嵌入式技術(shù)應(yīng)用表面肌電信號(hào)采集儀設(shè)計(jì)

嵌入式技術(shù)應(yīng)用表面肌電信號(hào)采集儀設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)(sEMG信號(hào))是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，信號(hào)形態(tài)具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能*價(jià)以及在體育科學(xué)中的疲勞判定、運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值。表面肌電信號(hào)采集屬無創(chuàng)性，操作簡單，病人易接受，有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練中。本文主要介紹表面肌電信號(hào)采集儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的控制核心選擇Atmel公司的AT91SAM7SE512處理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微處理器，可針對(duì)交互式終端類和工業(yè)控制類等多種嵌入式應(yīng)用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設(shè)備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統(tǒng)高速并行BUS等總線接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開銷，為用戶開發(fā)簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配備了8 MB的SDRAM，l GB的NANFLASH等存儲(chǔ)芯片，對(duì)外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對(duì)其余外部模塊(表面肌電信號(hào)采集模塊、人機(jī)接口模塊、Xbee無線通信模塊等)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

　　整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：兩個(gè)通道的表面肌電信號(hào)被表面電極拾取，首先通過硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進(jìn)行2 500 Hz采樣與A／D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換好的雙通道數(shù)據(jù)通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處理分兩種情況：在沒有連接使用PC端時(shí)，本地進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、簡單分析、顯示、存儲(chǔ)；在連接使用PC端時(shí)，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的情況下，可以進(jìn)行表面肌電波形的回放。以上所有人機(jī)交換操作是通過采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實(shí)現(xiàn)的。

　　2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前／后臺(tái)程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的需求，因而現(xiàn)在常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS開發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。

　　嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開發(fā)周期更短。μC／OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，代碼規(guī)模極小，運(yùn)行穩(wěn)定，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)在諸多RT0S中擁有自己的一席之地。代碼采用ANSIC編寫，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過程中只需對(duì)與處理器相關(guān)的一些代碼進(jìn)行修改。

　　同時(shí)為了進(jìn)一步增強(qiáng)軟件的可操作性，該系統(tǒng)在μC／OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上移植了μC／GUI，用作用戶圖形界面設(shè)計(jì)。μC／GUI是由Micrium公司專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一款圖形開發(fā)系統(tǒng)。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，適用于單任務(wù)或者多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。

　　另外，為了方便對(duì)于用戶資料和肌電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與操作，在SD卡存儲(chǔ)機(jī)制上，移植了FATFS文件系統(tǒng)。FATFS是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，所以具有良好的硬件平***立性，可以移植到多種平臺(tái)而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲(chǔ)介質(zhì)讀／寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　2．1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)圍繞表面肌電采集儀的幾個(gè)基本功能來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要分成下面幾個(gè)部分：

　　(1)肌電采集顯示，用于控制對(duì)肌電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、分析處理、顯示和存儲(chǔ)；

　　(2)本地肌電回放，用于對(duì)已存儲(chǔ)在SD卡中的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，并支持對(duì)無用肌電數(shù)據(jù)文件的刪除操作；

　　(3)肌電采集傳輸，選擇傳輸模式向PC端實(shí)時(shí)發(fā)送采集的肌電數(shù)據(jù)；

　　(4)用戶設(shè)置，用于設(shè)置用戶ID及實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始值等參數(shù)。以上各功能均在μC／GUI用戶圖形界面上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

　　如圖2所示，依據(jù)表面肌電采集儀的功能要求，在μC／OS-Ⅱ下設(shè)計(jì)了肌電采集任務(wù)；液晶屏顯示任務(wù)；觸摸屏輸入任務(wù)；肌電回放任務(wù)。其他所需功能均做成模塊，集成在上述某一任務(wù)中。

　　μC／OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度的操作系統(tǒng)，優(yōu)先權(quán)的設(shè)置非常重要。該系統(tǒng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序，將對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)成較高的優(yōu)先級(jí)。以下分別介紹這幾個(gè)任務(wù)和功能模塊。

　　2．2 肌電采集任務(wù)

　　肌電采集任務(wù)用于對(duì)經(jīng)過硬件放大與濾波后的雙通道肌電信號(hào)進(jìn)行2 500 Hz采樣與A／D轉(zhuǎn)換，并將其通過SPI總線接口傳輸至主芯片中以進(jìn)行后續(xù)處理?；诩‰姴杉膶?shí)時(shí)性要求，在μC／0S-Ⅱ操作系統(tǒng)中，將肌電采集任務(wù)設(shè)置為除系統(tǒng)內(nèi)核使用的優(yōu)先級(jí)外最高的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)為滿足肌電采集的精確性要求，通過啟動(dòng)定時(shí)器中斷來運(yùn)行肌電采集任務(wù)。

　　肌電采集任務(wù)分兩種情況運(yùn)行：第一種，本地采集顯示，此時(shí)運(yùn)行該任務(wù)前會(huì)被要求輸入存儲(chǔ)文件名，然后在采集肌電同時(shí)，調(diào)用下文的肌電濾波模塊進(jìn)行濾波和調(diào)用文件存儲(chǔ)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，濾波后的肌電數(shù)據(jù)和已采集的時(shí)間會(huì)送到下文液晶屏顯示任務(wù)中同步顯示出來；第二種，肌電采集并與PC端交互，此時(shí)啟動(dòng)任務(wù)需先選擇USB通信與Xbee無線模塊通信中的一種，然后才能啟動(dòng)肌電采集任務(wù)，并將原始肌電數(shù)據(jù)傳輸給PC端進(jìn)行處理。

　　2．3 肌電回放任務(wù)

　　為了使用戶能隨時(shí)回放已保存的本地肌電數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了該肌電回放任務(wù)。通過采用定時(shí)器中斷來定時(shí)讀取文件中的肌電數(shù)據(jù)，并發(fā)送給下文的液晶屏顯示任務(wù)來實(shí)現(xiàn)波形的復(fù)原顯示。同時(shí)，為了便于用戶反復(fù)觀看某一段波形，該任務(wù)支持對(duì)肌電波形的顯示與暫停，以及對(duì)波形顯示的前翻與回翻一屏操作。

　　2．4 液晶屏顯示任務(wù)

　　為了使用戶能夠了解系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)可使用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互，在μC／OS-Ⅱ和μC／GUI的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了液晶屏顯示任務(wù)。液晶屏顯示任務(wù)負(fù)責(zé)通告當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)與運(yùn)行過程，包括μC／GUl支持下的各種圖形界面。具體來說，這里集成了肌電采集、顯示與回放、時(shí)間顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)USB或Xbee傳輸?shù)鹊膱D形界面。

　　因?yàn)樵撊蝿?wù)實(shí)時(shí)性要求不高，故對(duì)其設(shè)計(jì)了最低的任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

　　2．5 觸摸屏輸入任務(wù)

　　為了人機(jī)交互的方便與系統(tǒng)整體的簡潔，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互輸入。該任務(wù)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就開始工作，采集并處理用戶通過觸摸液晶屏輸入的信息，并將得到的用戶命令發(fā)送給μC／0S-Ⅱ與μC／GUl，以完成人機(jī)交互。

　　由于用戶輸入必須保證一定的實(shí)時(shí)性，以便使用戶不會(huì)感受到系統(tǒng)大的延時(shí)，在此對(duì)觸摸屏輸入任務(wù)設(shè)計(jì)了僅低于肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)的第三高優(yōu)先級(jí)。

　　2．6 其他功能模塊

　　除了以上幾個(gè)任務(wù)之外，設(shè)計(jì)了幾個(gè)功能模塊輔助以上幾個(gè)任務(wù)，具體如下：

　　(1)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。在AT91SAM7SE512芯片外擴(kuò)展了一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563用來為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘值，以便記錄用戶肌電數(shù)據(jù)采集時(shí)的具體時(shí)刻。PCF8563通過TWI(I2C)接口與AT91SAM7SE512芯片通信。

　　(2)定時(shí)器中斷模塊。在AT91SAM7SE512芯片中啟動(dòng)定時(shí)器中斷來支持肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)。定時(shí)器中斷頻率設(shè)計(jì)為2 500 Hz，用來在肌電采集任務(wù)中定時(shí)向ADC發(fā)送采樣轉(zhuǎn)換指令，并讀取雙通道肌電信號(hào)的數(shù)據(jù)，或者在肌電回放任務(wù)中定時(shí)從肌電文件中讀取雙通道肌電數(shù)據(jù)。

　　(3)文件系統(tǒng)模塊。為了方便肌電數(shù)據(jù)在SD卡中的存儲(chǔ)和處理，在以SPI模式讀寫SD卡的基礎(chǔ)上移植了FATFS文件系統(tǒng)模塊來管理肌電數(shù)據(jù)。FATFS可以使用戶方便地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，讀取數(shù)據(jù)文件與刪除無用文件。

　　(4)通信模塊。為了使采集的肌電能實(shí)時(shí)傳輸給PC端處理，設(shè)計(jì)USB有線與Xbee無線兩種通信模塊。USB有線通信，利用片上USB外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)與PC端的數(shù)據(jù)交互；Xbee無線通信，利用片上UART接口操作本地Xbee無線模塊與PC端的Xbee無線模塊通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端處理的功能。

　　(5)用戶設(shè)置模塊。對(duì)每一部設(shè)備而言，均有一些設(shè)置需要用戶更改，如用戶ID等。為便于在掉電狀態(tài)下保存此類信息，采用一片非易失性鐵電存儲(chǔ)器FM24CL64來保存此類信息。該存儲(chǔ)芯片通過TWI(I2C)接口與主芯片通信，可隨時(shí)讀取與保存用戶設(shè)置信息。每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，都會(huì)自動(dòng)讀入用戶已存儲(chǔ)好的設(shè)置信息。

　　(6)肌電濾波與分析模塊。表面肌電信號(hào)的頻率范圍為10～500 Hz。由于50 Hz工頻噪聲干擾處于表面肌電信號(hào)能量集中的頻段，且幅值較大，如果不做處理，肌電信號(hào)將被工頻噪聲所淹沒。因此在本地采集顯示時(shí)，選用嵌入式環(huán)境中應(yīng)用廣泛的梳狀濾波器。梳狀濾波器可以有效濾除50 Hz工頻干擾和基線漂移，Q值足夠高，盡量少影響有效肌電信號(hào)，并且計(jì)算量很少，且沒有浮點(diǎn)運(yùn)算，非常適宜用于嵌入式環(huán)境中。另外，為讓用戶直觀地感受肌電信號(hào)，在肌電波形顯示窗口旁邊做了一個(gè)可以上下浮動(dòng)的氣球，根據(jù)本地濾波后的肌電數(shù)據(jù)平滑平均并與參考值比較后的兩者差值上下浮動(dòng)。

　　3 結(jié)語

　　肌電信號(hào)在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷、康復(fù)工程等方面有著廣泛應(yīng)用，對(duì)它的檢測分析已成為醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程界研究的熱點(diǎn)問題之一。這里研制的表面肌電信號(hào)采集儀，基于嵌入式ARM技術(shù)構(gòu)建，體積小，重量輕，功耗低，通信方便，穩(wěn)定性較好，界面簡潔人性化，操作方便，在實(shí)踐中證明能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能采集到清晰的肌電信號(hào)。采用μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)與μC／GUI圖形用戶界面，便于后續(xù)研發(fā)中添加功能模塊與新任務(wù)。另外，若前端配用不同的傳感器，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他生理信號(hào)的采集和分析處理。