摘 要:研制一種基于嵌入式技術(shù)的便攜式表面肌電信號采集儀，以ARM7微處理器AT91SAM7SE512為核心，包含肌電采集放大、A/D轉(zhuǎn)換、帶觸摸屏的液晶顯示、USB有線傳輸、Xbee無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲等多個組成部分。采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)和基于μC/GUI的圖形化界面，性能穩(wěn)定，操作簡便。為了方便用戶資料及肌電數(shù)據(jù)的管理，移植了FATFS文件系統(tǒng)。低功耗和微型化設(shè)計(jì)提高了設(shè)備的便攜性，有利于提高表面肌電信號采集儀在運(yùn)動員訓(xùn)練中的使用率。

關(guān)鍵詞:表面肌電;AT91SAM7SE512;μC/OS-Ⅱ;USB;FATFS

中圖分類號:R318.6;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)06-055-03

Design of Surface EMG Acquisition Instrument Based on Embedded Technology

ZHOU Bing，JI Xiaoliang，ZHANG Rong，ZHANG Haifeng，HE Aijun

(Institute for Biomedical Electronic Engineering，Department of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing，210093，China)

Abstract:A design of surface electromyography(sEMG)acquisition instrument based on embedded technology is proposed.The instrument equips AT91SAM7SE512 microprocessor as its main controller，contains many other components such as sEMG amplifiers，AD convertors，LCD display with touch screen，USB cable transmission，Xbee wireless transmission and data storage device.It utilizes the μC/OS-Ⅱ operating system and μC/GUI，and has stable performance and friendly operating interface.At the same time，for convenience of the user data and sEMG data management，F(xiàn)ATFS file system is transplanted.The design of low power consumption and miniaturization improves portability of the equipment and it is beneficial to increase the utilization rate of sEMG acquisition instruments in the athletes training.

Keywords:surface electromyography;AT91SAM7SE512;μC/OS-Ⅱ;USB;FATFS

0 引 言

運(yùn)動性肌疲勞是體育界和運(yùn)動醫(yī)學(xué)界十分關(guān)注的課題。目前，許多研究致力于尋找評定和預(yù)防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數(shù)研究是從全身的生理、生化狀況來推斷肌肉的功能狀況，直接進(jìn)行局部肌肉的研究還很少[1]。表面肌電信號(sEMG信號)是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號[2]，信號形態(tài)具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性[3]。它與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能評價(jià)以及在體育科學(xué)中的疲勞判定、運(yùn)動技術(shù)合理性分析等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值[4]。表面肌電信號采集屬無創(chuàng)性，操作簡單，病人易接受，有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。

這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運(yùn)動員的訓(xùn)練中。本文主要介紹表面肌電信號采集儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的控制核心選擇Atmel公司的AT91SAM7SE512處理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微處理器，可針對交互式終端類和工業(yè)控制類等多種嵌入式應(yīng)用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設(shè)備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統(tǒng)高速并行BUS等總線接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開銷，為用戶開發(fā)簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配備了8 MB的SDRAM，1 GB的NANFLASH等存儲芯片，對外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對其余外部模塊(表面肌電信號采集模塊、人機(jī)接口模塊、Xbee無線通信模塊等)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

整個系統(tǒng)的工作流程如下:兩個通道的表面肌電信號被表面電極拾取，首先通過硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進(jìn)行2 500 Hz采樣與A/D轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換好的雙通道數(shù)據(jù)通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處理分兩種情況:在沒有連接使用PC端時，本地進(jìn)行實(shí)時濾波、簡單分析、顯示、存儲;在連接使用PC端時，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲數(shù)據(jù)的情況下，可以進(jìn)行表面肌電波形的回放。以上所有人機(jī)交換操作是通過采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的需求，因而現(xiàn)在常采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)RTOS開發(fā)實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開發(fā)周期更短。μC/OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，代碼規(guī)模極小，運(yùn)行穩(wěn)定，執(zhí)行效率高，實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)在諸多RTOS中擁有自己的一席之地[6]。代碼采用ANSIC編寫，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過程中只需對與處理器相關(guān)的一些代碼進(jìn)行修改[7]。

同時為了進(jìn)一步增強(qiáng)軟件的可操作性，該系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上移植了μC/GUI，用作用戶圖形界面設(shè)計(jì)。μC/GUI是由Micrium公司專門針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一款圖形開發(fā)系統(tǒng)。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，適用于單任務(wù)或者多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。

另外，為了方便對于用戶資料和肌電數(shù)據(jù)的存儲與操作，在SD卡存儲機(jī)制上，移植了FATFS文件系統(tǒng)。FATFS是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨(dú)立性，可以移植到多種平臺而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲介質(zhì)讀/寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時間的實(shí)時時鐘。

2.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)圍繞表面肌電采集儀的幾個基本功能來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要分成下面幾個部分:

(1) 肌電采集顯示，用于控制對肌電信號的實(shí)時采集、分析處理、顯示和存儲;

(2) 本地肌電回放，用于對已存儲在SD卡中的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，并支持對無用肌電數(shù)據(jù)文件的刪除操作;

(3) 肌電采集傳輸，選擇傳輸模式向PC端實(shí)時發(fā)送采集的肌電數(shù)據(jù);

(4) 用戶設(shè)置，用于設(shè)置用戶ID及實(shí)時時鐘初始值等參數(shù)。以上各功能均在μC/GUI用戶圖形界面上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

如圖2所示，依據(jù)表面肌電采集儀的功能要求，在μC/OS-Ⅱ下設(shè)計(jì)了肌電采集任務(wù);液晶屏顯示任務(wù);觸摸屏輸入任務(wù);肌電回放任務(wù)。

其他所需功能均做成模塊，集成在上述某一任務(wù)中。

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度的操作系統(tǒng)，優(yōu)先權(quán)的設(shè)置非常重要。該系統(tǒng)根據(jù)整個系統(tǒng)運(yùn)行的時序，將對系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對實(shí)時性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)成較高的優(yōu)先級[8]。以下分別介紹這幾個任務(wù)和功能模塊。

2.2 肌電采集任務(wù)

肌電采集任務(wù)用于對經(jīng)過硬件放大與濾波后的雙通道肌電信號進(jìn)行2 500 Hz采樣與A/D轉(zhuǎn)換，并將其通過SPI總線接口傳輸至主芯片中以進(jìn)行后續(xù)處理。基于肌電采集的實(shí)時性要求，在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中，將肌電采集任務(wù)設(shè)置為除系統(tǒng)內(nèi)核使用的優(yōu)先級外最高的優(yōu)先級，同時為滿足肌電采集的精確性要求，通過啟動定時器中斷來運(yùn)行肌電采集任務(wù)。

肌電采集任務(wù)分兩種情況運(yùn)行:第一種，本地采集顯示，此時運(yùn)行該任務(wù)前會被要求輸入存儲文件名，然后在采集肌電同時，調(diào)用下文的肌電濾波模塊進(jìn)行濾波和調(diào)用文件存儲模塊進(jìn)行實(shí)時存儲數(shù)據(jù)，濾波后的肌電數(shù)據(jù)和已采集的時間會送到下文液晶屏顯示任務(wù)中同步顯示出來;第二種，肌電采集并與PC端交互，此時啟動任務(wù)需先選擇USB通信與Xbee無線模塊通信中的一種，然后才能啟動肌電采集任務(wù)，并將原始肌電數(shù)據(jù)傳輸給PC端進(jìn)行處理。

2.3 肌電回放任務(wù)

為了使用戶能隨時回放已保存的本地肌電數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了該肌電回放任務(wù)。通過采用定時器中斷來定時讀取文件中的肌電數(shù)據(jù)，并發(fā)送給下文的液晶屏顯示任務(wù)來實(shí)現(xiàn)波形的復(fù)原顯示。同時，為了便于用戶反復(fù)觀看某一段波形，該任務(wù)支持對肌電波形的顯示與暫停，以及對波形顯示的前翻與回翻一屏操作。

2.4 液晶屏顯示任務(wù)

為了使用戶能夠了解系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，同時可使用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互，在μC/OS-Ⅱ和μC/GUI的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了液晶屏顯示任務(wù)。液晶屏顯示任務(wù)負(fù)責(zé)通告當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)與運(yùn)行過程，包括μC/GUI支持下的各種圖形界面。具體來說，這里集成了肌電采集、顯示與回放、時間顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)USB或Xbee傳輸?shù)鹊膱D形界面。

因?yàn)樵撊蝿?wù)實(shí)時性要求不高，故對其設(shè)計(jì)了最低的任務(wù)優(yōu)先級。

2.5 觸摸屏輸入任務(wù)

為了人機(jī)交互的方便與系統(tǒng)整體的簡潔，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互輸入。該任務(wù)在系統(tǒng)啟動時就開始工作，采集并處理用戶通過觸摸液晶屏輸入的信息，并將得到的用戶命令發(fā)送給μC/OS-Ⅱ與μC/GUI，以完成人機(jī)交互。

由于用戶輸入必須保證一定的實(shí)時性，以便使用戶不會感受到系統(tǒng)大的延時，在此對觸摸屏輸入任務(wù)設(shè)計(jì)了僅低于肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)的第三高優(yōu)先級。

2.6 其他功能模塊

除了以上幾個任務(wù)之外，設(shè)計(jì)了幾個功能模塊輔助以上幾個任務(wù)，具體如下:

(1) 實(shí)時時鐘模塊。在AT91SAM7SE512芯片外擴(kuò)展了一片實(shí)時時鐘PCF8563用來為系統(tǒng)提供實(shí)時時鐘值，以便記錄用戶肌電數(shù)據(jù)采集時的具體時刻。PCF8563通過TWI(I2C)接口與AT91SAM7SE512芯片通信。

(2) 定時器中斷模塊。在AT91SAM7SE512芯片中啟動定時器中斷來支持肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)。定時器中斷頻率設(shè)計(jì)為2 500 Hz，用來在肌電采集任務(wù)中定時向ADC發(fā)送采樣轉(zhuǎn)換指令，并讀取雙通道肌電信號的數(shù)據(jù)，或者在肌電回放任務(wù)中定時從肌電文件中讀取雙通道肌電數(shù)據(jù)。

(3) 文件系統(tǒng)模塊。為了方便肌電數(shù)據(jù)在SD卡中的存儲和處理，在以SPI模式讀寫SD卡的基礎(chǔ)上移植了FATFS文件系統(tǒng)模塊來管理肌電數(shù)據(jù)。FATFS可以使用戶方便地存儲數(shù)據(jù)文件，讀取數(shù)據(jù)文件與刪除無用文件。

(4) 通信模塊。為了使采集的肌電能實(shí)時傳輸給PC端處理，設(shè)計(jì)USB有線與Xbee無線兩種通信模塊。USB有線通信，利用片上USB外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)與PC端的數(shù)據(jù)交互;Xbee無線通信，利用片上UART接口操作本地Xbee無線模塊與PC端的Xbee無線模塊通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端處理的功能。

(5) 用戶設(shè)置模塊。對每一部設(shè)備而言，均有一些設(shè)置需要用戶更改，如用戶ID等。為便于在掉電狀態(tài)下保存此類信息，采用一片非易失性鐵電存儲器FM24CL64來保存此類信息。該存儲芯片通過TWI(I2C)接口與主芯片通信，可隨時讀取與保存用戶設(shè)置信息。每次系統(tǒng)啟動時，都會自動讀入用戶已存儲好的設(shè)置信息。

(6) 肌電濾波與分析模塊。表面肌電信號的頻率范圍為10～500 Hz。由于50 Hz工頻噪聲干擾處于表面肌電信號能量集中的頻段，且幅值較大，如果不做處理，肌電信號將被工頻噪聲所淹沒[9]。因此在本地采集顯示時，選用嵌入式環(huán)境中應(yīng)用廣泛的梳狀濾波器。梳狀濾波器可以有效濾除50 Hz工頻干擾和基線漂移，Q值足夠高，盡量少影響有效肌電信號，并且計(jì)算量很少，且沒有浮點(diǎn)運(yùn)算，非常適宜用于嵌入式環(huán)境中。另外，為讓用戶直觀地感受肌電信號，在肌電波形顯示窗口旁邊做了一個可以上下浮動的氣球，根據(jù)本地濾波后的肌電數(shù)據(jù)平滑平均并與參考值比較后的兩者差值上下浮動。

3 結(jié) 語

肌電信號在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷、康復(fù)工程等方面有著廣泛應(yīng)用，對它的檢測分析已成為醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程界研究的熱點(diǎn)問題之一[10]。這里研制的表面肌電信號采集儀，基于嵌入式ARM技術(shù)構(gòu)建，體積小，重量輕，功耗低，通信方便，穩(wěn)定性較好，界面簡潔人性化，操作方便，在實(shí)踐中證明能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能采集到清晰的肌電信號。采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)與μC/GUI圖形用戶界面，便于后續(xù)研發(fā)中添加功能模塊與新任務(wù)。另外，若前端配用不同的傳感器，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對其他生理信號的采集和分析處理。

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