低功耗多功能肌電測量儀的設(shè)計

?
??? 【摘　要】　介紹了利用單片機設(shè)計低功耗多功能肌電測量儀的方法。
??? 關(guān)鍵詞：肌電測量儀，低功耗，多功能，單片機

　　肌電測量或肌電圖是檢查人體神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)功能的重要方法，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科、骨科、耳鼻喉科及口腔科。它可為臨床診斷、治療神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾患提供客觀的科學(xué)依據(jù)。肌電測量儀一般只具有在示波器上顯示波形和記錄波形的功能。早期，肌電信號通過照相對膠片進(jìn)行顯影才能看到；后來，把肌電信號描繪在肌電圖紙上。這兩種肌電信號記錄法的機構(gòu)都很復(fù)雜。這里介紹一種利用普通的示波器，通過單片機和A／D、D／A轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)構(gòu)成的，具有記憶、波形分析（診斷）功能和各種操作的實時處理的低功耗智能肌電測量儀。該肌電測量儀可實現(xiàn)一次采集后，多次重復(fù)顯示、打印，實現(xiàn)了肌電信號測量儀的智能化。

1　多功能肌電測量儀的硬件設(shè)計

1．1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
??? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．2　系統(tǒng)硬件的設(shè)計思想
1．2．1　電極
　　電極采用Ag／AgCl表面電極或針電極，它的極化電壓很小，而且能很快穩(wěn)定下來，因此有利于肌電信號的檢測。本系統(tǒng)采用雙電極，既可對同一點進(jìn)行測量，也可對不同兩點進(jìn)行測量。
1．2．2　采樣
　　肌電信號的頻率集中在500Hz以下的低頻部分，根據(jù)Nyquist采樣定理可知，記錄500Hz的信號，其采樣頻率必須大于1kHz，故將該測量儀每通道（左右雙通道）的采樣頻率定為2kHz。將此測量儀的頻寬設(shè)置為10Hz～5kHz，既可保證將肌電信號記錄下來，又可將硬件電路未濾掉的干擾信號取進(jìn)來再用軟件進(jìn)行濾波。
1．2．3　前置放大器
　　前置放大器為兩路，采用四運放對稱組合結(jié)構(gòu)，對50Hz市電干擾有較好的抑制能力。其輸入阻抗約為15M，在多數(shù)情況下，不需要對皮膚作任何處理即可直接提取肌電信號，另外，放大器的前端加裝緩沖級，在使用不當(dāng)時起保護(hù)放大器的作用。
1．2．4　A／D轉(zhuǎn)換器
　　A／D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率為40kHz，分辨率為12位的AD574，其采樣頻率分為兩種：EMG（Electromyograph）方式時為10kHz；SP（SilentPeriod）方式時為2kHz。此A／D轉(zhuǎn)換器保證了對兩種方式進(jìn)行快速、高精度的采樣。
1．2．5　D／A轉(zhuǎn)換器
　　D／A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率1MHz，分辨率12位的DAC1231，輸出為雙極性，變換運放采用LF358。
1．2．6　單片機
　　單片機是該測量儀器的核心部件，由它控制A／D轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、存儲器、打印機、鍵盤與顯示等電路的工作。單片機還能夠識別電極是否與皮膚接觸良好，并對獲取的肌電信號進(jìn)行動態(tài)數(shù)字濾波以消除干擾。該測量儀采用低功耗的CHMOS單片機芯片80C51BH，這種芯片允許的電源波動范圍較大，為5V±20％，并有三種功耗控制方式。
1．2．7　示波器
　　選用具有雙通道、帶寬不低于10MHz的任意型號示波器即可完成該儀器的顯示功能。
1．2．8　存儲器
　　存儲器芯片是為了長期保存所獲取的肌電信號，并在需要的時候提取欲分析的肌電信號。在滿足容量要求的情況下，選用低功耗、廉價的芯片，這里選用低功耗、容量為64kb的CMOS EEPROMAT28C64。
1．2．9　抗干擾處理
　　兩路前置放大通道采用四運放對稱組合結(jié)構(gòu)，此前置放大通道能夠?qū)?0Hz的市電信號衰減大于66dB，然后對差分形式出現(xiàn)的50Hz干擾信號用軟件進(jìn)行濾波。另外，在輸入端電路中加上截止頻率比較高的低通對稱濾波器以消除無線電高頻電磁輻射的干擾。

2　多功能肌電測量儀的工作原理

2．1　靜息期工作方式（SP方式）
　　由于SP信號的頻率集中在500Hz以下的低頻部分，故該裝置中每通道（左右共2通道）的取樣頻率設(shè)計為2kHz。從定時器T0（80C51的定時器T0設(shè)置成中斷方式）定時到達(dá)預(yù)置值后，每通道各取1024個測量點為一頁存于RAM中，并實時地以每0．05ms一個取樣點的固定速率通過DMA向D／A轉(zhuǎn)換器發(fā)送數(shù)據(jù)。D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號還原成模擬信號，經(jīng)過一個低通濾波器，最后送至示波器完成波形的復(fù)原。當(dāng)需要波形凍結(jié)時，只要從鍵盤中打入“凍結(jié)”鍵，便將數(shù)據(jù)以當(dāng)前頁在熒光屏上凍結(jié)。
2．2　單一電位工作方式（EMG方式）
　　在單一電位工作方式時，A／D轉(zhuǎn)換器受定時器T0控制，而D／A轉(zhuǎn)換器則由DMA直接控制。在這種方式下，需要測量的是一個個單獨的運動電位，而不是自始至終的所有信號。每當(dāng)需要的信號出現(xiàn)時，希望它們顯示在熒光屏相對固定的位置上，不要游動。當(dāng)需要對其進(jìn)行研究時，用另一條掃描線監(jiān)視或捕捉后面的電位。所有這些操作和控制，都是在數(shù)據(jù)采集時由CPU在程序的支配下完成的。
　　針電極在同一點記錄到的同一運動電位波形是相似的，即同一運動單位產(chǎn)生電位的時限、波幅是基本一致的，而不同單位產(chǎn)生電位的時限、波幅則差別較大。在本裝置中，可以用波幅作為觸發(fā)條件，在觸發(fā)前，計算機用滾動方法保存采集到的數(shù)據(jù)并對每一數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度檢驗，如不符合幅度則繼續(xù)搜索，符合后則根據(jù)寄存器的內(nèi)容將滾動存儲器內(nèi)容逆向保護(hù)，并繼續(xù)向前存入波形剩余部分。在沒有新的觸發(fā)情況下，熒光屏上的波形將永遠(yuǎn)保持下去。在有兩個顯示緩沖區(qū)的情況下，還可使屏上得到兩個波形。
　　數(shù)據(jù)或波形需要打印輸出時，只要在鍵盤上按下“打印”鍵，就可在現(xiàn)有狀態(tài)下得到該狀態(tài)下的顯示結(jié)果。

3　肌電測量儀中的典型低功耗設(shè)計

3．1　測量儀中的典型低功耗部分的硬件圖
??? 測量儀中的典型低功耗部分的硬件圖如圖2所示。 3．2　測量儀中的典型低功耗部分的設(shè)計思想
3．2．1　器件的選擇
　　圖2是低功耗多功能肌電測量儀中低功耗設(shè)計的主要電路部分，該電路中的芯片全部采用低功耗芯片，除單片機和存儲器外，地址鎖存器采用低功耗、肖特基TTL電路芯片74LS373。
3．2．2　存儲器的低功耗運行
　　為了降低存儲器的功耗，首先必須選用低功耗的存儲器芯片，其次使其工作在維持方式。盡管高速HCMOS28C64存儲器的功耗小，但是對該低功耗測量儀來說，還需要進(jìn)一步地減小其功耗。當(dāng)存儲器的片選端CE為“0”時，存儲器處于工作狀態(tài)，工作電流大，讀寫操作時功耗大；當(dāng)存儲器的片選端CE為“1”時，存儲器處于維持狀態(tài)，此時存儲器的功耗小。圖2給出了實現(xiàn)維持工作方式的具體方法，AT27C64的使能端不接地，而與80C51BH的ALE端連接。80C51BH進(jìn)入待機模式時，ALE變?yōu)楦唠娖?，AT27C64進(jìn)入低功耗備用狀態(tài)，不再選通這個片外存儲器。
3．2．3　單片機的低功耗運行 　　該測量儀將單片機80C51BH設(shè)置成待機方式，當(dāng)80C51BH對特殊功能寄存器PC的IDL置位后，進(jìn)入待機運行模式，此時，CPU處于睡眠凍結(jié)狀態(tài)，一些現(xiàn)行的數(shù)據(jù)將被保存下來，而中斷電路、定時／計數(shù)器及打印機可繼續(xù)工作。若結(jié)束待機運行模式，可用中斷或硬件復(fù)位的方法。

4　軟件設(shè)計

4．1　設(shè)計思想
　　為了使軟件與硬件比較完美地結(jié)合以完成所需的各種功能，在軟件上采取了以下相應(yīng)措施：
　?。?）在程序設(shè)計時，盡可能不使用軟件延時，采用定時器中斷的工作方式以減少CPU的工作時間。例如：在A／D進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)該采用信號中斷采集方式或定時中斷采集方式而不應(yīng)采用軟件循環(huán)延時的采集方式。
　　（2）由于單片機在待機時片內(nèi)定時器／計數(shù)器仍處于工作狀態(tài)，程序設(shè)計時，應(yīng)盡量充分地利用待機時單片機內(nèi)定時器／計數(shù)器的功能來計時和計數(shù)。
　?。?）進(jìn)行顯示時，不采用動態(tài)掃描顯示方式，而是利用鎖存器采用靜態(tài)顯示方式以減少CPU的工作時間，另外，可采用CMOS器件LCL004用于靜態(tài)顯示的鎖存、譯碼、驅(qū)動和顯示。
4．2　軟件流程
　　單片機的控制軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲、圖形打印和鍵盤顯示器的控制。其中，數(shù)據(jù)采集在前臺，通過定時器T0控制數(shù)據(jù)采集的長度。數(shù)據(jù)存儲、鍵盤控制和圖形打印放在后臺，采用中斷方式來完成。其程序流程圖如圖3所示。 1　宗賢鈞等．現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器．北京：原子能出版社，1993
2　何立民．MCS－51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999