姜 磊，杜冬梅

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，是電極接觸到的許多單元發(fā)放的動(dòng)作電位的總和，反映了神經(jīng)肌肉的活動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)了高性能的印制電極和具有高共模抑制比、抗干擾能力強(qiáng)的信號調(diào)理電路，并通過控制核心CC430單片機(jī)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(shí)驗(yàn)效果，為之后對表面肌電信號進(jìn)行分析辨識并通過肌電信號作為控制信號驅(qū)動(dòng)輪椅電機(jī)打下堅(jiān)實(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)CC1101與上位機(jī)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(jì)、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(jì)

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(gè)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(diǎn)(接地點(diǎn))，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(gè)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(jì)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(qiáng).

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

3 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jì)擬將表面肌電信號放大250倍，并進(jìn)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(dá)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(jìn)行一階高通濾波以抑制運(yùn)動(dòng)偽跡的影響.

前級儀用放大器的選用主要考慮以下幾個(gè)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(jìn)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(gè)儀表放大器，體積小、功耗低，符合整個(gè)低功耗的設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的噪聲，就要在前置放大器實(shí)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(jì)濾波器截止頻率為10 Hz，計(jì)算得R1=1 592 Ω，實(shí)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(shí)際電路中采用AD8222作為前置放大器完全能夠符合整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.

3.2 10～1 000 Hz帶通濾波電路設(shè)計(jì)

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(jì)要求.根據(jù)總體放大倍數(shù)250倍的設(shè)計(jì)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(shí)，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(qiáng)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(dá)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(jì)

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

軟件設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(jì)選用CC430內(nèi)部32 K時(shí)鐘源，由定時(shí)器中斷(100 Hz)獲得時(shí)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(jìn)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(jì)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(dòng)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(gè)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(jìn)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(jī).

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(jī)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(gè)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(shí)用性、便捷性和實(shí)時(shí)性，為以后對肌電信號進(jìn)行分析辨識提供了良好的硬件平臺(tái)，也為今后將肌電信號作為控制信號驅(qū)動(dòng)輪椅電機(jī)打下基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn):

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