朱安陽，徐秀林

（上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

基于STM32的表面肌電采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

朱安陽，徐秀林

（上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

針對康復訓練治療效果的評估的需要，設計了一種基于STM32的表面肌電采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采取由主機控制和顯示的主從型結構，硬件以STM32為核心，配合表面肌電信號采集模塊以實現(xiàn)對原始的表面肌電信號的采集，再利用均方根值提取模塊提取其肌電均方根值并通過USB接口傳送至上位機，最終由上位機軟件分析處理傳送上來的肌電數(shù)據(jù)并顯示。實驗結果表明，系統(tǒng)所采集的肌電信號的準確性較高，能夠滿足評估康復訓練治療效果的需要。

STM32；數(shù)據(jù)采集；肌電均方根值；積分肌電值

0 引言

表面肌電信號是一種伴隨著肌肉活動在皮膚表面?zhèn)鬟f的生物電[1]。表面肌電信號是來源于人體自身的電信號，因此它具有直接自然的特點，其中蘊含了多種肌肉運動信息，被廣泛的運用于肌肉運動、肌肉損傷診斷、康復醫(yī)學以及運動體育等方面的研究。

隨著電子新技術和計算機技術的發(fā)展以及神經(jīng)肌肉生理學研究，人們可以對肌電信號和神經(jīng)肌肉功能進行更加精準的研究[2]。南京大學的周兵等人研制的便攜式表面肌電信號采集儀以ARM7微處理器AT91SARM7SE512為核心，采用μC/OSⅡ操作系統(tǒng)，通過觸摸屏控制肌電信號的采集，操作簡便且性能穩(wěn)定，但選用的芯片成本較高，而且由于缺少上位機的配合，不便于肌電數(shù)據(jù)的管理[3]；哈爾濱理工大學的尤波等人搭建的肌電信號采集平臺采用了北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司研發(fā)的PCI8622數(shù)據(jù)采集卡，其采樣通道多達32路，轉換精度達16bit，可同時采集多路肌電信號且精度較高，但也使得數(shù)據(jù)采集變得復雜，不利于臨床使用。

針對上述情況，本文設計了一種基于STM32的低成本、低功耗、雙通道的表面肌電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上、下位機兩部分，由上位機控制下位機的肌電數(shù)據(jù)的采集與傳送，同時上位機還負責對采集的肌電數(shù)據(jù)進行保存、分析和顯示，上位機與下位機之間通過USB接口進行數(shù)據(jù)通訊。

1 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

基于STM32的肌電采集系統(tǒng)設計由硬件設計與軟件設計兩部分組成。硬件包括原始肌電信號采集模塊、肌電均方根值提取模塊、STM32芯片、UART轉USB模塊和電源模塊；軟件分為下位機的STM32控制程序設計和上位機的肌電信號分析界面設計兩部分。其中，下位機的STM32控制程序包括對上位機下傳的命令數(shù)據(jù)的處理響應模塊和肌電均方根值數(shù)據(jù)的上傳模塊；上位機的肌電信號分析界面包括病人信息管理模塊、肌電數(shù)據(jù)分析顯示模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。

1.1 硬件設計

表面肌電采集系統(tǒng)的硬件部分由原始肌電信號采集模塊、肌電均方根值提取模塊、STM32芯片、UART轉USB模塊和電源模塊組成，其具體工作流程為：原始肌電信號采集模塊通過對信號進行放大濾波處理以提取原始表面肌電信號，而獲得的原始肌電信號再經(jīng)過均方根值提取模塊的處理以提取肌電信號的均方根值，再由STM32芯片將采集到的肌電均方根值數(shù)據(jù)通過UART轉USB模塊傳送給上位機。硬件系統(tǒng)的設計指標如表1所示。

表1 硬件設計指標

圖1 肌電采集系統(tǒng)整體框圖

1.1.1 電源模塊

本系統(tǒng)通過電源適配器將220V市電轉化為直流+9V供電。為確保STM32芯片的正常工作，選用1117-3.3輸出+3.3V電壓作為STM32芯片的工作電源；采用MAX660輸出-5V電壓以及LM2576-5輸出的+5V電壓作為肌電采集模塊中各芯片的供電電源。

1.1.2 原始肌電信號采集模塊

表面肌電信號是一種微弱的電信號，一般只有微伏級，其幅值范圍一般在0-5000μV，下肢癱瘓者的肌電信號則更加微弱，一般在200μV以下。因此本系統(tǒng)采用前、中、后三級放大電路，并設計了增益調節(jié)電路，可選擇性調節(jié)增益倍數(shù)。前級放大電路選用AD8220差分放大芯片用于提高輸入阻抗，降低共模干擾，放大倍數(shù)為200倍；中級放大結合濾波電路實現(xiàn)，放大倍數(shù)為25倍；后級放大電路采用同相放大器，放大10倍；增益調節(jié)電路以CD4052芯片為核心，由STM32芯片控制其第9和第10引腳的高低電平的輸入以選擇采集信號的放大倍數(shù)。根據(jù)兩輸入引腳的高低電平的組合，共有四種放大倍數(shù)可供選擇：1、2、5、10倍。

采集表面肌電信號時會同時采集到各種噪聲，包括人體內部組織的各種生物電信號、采集系統(tǒng)設備本身噪聲以及周圍環(huán)境噪聲等，為保留有用的肌電信號，在設計肌電信號采集模塊時還需要濾除噪聲，為此需要結合噪聲與肌電信號的頻率特征來設計相應的濾波電路。人體表面肌電信號的頻譜范圍為0～1000Hz，其主要能量集中在200Hz以下（占80%以上），而作為肌電采集的主要干擾的心電信號的頻率范圍在0.05～100Hz，其頻譜能量集中于0.25～20Hz的范圍。因此，硬件系統(tǒng)選取20～500Hz頻段的肌電信號作為采集目標，分別設計了截止頻率為20Hz的一階高通濾波器與截止頻率為500Hz的二階低通濾波器。此外，由于硬件系統(tǒng)采用市電電壓供電，在肌電采集時不可避免的受到50Hz工頻干擾，需采用50Hz陷波電路濾除。表面肌電信號處理流程如圖2所示。

圖2 肌電信號處理流程

1.1.3 肌電均方根值提取模塊

肌電信號的時域分析主要包括原始肌電信號、積分肌電值和均方根值。其中，肌電均方根值體現(xiàn)了肌肉負荷性因素和肌肉本身生理生化過程之間的內在聯(lián)系，直觀的反映了肌電信號的幅值特征，被廣泛的的應用于運動醫(yī)學和人機工程學領域的肌肉功能評估。因此，本系統(tǒng)選擇肌電均方根值作為STM32芯片最終采集與上傳的肌電數(shù)據(jù)，設計了肌電均方根值提取模塊。它能夠很好的將肌電信號波形進行整流濾波，并提取肌電信號的均方根值作為有效值，這既有利于肌電信號的觀測，也便于后續(xù)的肌電信號處理。肌電均方根值提取模塊如圖3所示。

圖3 均方根值提取模塊

該模塊以AD536A真有效值提取芯片為核心，該芯片可以直接計算輸入的任何復雜波形的真有效值。其1引腳為電壓信號輸入端，連接肌電信號采集模塊的輸出端，以導入原始肌電信號；根據(jù)輸入的肌電信號的特征，在提取其有效值時，需要在4引腳與14引腳之間外接一個濾波電容，在這種連接中，由于濾波電容的作用，當輸入的交流電壓信號頻率較低時，會出現(xiàn)微小誤差，而當輸入高頻信號時，則可獲得高精度的直流輸出；8引腳輸出的有效值再經(jīng)過緩沖處理，最終由緩沖輸出端6引腳導出肌電有效值。

1.1.4 STM32芯片

硬件系統(tǒng)所用的核心芯片型號為STM32F103RC，使用高性能的32位的ARM Correx-M3內核，最高工作頻率可達72MHz，內置高速存儲器（高達256k字節(jié)的閃存和32k字節(jié)的SRAM）。作為一款低功耗高速單片機，它的外設資源豐富，包括2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM高級定時器，還包含標準和先進的通信接口：5個USART和1個CAN。它涵蓋了本肌電采集系統(tǒng)所需要的所有外設，并且在存儲容量和運算速度方面很好的滿足了肌電采集系統(tǒng)的要求。

在本系統(tǒng)中，STM32芯片作為肌電均方根值提取模塊與上位機之間的中樞紐帶，一方面它要接受上位機的控制如肌電采集的開斷、肌電采集通道的選擇、采集信號的放大倍數(shù)的選擇等，另一方面它將采集到的肌電均方根數(shù)據(jù)傳遞給上位機。

1.1.5 UART轉USB模塊

本肌電采集系統(tǒng)包含上下位機兩部分，兩者之間存在數(shù)據(jù)通訊：一方面上位機以向下發(fā)送命令數(shù)據(jù)的方式控制下位機的肌電采集，另一方面下位機需要將采集到的肌電數(shù)據(jù)上傳給上位機以便后者分析處理肌電數(shù)據(jù)。USB接口是PC與外部設備進行數(shù)據(jù)交互時廣泛使用的通訊接口，因此為了方便上下位機的數(shù)據(jù)通訊，本系統(tǒng)采用USB接口方式連接硬件采集系統(tǒng)與PC端，而STM32芯片自身并未配備USB通信接口，需要外接UART轉USB模塊。

UART轉USB模塊采用CP2102芯片，它是一種高度集成的UART轉USB橋接器。該芯片包含一個USB 2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部的調制解調器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線（UART）。本設計添加退耦電容，電源指示等外圍元件，將UART升級為USB接口，其通訊速率可達1Mbps。

1.2 軟件設計

1.2.1 上下位機數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

上下位機數(shù)據(jù)通訊協(xié)議規(guī)定了上下位機通訊時每幀數(shù)據(jù)的傳輸格式，為上下位機的串口通訊編程提供了必要依據(jù)。該數(shù)據(jù)通訊協(xié)議包括幀頭、設備號、采集通道號、數(shù)據(jù)類型、長度、命令（數(shù)據(jù)）序列、效驗。其中，幀頭標識一幀數(shù)據(jù)的開始，用于判別當前幀數(shù)據(jù)是否是有效，而只有在數(shù)據(jù)有效時才會進一步的解析當前幀數(shù)據(jù)，提取有用信息；本肌電采集系統(tǒng)為雙通道，通過通道號來選擇當前肌電采集的通道；上下位機數(shù)據(jù)通訊是雙向的，因此其傳遞的數(shù)據(jù)也分為兩種即肌電均方根數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)，由通訊協(xié)議中的數(shù)據(jù)類型來標識。數(shù)據(jù)通訊協(xié)議格式如表2所示。

1.2.2 STM32控制程序

STM32控制程序的編寫采用C語言，通過庫函數(shù)開發(fā)方式編程即利用由ST公司針對STM32單片機提供的函數(shù)庫來配置STM32各種外設的寄存器，從而擺脫最底層的寄存器操作，便于程序的開發(fā)與后期維護。

STM32控制程序包括對上位機下傳的命令數(shù)據(jù)的處理響應模塊和肌電均方根數(shù)據(jù)的上傳模塊。STM32控制程序流程圖如圖4所示。

命令數(shù)據(jù)的處理響應模塊采用串口中斷的方式接收，解析上位機下傳的數(shù)據(jù)并響應。當上位機下傳命令數(shù)據(jù)時，將觸發(fā)串口中斷而執(zhí)行中斷函數(shù)。中斷函數(shù)將根據(jù)事先制定的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議執(zhí)行對一幀命令數(shù)據(jù)的判別與解析，首先是對幀頭的校對，如果符合協(xié)議設置的幀頭，則證明所接收的數(shù)據(jù)為命令數(shù)據(jù)，繼而進一步解析命令并響應。

表2 通訊協(xié)議格式

圖4 STM32控制程序流程圖

肌電均方根值數(shù)據(jù)的上傳模塊負責采集與上傳肌電均方根數(shù)據(jù)。該模塊采用AD-DMA的方式將模數(shù)轉換后的肌電均方根數(shù)據(jù)直接導入到STM32內存緩沖區(qū)，每次采集4kB的肌電均方根數(shù)據(jù)，采集周期約為1S，定時器TIM1配置為PWM輸出模式，用于控制AD1的采樣頻率（2000Hz）；肌電均方根數(shù)據(jù)的上傳采用UART-DMA方式將STM32內存緩沖區(qū)中的4k數(shù)據(jù)傳遞至UART，再通過UART轉USB模塊上傳至上位機。

1.2.3 肌電信號分析界面

上位機軟件采用C++，通過MFC軟件設計肌電信號分析界面，實現(xiàn)了上位機對下位機肌電采集的控制以及肌電均方根數(shù)據(jù)的分析和顯示。該界面包括病人信息管理模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊和肌電數(shù)據(jù)分析模塊。

在病人信息管理模塊中可以進行患者編號、姓名、性別和年齡等基本信息的創(chuàng)建與修改，這部分信息將獨立顯示并自動保存，而采集到的病人的肌電數(shù)據(jù)也將相應的保存在以病患信息命名的目錄的文件夾下，以便于管理。

上位機的串口通訊模塊采用基于Windows API的串口編程方法，編寫適合本肌電采集系統(tǒng)的串口類，將串口操作的一般步驟都封裝在串口類中，通過創(chuàng)建串口類對象的方式完成打開與配置串口、讀寫串口、開啟與關閉串口等基本操作。此外，上位機的串口通訊模塊還利用Windows系統(tǒng)的消息響應機制，自定義了WM_COMM_RXCHAR消息并按照上下位機通信協(xié)議編寫其消息響應函數(shù)。由于串口被設置為一次僅傳遞一個字節(jié)數(shù)據(jù)而一個肌電均方根數(shù)據(jù)卻有12位，因此一個完整的肌電均方根數(shù)據(jù)需要拆分為兩個字節(jié)分兩次傳送，而上位機在接收到數(shù)據(jù)時會向系統(tǒng)發(fā)送WM_COMM_RXCHAR消息，進而執(zhí)行其消息響應函數(shù)，完成肌電均方根數(shù)據(jù)的重組、顯示和保存。

肌電數(shù)據(jù)分析模塊一方面控制下位機的肌電采集，另一方面負責顯示與保存上傳的肌電均方根數(shù)據(jù)，并進一步提取和顯示肌電積分值及其最大最小值。肌電信號分析顯示界面如圖5所示。

圖5 肌電信號分析顯示界面

本界面主要包括五個功能性按鍵，兩個顯示控件和兩個編輯框控件。兩個顯示控件中，上方的控件只用于顯示肌電均方根圖，下方的控件除了顯示積分肌電圖外，還可用于回放肌電均方根圖。此外，上位機的軟件事先通過編程設定了各按鍵的邏輯順序，以防止誤操作，最初只有“開始”鍵與“波形回放”鍵處于使能可用狀態(tài)，隨著一個采集周期的結束，其他按鍵將先后使能可用。肌電信號分析界面的一個工作周期如下：

初次點擊“開始”按鍵后，它將自動失能變灰，避免重復點擊，此時上位機將向下位機傳送開始指令，啟動定時器以開啟一個周期（150s）的肌電采集并動態(tài)顯示，此時 “停止”按鍵使能可用，點擊可終止數(shù)據(jù)采集與顯示并重新使能“開始”鍵，回復初始狀態(tài)。此外，最初狀態(tài)下處于使能狀態(tài)的還有“波形回放”按鍵，用于回放保存的肌電均方根數(shù)據(jù)。

當一個周期的肌電采集正常結束時，“積分肌電值”按鍵將使能可用，點擊后將對本周期所采集的肌電均方根數(shù)據(jù)進行運算處理，提取其積分肌電值并以積分肌電圖的形式顯示。

在點擊過“積分肌電值”按鍵后，“保存”按鍵將使能可用而“積分肌電值”按鍵將重新失能變灰。點擊“保存”按鍵可截取當前的積分肌電圖并以“.jpg”圖片格式保存，之后“保存”按鍵將失能變灰，“開始”鍵恢復最初使能狀態(tài)，其他按鍵也將恢復初始狀態(tài)，等待下一個采集周期的開始。

2 實驗測試

為了驗證系統(tǒng)所采集的肌電信號的準確性，本文對有效頻段（20Hz～500Hz）內的肌電信號的信噪比（S/N）進行了定量分析。從頻域角度來看，某一時刻的肌電信號值是該時刻下各種頻率的肌電信號的總和，因此設計如下實驗方法：利用信號發(fā)生器產(chǎn)生恒定的正弦波信號作為輸入信號，實驗過程中不斷地調節(jié)輸入信號的頻率，分別記錄輸入端接信號和輸入端空載時的輸出電壓的有效值，前者作為信號值，后者作為噪聲值，根據(jù)信噪比的定義求得各頻率下的信噪比，并對測得的數(shù)據(jù)進行分析，得到的結果如圖6所示。在整個測試過程中，系統(tǒng)的各項功能都正常運行，工作穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。

圖6 信噪比頻譜圖

上圖直觀的反映了整個有效頻段內信噪比隨頻率變化的趨勢。由圖可知，在肌電信號的有效頻段內，除了50Hz頻率處由于陷波器的作用而急劇衰減外，系統(tǒng)的信噪比整體上保持在20～30dB范圍內。根據(jù)信噪比計算公式：S/N =101g（PS/PN），其中PS和PN分別代表信號和噪聲的有效功率，對該范圍換算可得信號與噪聲的有效功率之比（PS/PN）的范圍為100～1000倍，因此噪聲對肌電信號的干擾十分微弱，系統(tǒng)所采集的肌電信號具有高準確性，能夠滿足評估康復訓練治療效果的需要。

3 結論

本文針對電刺激治療效果的評估的需要，設計了一種基于STM32的主從型表面肌電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對原始表面肌電信號的采集并提取其均方根值傳送給上位機，由上位機軟件對上傳的肌電均方根數(shù)據(jù)進行顯示與保存，在此基礎上進一步提取與顯示積分肌電值，并提供肌電均方根數(shù)據(jù)的回放與積分肌電圖保存的功能。經(jīng)測試該系統(tǒng)達到了設計要求，并能夠穩(wěn)定可靠的工作，為評估電刺激治療效果以及確定下一步的治療方案提供了依據(jù)，提升了康復治療效率。在下一步的研究中，將在當前系統(tǒng)的基礎上利用頻域方法進一步的分析肌電信號，更全面的反映肌電信號的特征，進一步的提高本系統(tǒng)的康復訓練評估能力。

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ZHU An-yang, XU Xiu-lin

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2017-03-06

上海市科委智能化下肢綜合評估訓練系統(tǒng)的臨床應用研究項目（14441905100）；上海市科委俯臥式多態(tài)脊柱康復訓練與評估系統(tǒng)的開發(fā)與關鍵技術研究項目（15441906200）

朱安陽（1989 -），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為精密醫(yī)療器械設計與檢測。