾波電路設(shè)計

后級放大器選用4通道模擬量輸入的OPA4347，選用兩片OPA4347即可完成8通道模擬輸入.OPA4347為SO-14封裝，體積小、功耗低，大大減少了對電路板的面積需求，符合整體系統(tǒng)的設(shè)計要求.根據(jù)總體放大倍數(shù)250倍的設(shè)計要求，前級放大器放大約30倍，則后級放大倍數(shù)約8倍.同時，要求10～1 000 Hz的帶通濾波，為保證帶內(nèi)增益的平坦，選用巴特沃斯帶通濾波器.肌電信號調(diào)理電路的幅頻特性曲線如圖3所示.由幅頻特性曲線可以看出，在10～1 000 Hz范圍內(nèi)，信號增益穩(wěn)定在43 dB，放大約為250倍，取得了良好的效果.在10～1 000 Hz范圍以外的信號增益低于43 dB，有不同程度的衰減.

圖3 肌電信號調(diào)理電路的幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude and frequency characteristic curve of SEMG conditioning circuit

3.3 信號采集與無線收發(fā)電路

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的超低功耗CC430作為主控芯片來完成A/D轉(zhuǎn)換及無線數(shù)據(jù)的收發(fā).CC430充分利用TI公司業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的射頻專業(yè)技術(shù)和超低功耗MSP430的微處理器，提供了低于1 GHz的強勁的RF協(xié)議/應(yīng)用處理器[6].CC430內(nèi)部集成了12位ADC模塊和基于CC1101內(nèi)核的無線射頻模塊，加上外圍簡單的貼片式電阻、電容、電感和433 MHz天線就構(gòu)成了射頻發(fā)送電路.CC430在發(fā)送功率為10 dB的條件下，發(fā)送距離能達到100 m左右.接收電路是以射頻芯片CC1101為核心，同樣加上外圍簡單的貼片式電阻、電容、電感和433 MHz天線，通過SPI轉(zhuǎn)USB芯片CH341來實現(xiàn)與上位機的通信與數(shù)據(jù)傳輸.信號采集與無線收發(fā)電路框圖見圖4.

圖4 信號采集與無線收發(fā)電路框圖Fig.4 Signal acquisition and wireless transceiver circuit diagram

4 軟件設(shè)計

圖5 A/D轉(zhuǎn)換程序Fig.5 A/D conversion program

軟件設(shè)計主要包括主程序、初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、433 MHz無線射頻發(fā)送程序和接收器程序等，其中A/D轉(zhuǎn)換程序如圖5所示.

4.1 初始化

系統(tǒng)上電后，首先要進行初始化.初始化主要包括設(shè)置系統(tǒng)復(fù)位方式、電壓基準(zhǔn)、ADC模塊狀態(tài)、時鐘源、I/O口、串口通信、操作模式及中斷[7].設(shè)置內(nèi)容主要是相應(yīng)的特殊功能寄存器.本設(shè)計選用CC430內(nèi)部32 K時鐘源，由定時器中斷(100 Hz)獲得時鐘，配接LM236-2.5作為外部2.5 V基準(zhǔn)電壓.

4.2 8路A/D轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)初始化過后，CC430要進行8通道多次序列A/D轉(zhuǎn)換工作.肌電信號的能量主要集中在10～500 Hz，為了較好地還原原始信號波形，本設(shè)計采用5 kHz采樣頻率，采樣周期為0.2 ms[8].軟件編程主要如下：

(1)啟動A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)置采樣周期與基準(zhǔn)電壓，選取脈沖采樣模式并設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換模式為多通道序列轉(zhuǎn)換模式；

(2)設(shè)置通道序列結(jié)束控制位來判斷8通道A/D采樣是否完成；

(3)設(shè)置通道轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊，12位數(shù)據(jù)由寄存器讀入RAM中.

4.3 無線射頻通信

圖6是一個典型的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng).本研究以CC430與CC1101為核心構(gòu)成無線射頻收發(fā)模塊.CC430在完成8通道A/D采樣后，把采樣的數(shù)據(jù)打包，形成數(shù)據(jù)包通過433 MHz載波信號發(fā)送出去，再由CC1101射頻接收模塊進行接收.數(shù)據(jù)接收到后，通過總線轉(zhuǎn)換芯片CH341將SPI轉(zhuǎn)換成USB將數(shù)據(jù)傳送給上位機.

圖6 典型的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)Fig.6 Typical wireless data communication system

5 結(jié)束語

基于單片機CC430表面肌電信號的無線采集系統(tǒng)充分利用了CC430的A/D轉(zhuǎn)換模塊和433 MHz射頻收發(fā)模塊.整個系統(tǒng)都使用了超低功耗的元器件，大大降低了系統(tǒng)的能耗.在硬件上，表面肌電信號調(diào)理電路具有較好的抗干擾能力，無線射頻通信具有可靠性、實用性、便捷性和實時性，為以后對肌電信號進行分析辨識提供了良好的硬件平臺，也為今后將肌電信號作為控制信號驅(qū)動輪椅電機打下基礎(chǔ).

參考文獻:

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