计算机发展论文计算机的发展论文：关于表面肌电信采集仪软件与硬件的设计方案.docVIP

计算机发展论文计算机的发展论文： 关于表面肌电信号采集仪软件与硬件的设计 摘　要　 针对表面肌电信号幅度小、信噪比低、易受干扰、准确获取困难的问题，研制一种基于高共模抑制比的前端放大电路的便携式表面肌电信号采集仪，包含肌电采集放大、AD转换、带触摸屏的液晶显示、数据存储、USB有线传输、Xbee无线传输等多个组成部分。采用μC/OS-Ⅱ操作系统和基于μC/GUI的图形化界面，性能稳定，操作简便。同时，为了方便用户资料及肌电数据的管理，移植了FATFS文件系统。低功耗和微型化设计提高了设备的便携性，有利于提高表面肌电信号采集仪在运动员训练中的使用率。 关键词　 表面肌电；AT91SAM7SE512；μC/OS-Ⅱ；USB；Xbee；FATFS 运动性肌疲劳是体育界和运动医学界十分关注的课题。目前,许多研究致力于寻找评定和预防肌肉疲劳产生的方法,大多数的研究是从全身的生理、生化状况来推断肌肉的功能状况,直接进行局部肌肉的研究还很少[1]。表面肌电信号(sEMG信号)是神经肌肉系统活动时的生物电信号，被表面电极拾取，经过放大和模拟滤波处理后转换成数字信号[2],信号形态具有较大的随机性和不稳定性[3]。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,因而能在一定的程度上反映神经肌肉的活动,对临床诊断、康复医学、运动医学等具有重要意义[4]。表面肌电信号采集属无创性，操作简单，病人易接受，有着广泛的应用前景[5]。 本文设计的便携式表面肌电信号采集仪结构小巧简单，性能稳定，便携低功耗，可由电池供电，一般用于运动员的训练中。本文主要介绍表面肌电信号采集仪的软硬件设计与实现。 1　硬件系统总体设计 本系统的控制核心选择了ATMEL公司的处理器AT91SAM7SE512。整个系统主要由肌电放大与滤波模块、多通道16位ADC转换模块、AT-91SAM7SE512主控模块、人机接口模块及USB与Xbee通信模块等组成。 系统的整体结构如图1所示。 整个系统的工作流程如下：两个通道的表面肌电信号被表面电极拾取，首先通过硬件放大和模拟滤波后送入多通道16bitADC中进行2500Hz采样与AD转换；转换好的双通道数据通过SPI总线接口送入主控模块中进行处理。处理分两种情况：在没有连接使用PC端时，本地进行实时滤波、简单分析、显示、存储；在连接使用PC端时，通过USB接口或者Xbee无线通信模块将数据实时传输给PC端处理。另外，在已有存储数据的情况下，可以进行表面肌电波形的回放。以上所有操作是通过带触摸功能的液晶显示屏（320×240彩色分辨率）来人机交互的。 1.1　前端肌电信号放大与滤波电路设计 完整、准确的表面肌电信号是后续信号分析的基石，但由于表面肌电信号幅度小(mV级)，信噪比低，易受外部电磁干扰且电极与皮肤间存在较大的极化电压，若采用高增益的单级放大电路，很可能引起放大器的饱和而丢失有用信息，因此采用多级逐级放大电路，各级电路之间加上适当的信号滤波电路。 图2是采用了仪表放大器INA129的第一级信号放大电路，肌电信号通过电极CH1+和CH1－拾取，增加REF电极用于引入地参考以增加抗共模干扰能力降低噪声。为防止出现饱和失真，第一级增益G1设置为8。 第二级电路用于信号放大与滤波。大量资料表明表明肌电信号的主要能量集中在20～500Hz范围内，因此设计了4阶贝塞尔型500Hz低通滤波器和2阶20Hz高通滤波器。在2阶高通滤波器之间设计了增益G2为101的信号放大器。由于肌电信号在50Hz工频干扰频率附近比较重要，故没有采用硬件50Hz模拟陷波器，而是使用软件梳状滤波器滤除50Hz及其谐波干扰。 在第一级与第二级信号放大后，信号放大倍数为808，还不适合进行AD转换，因此设计了第三级信号放大电路，此级放大电路增益G3可在1-11之间可调。图3是第二级信号放大滤波和第三级信号放大电路。 1.2　ADC转换电路设计本 系统的ADC转换器采用了TI公司的16位高精度低功耗芯片ADS8513，使用SPI接口与主控芯片交互数据。为配合双通道肌电信号切换采样，采用一片ADI公司的ADG604多路信号切换器。 2　软件系统总体设计 随着嵌入式系统的广泛应用，传统的前后台程序开发机制已经不能满足日益复杂的需求，因而现在常常采用嵌入式实时操作系统RTOS开发实时多任务系统。采用RTOS可以使嵌入式产品更可靠、开发周期更短。μC/OS-Ⅱ因为其本身所具有的源码开放、代码规模极小、运行稳定、执行效率高、实时性好等优点在诸多RTOS中拥有自己的一席之地[6]。 同时为了进一步增强软件的可操作性，本系统在μC/OS-Ⅱ的基础上移植了μC/GUI，用作用户图形界面设计。另外，为方便对用户资料和肌电数据的存储与操作，在SD卡存储机制上，移植了FATFS文件系