馮媛媛，戴威，王文波，蔡雷，王浩

(1. 南京航空航天大學(xué) a. 航天學(xué)院，b. 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護研究所, c. 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2. 山東省科學(xué)院生物研究所，山東 濟南 250014)

0 引言

肌電(EMG)信號的采集與分析已成為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)界研究的熱點之一。肌電信號微弱，采集易受干擾、測量難度大，有效地提取肌電信號是EMG應(yīng)用的一個關(guān)鍵方面[1]。

采集肌電信號的傳輸方式分有線信號傳輸和無線信號傳輸兩種。有線信號傳輸速度快，穩(wěn)定性高，但在便攜性方面存在缺陷，通常應(yīng)用于靜止目標肌電信號的采集。無線信號傳輸避免了過多的信號傳輸線路對采集目標運動的束縛和運動區(qū)域的限制，適于運動目標的肌電信號采集。

在適于小動物攜帶的肌電信號無線采集設(shè)備方面，國外Harrison等研制了基于集成電路的EMG無線采集設(shè)備，用于蝗蟲EMG信號的采集[2]。Thomos等人研制出的適用于飛行昆蟲的EMG無線采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以集成電路為核心，通過無線射頻傳輸電能，有效地減除了電池的質(zhì)量[3]。 Grand等人研制出適用于貓、兔子等動物的EMG無線采集設(shè)備，同時結(jié)合了高速攝像機，用于同步記錄貓的肌電信號以及運動狀態(tài)[4]。國內(nèi)對人體表面肌電信號的采集系統(tǒng)研究較多[5-8]，而對適用于運動目標肌電信號采集的無線信息傳輸研究較少。目前僅有南京航空航天大學(xué)劉婷婷設(shè)計了大壁虎肌電信號在體采集裝置[9]，將采集到的數(shù)據(jù)存儲至TF卡，通過后期讀取數(shù)據(jù)對大壁虎的肌電信號進行研究，不具備EMG信號實時顯示與監(jiān)測功能。

考慮到集成電路設(shè)計難、成本高，以及適用于自由運動小動物EMG信號采集、實時傳輸與顯示存儲方面的研究尚未見報道。故本文提出了一套適用于靜態(tài)以及運動小動物EMG信號的實時采集、傳輸與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在實時監(jiān)測EMG信號的同時，兼具遠距離傳輸和操作便捷的特點，為自由運動小動物EMG信號采集，運動狀態(tài)以及力學(xué)同步測試和分析奠定基礎(chǔ)。

1 工作原理

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先8個通道所采集到的肌電信號經(jīng)過單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051進行選通。其中CD4051可以達到MHz級別的選通速度，由單片機引腳控制選通，以此實現(xiàn)信號的同步采集功能。然后，經(jīng)過首級電壓放大、濾波、末級電壓放大后由單片機的A/D進行模擬信號采集。STM32F103RCT6將采集到的肌電信號進行數(shù)字濾波后，經(jīng)過nRF24L01無線收發(fā)模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，無線接收端將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機同步實現(xiàn)信號的顯示與存儲。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)所用STM32F103RCT6具有256 kB的Flash、48 kB的SRAM、2個SPI、3個串口、1個DMA控制器以及2個12位的ADC。ADC的最大轉(zhuǎn)換速率可達1 MHz，完全滿足頻率范圍在0～500 Hz的肌電信號采樣要求。所用nRF24L01無線模塊為工作頻率2.4～2.5 GHz的ISM單片無線收發(fā)器芯片，通過配置最高可實現(xiàn)2 Mb/s的通信速率，具有功耗低，抗干擾能力強等特性，與單片機的DMA控制器配合進行數(shù)據(jù)傳輸，可有效提高系統(tǒng)實時性能。

2 調(diào)理電路設(shè)計

鑒于所采集的肌電信號較弱，幅值一般在5mV以內(nèi)[10]，頻率主要集中在0～500Hz之間，容易受到工頻的干擾，設(shè)計了如圖2所示肌電信號采集系統(tǒng)前端調(diào)理電路：主要包括前端放大電路、50Hz工頻限波電路、帶通濾波電路以及后端放大電路。前端信號放大是非常重要的階段，需要將信號放大合適范圍同時抑制干擾與噪聲。本文采用了儀表放大器INA128，該芯片可以有效抑制共模干擾，具有低噪聲、低功耗以及精度高等特點。前端放大倍數(shù)為20倍。選用的運算放大器LMH6644，具有超低偏置電流、失調(diào)和漂移的特點，以避免肌電信號淹沒在器件本身的噪聲中。

為了提取有效的肌電信號，系統(tǒng)設(shè)計的帶通濾波器的截止頻率范圍是10～1 000Hz，實際測得幅頻特性如圖3(b)所示。此外，采用有源T型陷波器的方法，對50Hz的工頻干擾進行有效濾除，使50Hz工頻衰減-25dB，實際測得幅頻特性如圖3(a)所示。最后進行末級放大，將處理后的信號放大到適合的范圍內(nèi)供單片機A/D進行采樣，整個調(diào)理電路最終將信號放大了1 000倍。

圖2 信號調(diào)理電路

圖3 濾波電路波特圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為下位機軟件部分以及上位機軟件部分，下位機軟件用以實現(xiàn)肌電信號的采集、處理及無線傳輸功能?；贚abVIEW的上位機軟件部分則用于實現(xiàn)肌電信號數(shù)據(jù)處理、還原顯示以及存儲功能。

3.1 基于STM32F103下位機系統(tǒng)程序設(shè)計

下位機軟件系統(tǒng)包括信號采集與無線發(fā)送以及無線模塊數(shù)據(jù)接收兩部分。由于生物肌電信號的頻率主要集中在0～500Hz，為了真實、全面地進行信號采樣。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采用定時器方式實現(xiàn)A/D等間隔信號采樣，定時間隔為0.1ms，即采樣頻率為10kHz。采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)由nRF24L01無線模塊發(fā)送出去，其程序流程圖如圖4(a)所示。

無線接收端在接收到9 600個字節(jié)后，為數(shù)據(jù)添加上兩個字節(jié)的幀頭后將其作為一個數(shù)據(jù)包通過串口DMA的方式發(fā)送至上位機，其中串口波特率設(shè)置為921 600，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；通過DMA傳輸可以有效提高系統(tǒng)傳輸效率，為系統(tǒng)實時性提供保障。其無線模塊數(shù)據(jù)接收部分的程序流程圖如圖4(b)所示。

圖4 信號采集無線接收圖

3.2 基于LABVIEW的上位機系統(tǒng)程序設(shè)計

上位機系統(tǒng)程序前面板如圖5(a)所示，主要包括串口設(shè)置、數(shù)據(jù)保存按鈕、數(shù)據(jù)存儲路徑設(shè)置以及八通道肌電信號顯示波形圖，其中每個顯示窗口可以顯示4個通道的肌電信號波形。本設(shè)計上位機系統(tǒng)操作十分便捷，當下位機通過串口向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，上位機系統(tǒng)即可對數(shù)據(jù)進行處理，并將相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)以波形的方式顯示出來，用戶只需觀察到波形參數(shù)并保存即可。

如圖5(b)所示為肌電采集上位機程序框圖，開始運行前，首先對串口進行初始化，主要初始化參數(shù)為串口號、數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)、校驗方式以及數(shù)據(jù)傳輸波特率，程序開始運行后，上位機將對所接收的數(shù)據(jù)進行校驗，當檢測到所設(shè)置的數(shù)據(jù)幀頭時，將幀頭后的數(shù)據(jù)以9 600字節(jié)為一包的方式進行分批處理。處理時將8個通道所對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值并還原到波形圖上進行顯示，同時將采集電壓所對應(yīng)的時刻和此刻的各個通道的電壓值以多維數(shù)組的形式存儲在計算機上。實驗結(jié)束后，關(guān)閉串口，清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，完成整個實驗數(shù)據(jù)采集與保存。

圖5 上位機系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

整個系統(tǒng)具有8個采樣通道，可實現(xiàn)對頻率高達12.5kHz的信號進行采樣。該系統(tǒng)設(shè)計了模擬放大濾波電路與上位機數(shù)字濾波模塊，旨在實現(xiàn)對常見的幅值為0～1mV，頻率為0～500Hz的肌電信號進行采樣。系統(tǒng)配備

無線模塊，最遠無線傳輸距離可達200m。系統(tǒng)上位機可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與絕對時間進行匹配精度可達微秒級。測試時須將下位機采集系統(tǒng)通過通道安置在被測試目標身上，采集數(shù)據(jù)通過無線模塊進行傳輸，由PC端上位機對數(shù)據(jù)進行分析、處理與保存。測試目標主要為生物運動時產(chǎn)生的肌肉電信號，該系統(tǒng)可應(yīng)用于靜態(tài)以及運動目標肌電信號采集研究。

該系統(tǒng)分為上位機顯示與存儲單元以及下位機采集與傳輸單元。其中下位機采集系統(tǒng)安裝在測試目標身上，集成了微處理器、放大濾波電路與無線發(fā)射芯片，采集系統(tǒng)測量通道多、整體尺寸小、質(zhì)量輕，增大了實驗可操作性，減輕了目標的負重。下位機傳輸系統(tǒng)采用了DMA方式，提高了系統(tǒng)實時性能。上位機顯示與存儲系統(tǒng)界面簡潔，操作方便。在后續(xù)應(yīng)用中，可以分別對8個通道進行同時采集，從時域和頻域?qū)υ撓到y(tǒng)采集到的EMG信號進行定量分析，并且可與高速攝像相結(jié)合，可進行運動狀態(tài)的同步分析，以探索小動物自由運動時相關(guān)運動肌的肌電采集與分析方法，為研究其卓越的運動能力提供基礎(chǔ)。

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