林善明，曲李虎，陳 偉

(1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022; 2.河海大學(xué)傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

基于ZigBee的無(wú)線肌電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林善明1，2，曲李虎1，2，陳 偉1，2

(1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022; 2.河海大學(xué)傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

針對(duì)目前表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)尺寸大，不易攜帶的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線表面肌電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由前置放大電路、帶通信號(hào)調(diào)理電路和基于單片機(jī)CC2430的無(wú)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(hào)，實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)的采集和與上位機(jī)的無(wú)線射頻通信。應(yīng)用實(shí)踐表明，此系統(tǒng)能夠通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)人體肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，具有移動(dòng)性和便攜性，因此能廣泛適用于健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和醫(yī)院移動(dòng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

ZigBee技術(shù);無(wú)線肌電信號(hào)檢測(cè);CC2430單片機(jī)

1 引言

表面肌電信號(hào)sEMG(surface Electromyography)是一種非常微弱的信號(hào)，是肌肉中許多運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間上和空間上的疊加，反應(yīng)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(jìn)行肌電圖檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是干擾小，定位性好，易識(shí)別。但由于它是一種有創(chuàng)的檢測(cè)方法，且體積較大，不夠靈活，其應(yīng)用受到一定限制。表面肌電信號(hào)檢測(cè)則是通過(guò)表面肌電電極從人體皮膚表面記錄神經(jīng)肌肉活動(dòng)時(shí)發(fā)放的生物電信號(hào)，具有無(wú)創(chuàng)性，操作簡(jiǎn)單，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究臨床診斷和康復(fù)工程中有廣泛的應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線采集方案越來(lái)越得到廣泛應(yīng)用?；赯igBee無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線表面肌電信號(hào)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(diǎn)，克服了采用有線采集方案活動(dòng)范圍受限制的缺陷。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)采集和處理單元、CC2430主控單元和ZigBee無(wú)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(shí)，先由CC2430控制單元發(fā)出開(kāi)始采集肌電信號(hào)的指令，信號(hào)檢測(cè)模塊開(kāi)始工作，然后將肌電電極采集到的原始信號(hào)通過(guò)模擬電路的預(yù)處理送至CC2430進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給控制單元中的信息處理單元，最后將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊單元發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于后續(xù)的分析和處理。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

sEMG信號(hào)是一種微弱的非平穩(wěn)隨機(jī)電信號(hào)，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(cè)過(guò)程中電極和皮膚表面接觸處會(huì)有較大的直流電壓產(chǎn)生，若將采集到的信號(hào)直接輸入高增益放大器，會(huì)造成放大器的飽和，丟失信號(hào)的有用信息，故采用多級(jí)逐步放大。模擬信號(hào)采集和處理單元電路圖如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)采集和處理單元電路圖

3.1 前置放大電路和補(bǔ)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(diǎn)。在整個(gè)電路的工作過(guò)程中，要求總的放大倍數(shù)為1000倍左右，而小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則要求前級(jí)增益不宜過(guò)高，否則不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理，所以此處設(shè)定為8倍增益。由AD620的增益計(jì)算公式可知:

電路仿真如圖3(a)所示。

為了抵消人體信號(hào)源中的各種噪聲干擾，引入補(bǔ)償電路，在前置放大電路反饋端與信號(hào)源地端建立共模負(fù)反饋，放大的反饋信號(hào)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(yùn)放AD705JR、R4、R5、C1組成補(bǔ)償電路。

3.2 濾波電路

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

實(shí)際測(cè)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(guò)仿真驗(yàn)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(hào)檢測(cè)過(guò)程中一種很嚴(yán)重的干擾。傳統(tǒng)雙T電路廣泛應(yīng)用在零值網(wǎng)絡(luò)中，但Q值固定在1/4，這里引入正反饋來(lái)提高Q值。實(shí)驗(yàn)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(hào)處理與濾波，前置放大電路對(duì)信號(hào)只放大了8倍，整體電路的放大倍數(shù)為1000倍，所以此處設(shè)置增益為1000/8=125倍。電路中第一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器，用來(lái)提高輸入阻抗，第二個(gè)運(yùn)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(guò)前面電路的放大濾波，已經(jīng)可以得到一個(gè)伏特級(jí)且信號(hào)比較純凈的表面肌電信號(hào)了，但是這個(gè)信號(hào)存在小于零的部分，為了減少信號(hào)損失，便于A/D轉(zhuǎn)換，需要將信號(hào)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(yīng)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(shè)計(jì)

4.1 CC2430單片機(jī)

設(shè)計(jì)的無(wú)線發(fā)送模塊中采用TI公司生產(chǎn)的芯片CC2430實(shí)現(xiàn)模塊整體控制。CC2430在單個(gè)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(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)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(zhǎng)期供電的應(yīng)用場(chǎng)合。

4.2 CC2430軟件設(shè)計(jì)

在軟件實(shí)現(xiàn)中采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主功能模塊和子功能模塊，包括了A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)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(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。CC2430單片機(jī)自帶14位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足表面肌電信號(hào)采樣的基本要求，采樣率設(shè)定為500Hz，采樣過(guò)程中模擬信號(hào)輸入到CC2430的P0.0口，由A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)，通過(guò)CC2430自身攜帶的ZigBee無(wú)線通訊單元以無(wú)線方式發(fā)送至上位機(jī)，用于波形顯示和其他功能實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 CC2430軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了以CC2430單片機(jī)為控制單元的表面肌電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用其自帶的2.4GHz ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)的檢測(cè)和無(wú)線發(fā)送，與傳統(tǒng)有線測(cè)量方法相比，具有操作方便快捷，成本低，易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以加入心電信號(hào)檢測(cè)、體溫測(cè)量等模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、健康檢測(cè)的功能，具有廣闊的應(yīng)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(cè)技術(shù)與智能系統(tǒng)。

2014－01－27