林上耀，金文光，張賽賽（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州310027）

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高密度表面肌電信號(hào)無(wú)線數(shù)據(jù)采集同步機(jī)制研究*

林上耀，金文光*，張賽賽
（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州310027）

摘要：高密度表面肌電信號(hào)研究需要獲取高精度、高空間分辨率、高質(zhì)量的肌電信號(hào)，同時(shí)也對(duì)采集系統(tǒng)的便捷性、響應(yīng)性、續(xù)航能力等方面提出了更高要求。本文在考慮可穿戴性、實(shí)時(shí)性、高通量等基礎(chǔ)上，對(duì)sEMG采集系統(tǒng)架構(gòu)和傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于模塊化分層架構(gòu)、有線USB結(jié)合無(wú)線WIFI傳輸模式、異步采集和同步聚合方法、雙緩存和時(shí)隙切換的高精度同步機(jī)制的實(shí)時(shí)肌電采集通信系統(tǒng)。為驗(yàn)證系統(tǒng)功能和算法機(jī)制，本文還構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置，實(shí)現(xiàn)了128通道1 kHz采樣率16 bit精度sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。通過(guò)測(cè)試，在采用通信周期為50 ms下，通道間同步誤差小于320 μs，刷新率可達(dá)20 Hz，系統(tǒng)的平均延時(shí)小于80 ms。

關(guān)鍵詞：表面肌電信號(hào)；高密度表面肌電信號(hào)；多通道；時(shí)隙切換；時(shí)間同步；實(shí)時(shí)傳輸

表面肌電信號(hào)sEMG（surface Electromyography）是人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的生物電信號(hào)，與肌肉活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在不同程度的關(guān)聯(lián)性，反映了人體重要的生理狀態(tài)和醫(yī)學(xué)信息。sEMG研究具有較高的實(shí)際價(jià)值，其日益廣泛地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的神經(jīng)肌肉疾病輔助診斷［1］，醫(yī)學(xué)康復(fù)訓(xùn)練［2］，體育科學(xué)領(lǐng)域的肌肉疲勞評(píng)估［3］和運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析，以及人機(jī)交互領(lǐng)域的遠(yuǎn)程遙控，體感游戲，虛擬現(xiàn)實(shí)等方面［4-5］。

早期sEMG的研究主要集中在對(duì)少數(shù)獨(dú)立通道進(jìn)行時(shí)域和頻域的研究［6-7］。近年來(lái)隨著對(duì)人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)進(jìn)步和研究的深入，對(duì)sEMG的研究朝向多通道、陣列式方向發(fā)展，而在此基礎(chǔ)上興起的高密度表面肌電信號(hào)HD-sEMG（High Densi?ty surface Electromyography）［8-10］，通過(guò)緊密相鄰的電極陣列來(lái)獲取高密度的多通道sEMG信號(hào)，能夠獲取表面肌電信號(hào)的空間拓?fù)浞植迹瑥亩玫礁迂S富的肌肉活動(dòng)信息，有助于分析單肌肉和多肌群活動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

伴隨應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，近年來(lái)sEMG的采集裝置也在不斷變化，從集中式到分布式，從單片系統(tǒng)到模塊化設(shè)計(jì)，而通信方式逐漸從有線演變成無(wú)線或者兩者結(jié)合，包括基于藍(lán)牙、Zigbee、WIFI、USB、SPI等通信方式［11-12］的系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)電極陣列的設(shè)計(jì)、前端電路的微型化、信號(hào)分析識(shí)別等技術(shù)［13-14］的也正進(jìn)行關(guān)鍵性的演進(jìn)。然而現(xiàn)有的采集系統(tǒng)［15-16］主要基于獨(dú)立通道模式進(jìn)行采集，系統(tǒng)容量受限，無(wú)法采集高密度肌電信號(hào)，且往往局限于特定的應(yīng)用，擴(kuò)展性較弱。同時(shí)由于處于實(shí)驗(yàn)階段，部分裝置的集成性較低，不易穿戴，無(wú)法適合大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

本文的工作主要致力于研究可穿戴式的高密度陣列sEMG信號(hào)的采集和傳輸，通過(guò)合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)便于通道的擴(kuò)展并減少噪聲干擾的引入，結(jié)合有線的USB和無(wú)線的WIFI以保證傳輸效率的同時(shí)提高便捷性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的同步機(jī)制和實(shí)時(shí)性進(jìn)行深入優(yōu)化，最后設(shè)計(jì)一套可用的評(píng)估系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證上述功能要求。

1　sEMG采集系統(tǒng)架構(gòu)

1.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)建

系統(tǒng)架構(gòu)指導(dǎo)著整體的設(shè)計(jì)，需要合理選擇和整合各種技術(shù)，并考慮模塊間的依賴關(guān)系，以滿足HD-sEMG信號(hào)采集和傳輸。同時(shí)為了后續(xù)擴(kuò)展和升級(jí)且適應(yīng)不同的應(yīng)用，還需要考慮架構(gòu)的可擴(kuò)展性、伸縮性并降低不同模塊間的耦合程度。另外可穿戴性也需要進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，在滿足要求的同時(shí)盡量改善便捷性。下圖即是本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的總體架構(gòu)概覽。

整個(gè)系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)：采集節(jié)點(diǎn)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)和PC平臺(tái)，其中采集節(jié)點(diǎn)與設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間采用USB進(jìn)行通信，而設(shè)備節(jié)點(diǎn)與PC平臺(tái)間則通過(guò)WIFI進(jìn)行通信。通過(guò)有線聯(lián)通無(wú)線隔離的數(shù)據(jù)傳輸方式，有利于獨(dú)立并行采集人體sEMG信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高效和便捷性結(jié)合，同時(shí)采集節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)由電池供電，避免了電力線工頻干擾的引入。另外，采集節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以水平擴(kuò)展增加sEMG采集的通道數(shù)量。

圖1　系統(tǒng)整體架構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)包括高密度陣列電極，前置二級(jí)濾波與放大電路，構(gòu)成了16路sEMG信號(hào)通道，再經(jīng)ADS1198（ADC）和MKL25Z（MCU）模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，其中ADC采樣頻率設(shè)置為1 kHz，精度為16bit。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)采用飛凌公司基于ARM11核的OK6410核心板進(jìn)行定制擴(kuò)展，并搭載了嵌入式linux操作系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)置的USB接口和外置的WIFI模塊，配合USB Hub和WIFI AP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和傳輸。其中USB Hub采用湯銘公司FE2.1芯片設(shè)計(jì)，默認(rèn)配置2級(jí)FE2.1芯片構(gòu)成13個(gè)USB下行端口。

PC平臺(tái)則為運(yùn)行Windows或者Linux的操作系統(tǒng)的普通個(gè)人電腦或者小型服務(wù)器。其運(yùn)行的上位機(jī)監(jiān)聽(tīng)等待下位機(jī)的連接注冊(cè)，負(fù)責(zé)管理和收集設(shè)備節(jié)點(diǎn)所采集到的人體sEMG信號(hào)并進(jìn)行分析和呈現(xiàn)。

1.2系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)建

為了配合硬件系統(tǒng)工作和驗(yàn)證，本文研發(fā)了sEMG信號(hào)實(shí)時(shí)采集、傳輸和顯示的軟件平臺(tái)。其中采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獨(dú)立采集多通道肌電數(shù)據(jù)，而構(gòu)建于linux操作系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的程序?qū)崿F(xiàn)多采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚處理和傳輸，通過(guò)與采集節(jié)點(diǎn)和PC平臺(tái)通信，形成了從人體到PC平臺(tái)的數(shù)據(jù)通路。PC平臺(tái)程序通過(guò)WIFI接收來(lái)自設(shè)備節(jié)點(diǎn)的HD-sEMG信號(hào)，負(fù)責(zé)波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通道檢測(cè)等功能。

1.2.1采集節(jié)點(diǎn)程序

采集節(jié)點(diǎn)軟件位于系統(tǒng)的前端，主要包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在與上層的設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信協(xié)調(diào)后，中斷監(jiān)聽(tīng)指定同步包，并驅(qū)動(dòng)ADC芯片定時(shí)采集多通道肌電數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后進(jìn)行封裝，累積預(yù)定數(shù)據(jù)量并切換緩存后通過(guò)USB模塊轉(zhuǎn)發(fā)至上層設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

1.2.2設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

依據(jù)業(yè)務(wù)，將整個(gè)程序的功能劃分成3個(gè)任務(wù)：采集，處理和傳輸。每個(gè)任務(wù)都通過(guò)獨(dú)立的線程執(zhí)行，main線程負(fù)責(zé)初始化并開(kāi)啟其他線程，collect線程負(fù)責(zé)收集兩種數(shù)據(jù)，process線程負(fù)責(zé)解析、預(yù)處理、匯聚，socket線程負(fù)責(zé)按照預(yù)定協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。通過(guò)將不同的串行任務(wù)隔離開(kāi)，不同任務(wù)間通過(guò)消息隊(duì)列進(jìn)行同步，最大程度上提高了系統(tǒng)的并發(fā)性。

圖2　設(shè)備節(jié)點(diǎn)多線程程序流程圖

1.2.3PC平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

PC平臺(tái)程序位于系統(tǒng)的后端，負(fù)責(zé)接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，并向外提供數(shù)據(jù)接口、人機(jī)界面等功能。其中每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)和所關(guān)聯(lián)的若干子采集節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)人體，程序的運(yùn)行環(huán)境可為Windows或Linux系統(tǒng)。

PC平臺(tái)程序主要包括3層架構(gòu)，分別是設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，DLL抽象層和應(yīng)用層。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層包含網(wǎng)絡(luò)通信程序，負(fù)責(zé)接收、解析來(lái)自設(shè)備節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；DLL抽象層負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)接口、控制接口和狀態(tài)接口以便外部調(diào)用；應(yīng)用層則包括波形顯示、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通道在線檢測(cè)、增益控制等功能。其中應(yīng)用層使用C#編寫以實(shí)現(xiàn)窗體界面，下面兩層則使用C++編寫以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)。并將程序以執(zhí)行情況劃分成兩個(gè)線程，應(yīng)用層和DLL抽象層由一線程執(zhí)行，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)層則由另一常駐線程執(zhí)行，以保證數(shù)據(jù)匯聚工作的優(yōu)先執(zhí)行。

2　通信機(jī)制與算法設(shè)計(jì)

sEMG采集系統(tǒng)的通信架構(gòu)是系統(tǒng)運(yùn)行的基石。高通量及高采樣率的肌電數(shù)據(jù)流的可靠實(shí)時(shí)傳輸對(duì)系統(tǒng)具有一定挑戰(zhàn)，且由于高密度sEMG對(duì)高空間分辨率的固在需求，需要解決不同通道間的嚴(yán)格時(shí)間同步問(wèn)題，同時(shí)人機(jī)交互應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)也有苛刻的要求。

本文構(gòu)建了基于USB結(jié)合WIFI的通信架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種基于雙緩存和時(shí)隙切換的高精度同步算法，采用異步采集和同步聚合的方式，解決數(shù)據(jù)匯聚周期一致性性和多通道數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)分析系統(tǒng)的采集傳輸延時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。

2.1全局時(shí)隙同步通信機(jī)制

sEMG信號(hào)在人體上的傳導(dǎo)速率在4 mm/ms左右，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)采樣頻率fs為1 kHz，相鄰電極最小間距為8 mm，為了防止相鄰肌電通道的信號(hào)串?dāng)_和提高sEMG空間分辨率以滿足HD-sEMG分析需求，需要各個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)嚴(yán)格同步。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的采集節(jié)點(diǎn)之間是異步運(yùn)行的。同時(shí)在考慮到傳輸延時(shí)，協(xié)議開(kāi)銷，操作系統(tǒng)調(diào)度延時(shí)等問(wèn)題下，需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種高精度的嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制。

(5)巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)量化及歸一化。由于研究區(qū)南部和北部溝谷發(fā)育階段不同，切割深度不同，導(dǎo)致南北部坡體的巖土體結(jié)構(gòu)不同。北部地區(qū)基巖切割深度較淺，水流的側(cè)蝕和下切作用明顯，坡體主要為黃土結(jié)構(gòu)，有利于崩塌和滑坡的發(fā)生；而中南部地區(qū)，早期河流侵蝕作用強(qiáng)烈，基巖巖體切割深度較大，但由于基巖出露的位置較高，水流對(duì)覆蓋于基巖之上的黃土的側(cè)蝕和下切作用已經(jīng)不那么明顯，發(fā)生崩塌和滑坡的可能性較小。根據(jù)切割深度由南向北逐漸減小的規(guī)律，將巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行0～1之間歸一化差值處理(圖3e)。

圖3　時(shí)隙同步通信機(jī)制

sEMG通道之間的高精度同步至關(guān)重要，直接影響后續(xù)的信號(hào)處理和分析。本系統(tǒng)針對(duì)誤差因素進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)了以下同步通信機(jī)制。如圖3所示，在整個(gè)系統(tǒng)中，采集節(jié)點(diǎn)、設(shè)備節(jié)點(diǎn)、PC平臺(tái)之間的時(shí)間同步由設(shè)備節(jié)點(diǎn)控制發(fā)起。設(shè)備節(jié)點(diǎn)上USB主控制器以1ms周期定時(shí)廣播SOF（Start of Frame）同步包，其中帶有當(dāng)前幀號(hào)的標(biāo)識(shí)。而采集節(jié)點(diǎn)的MCU將設(shè)置高優(yōu)先級(jí)中斷以優(yōu)先響應(yīng)接收由USB Hub轉(zhuǎn)發(fā)的該SOF包。在系統(tǒng)初始化階段，設(shè)備節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行握手通信以協(xié)調(diào)出共同的起始幀號(hào)和每通信周期T的幀號(hào)增量以確定下一周期通信的幀號(hào)。其中由該起始幀號(hào)和幀號(hào)增量所劃分的通信周期T即為預(yù)定的采集節(jié)點(diǎn)與設(shè)備節(jié)點(diǎn)以及設(shè)備節(jié)點(diǎn)與PC之間的通信間隔，1/T就代表了通信的頻率，下一節(jié)中將對(duì)通信周期進(jìn)行詳細(xì)分析。

當(dāng)接收到預(yù)先指定幀號(hào)的廣播SOF時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)的中斷例程將進(jìn)行左右緩存切換和數(shù)據(jù)包封裝準(zhǔn)備以等待接下來(lái)的數(shù)據(jù)通信。而設(shè)備節(jié)點(diǎn)的程序則開(kāi)啟定時(shí)器負(fù)責(zé)跟蹤特定幀號(hào)的SOF包以劃分周期邊界，其collect線程將每個(gè)通信周期按子采集節(jié)點(diǎn)數(shù)劃分成N個(gè)通信時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙負(fù)責(zé)和一個(gè)子采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，完成與所有子節(jié)點(diǎn)通信后將睡眠直至下一通信周期，而處理和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)將由其他線程執(zhí)行。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)和PC平臺(tái)間的通信是基于TCP/IP協(xié)議一對(duì)一進(jìn)行的，其同步過(guò)程相對(duì)直接。設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序?qū)⒃陬A(yù)定tcp端口等待PC平臺(tái)上位機(jī)的連接，經(jīng)過(guò)握手后建立起通信邏輯鏈路。每個(gè)通信周期過(guò)程中，上位機(jī)主動(dòng)發(fā)數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，隨后將接收之前一個(gè)周期T時(shí)間內(nèi)累積的sEMG數(shù)據(jù)。而設(shè)備節(jié)點(diǎn)則是在USB通信結(jié)束并進(jìn)行處理后再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作，注意到該傳輸是可以和下一周期的USB傳輸并發(fā)進(jìn)行的。

對(duì)同步通信機(jī)制中存在的同步時(shí)間誤差進(jìn)行分析，如圖4所示，可知sEMG采集系統(tǒng)內(nèi)同步誤差的引入因素主要存在于以下幾點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)采集節(jié)點(diǎn)上ADC針對(duì)不同通道的信號(hào)采樣時(shí)間差，不同采集節(jié)點(diǎn)ADC由于工作頻率不精準(zhǔn)導(dǎo)致采樣頻率不同而累積的時(shí)間差，處理器響應(yīng)同步數(shù)據(jù)包的時(shí)間差，同步數(shù)據(jù)包傳遞延時(shí)導(dǎo)致的時(shí)間差，以及其他處理邏輯可能引入的時(shí)間差。

圖4　sEMG信號(hào)采集時(shí)間序列

如前文所述由于利用USB主控制器產(chǎn)生的同步包進(jìn)行時(shí)間戳廣播，借助于硬件實(shí)現(xiàn)而不需要引入操作系統(tǒng)干預(yù)，極大程度上保證了不同通信周期的時(shí)間長(zhǎng)度一致，同時(shí)也避免了操作系統(tǒng)調(diào)度導(dǎo)致的延時(shí)和傳統(tǒng)輪詢方法導(dǎo)致的輪詢延時(shí)問(wèn)題。然而USB Hub從上行端口接收SOF包至轉(zhuǎn)發(fā)給多個(gè)下行端口間有延時(shí)τ1，而掛接在k層USB Hub上的采集節(jié)點(diǎn)接收到SOF包將具有最大(k-1)t1的時(shí)間差。采集節(jié)點(diǎn)的每個(gè)模塊的MCU是異步運(yùn)行的，其速度和任務(wù)負(fù)載不一致，響應(yīng)同步數(shù)據(jù)包并觸發(fā)采集信號(hào)也將存在延時(shí)誤差t2。其中單個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上的16通道sEMG信號(hào)由兩個(gè)共享時(shí)鐘的ADC進(jìn)行同步采樣和轉(zhuǎn)換，被觸發(fā)后ADC將進(jìn)行fsT次連續(xù)轉(zhuǎn)換，而其采樣的時(shí)間誤差t0遠(yuǎn)小于1us，相對(duì)其它因素可以忽略。然而不同采集節(jié)點(diǎn)的ADC異步運(yùn)行且采用各自的內(nèi)部時(shí)鐘，由于時(shí)鐘存在偏差比例re，時(shí)間誤差將在一個(gè)通信周期T內(nèi)進(jìn)行累積，共產(chǎn)生最大reT的偏差，其值在同步誤差內(nèi)占用較大的比重。其他的信號(hào)傳輸延時(shí)等因素對(duì)系統(tǒng)的同步誤差影響相對(duì)不顯著，可以忽略不計(jì)。

由此可見(jiàn)，同一采集節(jié)點(diǎn)的通道基本完全同步，而系統(tǒng)內(nèi)sEMG通道信號(hào)的同步誤差主要由異步采集的不同采集節(jié)點(diǎn)間通道的同步時(shí)間誤差所決定，其主要由SOF包傳遞延時(shí)誤差，MCU同步包中斷響應(yīng)處理延時(shí)和ADC異步累積時(shí)間差所構(gòu)成：

2.2實(shí)時(shí)響應(yīng)性設(shè)計(jì)與延時(shí)優(yōu)化

在人機(jī)交互領(lǐng)域，系統(tǒng)的響應(yīng)性至關(guān)重要。從采集到肌電數(shù)據(jù)到識(shí)別出動(dòng)作結(jié)果間的延時(shí)直接影響用戶交互體驗(yàn)。該延時(shí)主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)分析識(shí)別延時(shí)，本系統(tǒng)主要涉及前者，因此需要統(tǒng)籌整個(gè)采集系統(tǒng)以降低該延時(shí)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。

如上所述，系統(tǒng)以固定周期進(jìn)行通信，該固定的通信周期T決定了系統(tǒng)的整體延時(shí)t，而該周期主要受到多個(gè)sEMG采集節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的USB通信以及設(shè)備節(jié)點(diǎn)和PC平臺(tái)間的WIFI通信兩者的共同限制，如前文所述，兩者由獨(dú)立線程并發(fā)執(zhí)行，但采集任務(wù)和處理任務(wù)則需要在WIFI發(fā)送之前完成。同時(shí)信道傳輸延時(shí)，操作線程調(diào)度，協(xié)議處理開(kāi)銷都將對(duì)系統(tǒng)延時(shí)產(chǎn)生影響。

如前文所述，設(shè)備節(jié)點(diǎn)和sEMG采集節(jié)點(diǎn)間通過(guò)USB進(jìn)行通信，通過(guò)時(shí)隙切分依次輪詢N個(gè)子采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該過(guò)程需要在周期T內(nèi)完成：

式中tu為每時(shí)隙有效數(shù)據(jù)通信時(shí)間，t1為時(shí)隙間切換的固定開(kāi)銷，包括線程調(diào)度和系統(tǒng)調(diào)用延時(shí)，而t0為采集線程被喚醒和進(jìn)行準(zhǔn)備任務(wù)的軟件延時(shí)。其中tu受到數(shù)據(jù)量影響，而t0和t1都獨(dú)立于數(shù)據(jù)量和周期T，相對(duì)固定。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流吞吐，需要滿足傳輸對(duì)應(yīng)周期T的所有sEMG通道數(shù)據(jù)流的條件，

式中s0代表總數(shù)據(jù)速率，su代表進(jìn)行USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。

由式（2）和式（3）可得，

式（4）表示了對(duì)有效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間要求，而式（5）則限制了通信周期T的選擇，其下限即代表可實(shí)現(xiàn)的最佳響應(yīng)能力。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)和PC平臺(tái)之間采用WIFI進(jìn)行通信，其對(duì)于傳輸速度和通信周期也具有限制。為了便于分析，文中將設(shè)備節(jié)點(diǎn)，WIFI AP，PC平臺(tái)三者之間的兩步通信過(guò)程合并，其中傳輸時(shí)間tw定義為從設(shè)備節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送到PC平臺(tái)接收結(jié)束的時(shí)間差，sw則為對(duì)應(yīng)的傳輸速度。t2為建立數(shù)據(jù)通信過(guò)程的軟件協(xié)議開(kāi)銷。類似前文的分析可得，

確定了通信周期T后便決定了系統(tǒng)中多個(gè)與傳輸數(shù)據(jù)量相關(guān)的時(shí)間變量，據(jù)此可對(duì)系統(tǒng)的整體延時(shí)性能進(jìn)行進(jìn)一步分析。本文所關(guān)注的系統(tǒng)延時(shí)t為從ADC采集到sEMG數(shù)據(jù)到傳輸至PC平臺(tái)的延時(shí)，其主要由數(shù)據(jù)包緩存和處理時(shí)間，USB傳輸時(shí)間和WIFI傳輸時(shí)間以及過(guò)程中的軟件開(kāi)銷延時(shí)所組成：

設(shè)

可得

式中：tp為系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析處理時(shí)間，σ包括ADC采集轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)在信道上傳輸時(shí)間，其值相對(duì)遠(yuǎn)小于其他時(shí)間，可忽略不計(jì)，其它參數(shù)如前文所述。注意到隨著采集周期的增大，tu、tp、tw將隨著數(shù)據(jù)量增多將線性增加。由于存在雙緩存切換機(jī)制，每個(gè)通信周期所傳輸?shù)膕EMG數(shù)據(jù)都是上一個(gè)周期內(nèi)所采集緩存的數(shù)據(jù)，故在式（9）中系統(tǒng)延時(shí)的范圍與T相關(guān)。而一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存時(shí)間均勻分布在0到T時(shí)間內(nèi)，故可定義系統(tǒng)平均延時(shí)t為，

因此為了改善系統(tǒng)響應(yīng)性能和減少系統(tǒng)延時(shí)，需要優(yōu)先選擇更小的通信周期T，并盡量減少引入的軟件開(kāi)銷和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理時(shí)間和傳輸速率。

3　實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析

3.1實(shí)驗(yàn)裝置與環(huán)境

為了驗(yàn)證采集系統(tǒng)的軟硬件功能和測(cè)試算法機(jī)制的有效性，本文構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示，其由8個(gè)16路采集節(jié)點(diǎn)、1個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、2層USB Hub以及配合的陣列電極、移動(dòng)電池、WIFI AP、PC機(jī)構(gòu)成。通過(guò)輔助器材固定設(shè)備后，佩戴者可在一定環(huán)境內(nèi)活動(dòng)，其128路肌電信號(hào)將被記錄并通過(guò)無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)至PC平臺(tái)軟件。

圖5　采集裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

3.2通信周期確定和傳輸延時(shí)分析

通信周期對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能參數(shù)具有直接的影響，選定合理的周期值有利于改善系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、吞吐能力。

由2.2節(jié)可知，在采集節(jié)點(diǎn)數(shù)N為8下，共有128通道sEMG數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的采樣頻率為1 kHz，精度為16 bit，則s0約為2 Mbit/s。則通信周期T的下限主要由采集線程軟件延時(shí)t0，USB傳輸速率su、時(shí)隙間隔t1和WIFI傳輸速率sw以及連接過(guò)程軟件開(kāi)銷t2所決定。

本文選用的為USB 1.1接口，盡管其理論通信速率為12 Mbit/s，但由于實(shí)際采用端點(diǎn)數(shù)據(jù)包大小為1 023 byte的塊傳輸模式，最高理論有效通信速率約為9 Mbit/s，這是由于協(xié)議開(kāi)銷和帶寬保留導(dǎo)致的，實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得有效通信速率su為8 Mbit/s。類似地，采用的WIFI模塊支持54 Mbit/s通信速率，但是由于協(xié)議開(kāi)銷和傳輸距離變化導(dǎo)致速率不同，同時(shí)注意到文中sw為從設(shè)備節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)WIFI AP到PC平臺(tái)兩步通信的合并速率，在測(cè)試環(huán)境下距離AP 10 m處測(cè)定sw平均值為15 Mbit/s。

其余參數(shù)則受實(shí)際通信過(guò)程和程序影響，通過(guò)軟件定時(shí)器和USB信號(hào)測(cè)量，下表中列出經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的參數(shù)值：

表1　數(shù)據(jù)通信中關(guān)鍵延時(shí)參數(shù)　單位：ms

選定最嚴(yán)格條件下的參數(shù)t0=5 ms，t1=3.5 ms，t2=8 ms代入式（5）、式（7），可得由USB通信限制的最小周期為44 ms，而WIFI通信限制的最小周期為9.2 ms，因此可得周期T最小值的上界為44 ms，實(shí)際中在更寬松條件下可能存在更小的可行周期T值。

隨后本文選定通信周期T為50 ms、80 ms、100 ms進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在相同的設(shè)備及實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別各測(cè)試了5組15 min的通信過(guò)程，與USB通信相關(guān)的時(shí)間通過(guò)信號(hào)測(cè)量獲得，而其他的時(shí)間通過(guò)軟件定時(shí)器和輔助調(diào)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算三種周期各個(gè)參數(shù)平均值，列在下表中。

表2　3種通信周期的時(shí)間參數(shù)　單位：ms

由上表中不難發(fā)現(xiàn)，隨著通信周期的變小，相對(duì)變化緩慢的延時(shí)和軟件開(kāi)銷的比重上升，導(dǎo)致有效的數(shù)據(jù)通信時(shí)間比例變小，使得信道利用率更低。

取得對(duì)應(yīng)參數(shù)值后，根據(jù)式（8）、式（10）可計(jì)算系統(tǒng)的平均延時(shí)t：

表3　3種通信周期下系統(tǒng)平均延時(shí)

由表3可知隨著通信周期T的減小，系統(tǒng)平均延時(shí)顯著降低，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能得到了改善。因此本系統(tǒng)設(shè)定通信周期T為50 ms，其性能能滿足人機(jī)交互需要。

3.3同步誤差測(cè)試與結(jié)果分析

盡管文中設(shè)計(jì)的同步機(jī)制通過(guò)廣播帶有時(shí)間戳的同步包能較好地處理多通道同步問(wèn)題，但系統(tǒng)中仍存在其它的因素引入延時(shí)和誤差。由式（1）可知，不同sEMG通道的同步誤差主要由USB Hub的層數(shù)k和層間同步包轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)τ1，處理器響應(yīng)同步包延時(shí)引起的誤差t2，以及AD異步采集累積的誤差reT所決定。

表4　同步誤差估計(jì)

系統(tǒng)中采用了8個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)需要二層的USB Hub，則由其轉(zhuǎn)發(fā)的同步包延時(shí)差最多經(jīng)過(guò)一層，根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知其轉(zhuǎn)發(fā)SOF包的延時(shí)t1可達(dá)5 μs~10 μs。另外一個(gè)重要的誤差引入源為處理器的同步中斷響應(yīng)例程導(dǎo)致的，其程序延時(shí)在20 μs 到60μs，其跨度變化主要源于于處理器的即時(shí)任務(wù)負(fù)載。系統(tǒng)的異步采集特點(diǎn)結(jié)合ADC內(nèi)部振蕩器頻率的變化將導(dǎo)致同步誤差時(shí)間在一個(gè)周期內(nèi)累計(jì)，這也是誤差的主要引入源，參照芯片的手冊(cè)在室溫條件下，其頻率漂移系數(shù)re在0.5%以下。根據(jù)式（1）可得在通信周期T為50 ms時(shí)，不同采集節(jié)點(diǎn)的通道的時(shí)間誤差在25 μs~320 μs范圍內(nèi)。

由此可見(jiàn)隨著周期T的變小，不同采集節(jié)點(diǎn)的通道間的時(shí)間誤差將得到改善，而根據(jù)前文所述同一采集節(jié)點(diǎn)的通道間時(shí)間誤差可以忽略不計(jì)。需要強(qiáng)調(diào)的是，文中所采用電極陣列在采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)電極間距最小為8 mm，而在不同采集節(jié)點(diǎn)之間的電極間距最小為15 mm，根據(jù)肌電的傳輸速度4 mm/ms，可知由同步時(shí)間差造成的空間距離誤差小于電極間距的1/10，造成的影響較小，能滿足高密度肌電采集要求。

為了驗(yàn)證分析的有效性，本文設(shè)置了實(shí)驗(yàn)，分別選取了8個(gè)位于同一采集節(jié)點(diǎn)的通道和來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的通道，并在相應(yīng)的ADC輸入端輸入同一參考信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并記錄所采集的信號(hào)。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相同采集節(jié)點(diǎn)的通道的信號(hào)波形幾乎完全吻合，而不同采集節(jié)點(diǎn)的通道的波形則略有時(shí)間偏差，且會(huì)隨時(shí)間變化，但仍符合理論預(yù)期，集中在320 μs以內(nèi)。

4　結(jié)語(yǔ)

本文在考慮可穿戴性、實(shí)時(shí)性、高通量等基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模塊化分層的sEMG采集系統(tǒng)架構(gòu)和低延時(shí)高精度同步的通信機(jī)制。其中采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高密度sEMG的異步并行采集，設(shè)備節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通過(guò)USB聚合處理并經(jīng)WIFI無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)所有通道數(shù)據(jù)至PC平臺(tái)，PC平臺(tái)程序進(jìn)行波形顯示、存儲(chǔ)、分析和設(shè)備控制。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了128通道1 kHz采樣率16 bit精度sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在通信周期為50 ms時(shí)，通道間同步誤差小于320 μs，刷新率可達(dá)20 Hz，系統(tǒng)的平均延時(shí)小于80 ms。

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金文光（1966-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，jinguang@zju.edu.cn。

The Implantable Glucose BiosensorBased on the Spiral-Type Pt-Ir Electrode*

YU Jiangyuan1，2，ZHU Zhigang1*，CHENCheng1，LI Zhanhong1，CHEN Yunxia2*
（1.School of Environmental & Meterials Engineering，College of Engineering，Shanghai Second Polytechnic University，Shanghai 201209，China；2.School of Material Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen Jiangxi 333001，China）

Abstract：A novel electrochemical sensor was fabricated by utilizing a spiral platinum-iridium alloy electrode to en?hance the loading of glucose oxidase on the implantable biosensor and increase the active area of the working elec?trode.The morphology of polyurethane（PU）semi-permeable membrane was observed by scanning electron micro?scope（SEM），and the performance of the sensor was investigated by cyclic voltammetry and chronoamperometry up?on the influence of the thickness and content of PU as well as the enzyme concentration. The result shows that the sensitivity of the as-prepared spiral sensor is 20 nA/(mmol/L)~30 nA/(mmol/L)，which could be linearly detected the physiological glucose concentration between 2 mmol/L and 30 mmol/L. The sensors also showed good repeatability，stability and selectivity，which could be an ideal candidate of long-term implantable sensor to monitor the blood sug?ar for diabetes in the future.

Key words：Glucose biosensor；Spiral-wired electrode；Polyurethane semi-permeable membrane；Selectivity

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.01.002

收稿日期：2015-08-13修改日期：2015-09-23

中圖分類號(hào)：TP212.3；TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）01-0001-08

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA013705）