32通道无线表面肌电和加速度信号采集系统设计*

左鹏飞，路知远，张永强，董中飞，陈 香

(中国科学技术大学信息学院电子科学与技术系，合肥230027)

表面肌电sEMG(surface Electromyographic)是人体运动时肌肉收缩产生的生物电，与肌肉组织的生理特性以及神经控制特性密切相关，且不同肌群组织的肌电信号展现出不同的特征。目前，肌电信号的研究分析已成为临床诊断、康复医学、生物机械等诸多领域的研究热点。尤其是sEMG信号，无创伤测量的优点使它被广泛应用于临床诊断、康复工程和运动体育等领域。局部肌肉疲劳的sEMG信号特征不仅是肌肉疲劳的客观评价指标，而且对于阐明肌肉疲劳发生的内在生理、心理机制具有重要的理论意义和应用价值［1］。李云等［2］实现了基于加速计与sEMG传感器信息融合的手语识别方法，张启忠［3］等实现了基于sEMG形态特征的多模式识别研究，Bonfiglioli R［4］等通过分析腕管综合征体力劳动者的sEMG信号特性提出肌电信号峰度可以作为监测患有肌肉神经疾病患者病情发展情况的重要参数，Klaver-KrÓl E G［5］等测量并分析了患有纤维肌痛患者的肌肉纤维速度和肌电信号的特征。

肌电信号电势微弱，幅度在几百至几千μV之间，且易受外界条件干扰，这给肌电信号的采集和处理造成一定困难［6］。高性能肌电采集系统的研制是当前研究热点之一，国内外各大公司和研究机构为此做出了大量的工作，如万莎［7］等设计了一种基于Lab-VIEW的多通道sEMG信号采集系统，Ahamed N U［8］等研制了一种高精度且接口可扩展的sEMG信号采集系统。目前的肌电信号采集系统主要采用有线和无线两种信号传输方式。有线传输的优点是信号传输稳定和可持续供电，缺点是便携性差，容易引入工频干扰，且有线连接会对运动造成束缚，不便在运动中使用。相反，无线传输方式具有优越的便携性能，广泛应用于移动健康监护和运动检测等领域。无线传输的缺点是易受外界干扰，有效传输距离和电池持续工作时间是无线传输系统的重要性能指标。

本文设计的目标是对无线肌电采集系统的采样率、功耗、以及无线传输距离等性能参数进行改进，具体为:提高采样率以获取更高的数据精度;降低功耗以达到更长的持续工作时间;采用稳定的蓝牙无线传输方案，降低丢包率及误码率;集成可提供重要的人体姿态信息的加速度信号采集模块。此外，采用FPGA为接收端提供大数据的实时处理能力。实验表明，本文设计的系统具有32通道信号的实时采集、存储、显示功能，且具有高数据精度、更稳定的无线传输性能和高信噪比等优点。本文工作为康复工程、运动医学和人机交互等研究提供了一种可靠的运动信息捕获系统。

1 系统设计

1.1 硬件系统设计

系统主要由信号采集发送端和信号接收端组成。信号采集发送端采取传感器与传输模块有线连接的方式，每组模块由信号采集传感器和数据发送模块构成。首先通过肌电传感器和加速计采集肌电和加速度信号。其中肌电信号经传感器放大滤波后与加速度信号同时输入到到单片机AD转换输入端，8通道信号经AD转换后由单片机打包到蓝牙发送模块缓冲区准备发送。蓝牙接收端实时接收数据包，经FPGA汇总后，通过USB传输至PC机进行数据存储及波形显示。系统整体结构见图1。

肌电采集传感器采用差分电极方式，电极材质是999纯银，直径0.9 mm，电极间距10 mm。传感器通过差分电极采集肌电信号。人体肌细胞动作电位幅值在-80 mV～30 mV之间，传达到肌肤表层后变得很微弱，表面肌电信号一般低于几mV［9］。根据需求需要进行约500倍的放大。由于电阻值和极限频率的因素，采用二级放大电路完成。前级放大电路放大倍数约330，二级放大电路放大1.47倍。由于肌电信号有效频率范围是20 Hz～1 kHz［10］。采集过程中，由于电极与皮肤之间摩擦而产生的运动伪迹频率小于20 Hz，所以带通滤波器的高通截止频率设为 20 Hz，低通截止频率为1 kHz。

图1 系统结构框图

表面肌电信号通常受到来自不同干扰源的影响，其中工频干扰的影响最为明显，如何有效地抑制甚至去除其中的干扰，对信号表面肌电的后续处理及应用至关重要［11］。由于传感器采用差分方式，且距参考电极相对较远，50 Hz工频干扰信号会在差分电极上近似形成共模信号。高共模抑制比的放大器对其起到了较好的抑制作用。传感器滤波电路采用的是多路负反馈有源二阶带通滤波器，该滤波器电路的增益、带宽、品质因数可根据不同的应用需求进行调节放大倍数，电路原理图见图2(a)。

图2 肌电传感器原理图

如图2(a)所示，前级放大电路的放大器为AD8220，该集成放大器具有输入阻抗高、高CMRR、低电流噪声的优点，可有效抑制共模噪声信号，减少输入电流噪声。后级放大电路采用集成运放OPA2349，该运放静态电流仅为1 μA，轨到轨的设计更加适用于采用电池供电系统。

肌电传感器采用3.3 V电池供电。放大器输入电压要求为±2.5 V，因此需要进行电压反向变换，电压转换电路选用tps60401芯片实现电压反转，该芯片具有封装小、功耗低的优点，原理图如图2(b)所示。

数据发送模块主要实现加速度信号的采集，模拟信号到数字信号的转换、数据打包及蓝牙控制。该模块由电池管理模块、电压转换模块、信号电压抬高模块、单片机控制模块、加速度采集模块和蓝牙模块组成。

发送端配有可充电锂电池，容量1 000 mAh，同时具有充电控制功能，只需USB接口提供5 V直流电压，即可完成充电。充电控制芯片选用BQ24020芯片，通过外围电阻的匹配实现3.7 V锂电池充电，充电时间约3 h。

而在NBA，人们熟悉的林书豪是个“疯子”。2012年，在尼克斯队与湖人队的对决中，这个坐冷板凳的“临时工”火力全开，面对科比的强势进攻砍下了38分。此役之后，美国媒体为他创造了一个新词“Linsanity”——林疯狂。

由于发送端芯片需要不同的工作电压，分别为3.3 V和 2.5 V，因此采用输出电压可调节的tps62200芯片实现电压转换，该芯片采用SOT23-5封装，低功耗，且输出电压可由外围电阻匹配调节。

由于肌电传感器采用双电源运放，输出信号电压范围是±1.25 V，而单片机的模拟信号出入端电压范围是0～2.5 V因此要对肌电信号进行1.25 V的电压抬高，电压抬高功能采用电压跟随电路实现(见图3)，2.5 V输入由C8051F411单片机参考电压P1.2端口输出提供，经分压，跟随电路的最终输出电压为1.25 V。

图3 电压抬高电路

单片机模块采用28引脚QFN封装的C8051F411，实现AD转换以及蓝牙芯片控制。

系统采用MMA7361L加速计获取模拟加速度信号。该传感器为LGA-14封装，体积为3 mm×5 mm×1 mm，输出电压和加速度线性相关，范围是0～3.3 V，该加速计支持 ±1.5 gn，±6.0 gn两档，本系统选用±1.5 gn(gn:重力加速度1 gn=10 m/s2)。

蓝牙模块采用HWW-SPP嵌入式蓝牙串口通讯模块。蓝牙设备在第一次通信前需要进行初始化操作，主要包括复位、读取并记录本地蓝牙地址、设置查询响应时间参数等［12］。核心模块尺寸大小为28 mm×15 mm×2.35 mm。配对中的工作电流为30 mA～40 mA，配对完毕，未通信时工作电流为2 mA～8 mA，通信过程中工作电流为8 mA。通信协议采用蓝牙2.0通用协议标准，波特率为115 200 bit/sV。

接收端采用FPGA芯片实现了对四组蓝牙接收模的操作，使他们并行工作。FPGA芯片采用Altera公司的CycloneⅢ系列产品EP3C25Q240。四组蓝牙接收模块分别与发送端对应的蓝牙模块进行一对一通信，每对蓝牙完成8通道数据的收发。FPGA完成对32通道信号打包成统一的帧格式发送至PC机(帧格式见表1(a))，接收端硬件框图如图4所示。

图4 接收端硬件框图

接收端采用5 V供电，采用1117系列芯片转换电压实现多种电压需求。使用串口USB接口芯片CH341实现数据向PC机端的传送。

1.2 无线通信协议设计

发送端对8通道数据进行打包重组成帧格式，C8051F411内置AD转换精度为12 bit，故每个采样点分配16 bit存储数据:其中前4 bit作标志位，后12 bit存储数据。因此每帧包括16 byte。字节结构见表1(a)，帧结构协议格式如表1(b)所示。

表1 发送端数据格式(a)字节结构

表2 汇总模块端帧结构

2 软件程序设计

数据发送端，软件程序主要实现8通道数据采集，以及通过UART向蓝牙发送芯片输入数据。程序流程图如图5所示。

图5 发送端程序设计流程图

接收端程序主要完成对4组蓝牙进行UART通信和对接收到的数据进行数据解析与重组。数据解析主要有两个功能:根据设定的数据帧格式对数据进行检验，找出数据包的帧头实现数据对齐;同时对数据检错，发现破损的数据包自动丢弃处理。数据重组是将收到的数据按照新的帧格式进行数据打包，发送给PC机端，接收端程序流程图见图6。

图6 接收端程序设计流程图

PC机端界面显示程序基于C++语言开发，实现32通道数据的实时显示，同时对完成对数据进行文本格式存储，数据采集软件界面如图7所示。

图7 数据采集软件界面

3 性能测试

3.1 信号采集发送端

为了信号采集安放方便，信号采集发送端设计成腕带形式，实物如图8(a)所示。每个腕带前端是5个肌电传感器，与后端控制模块之间有线连接，线长分为25 cm和100 cm两种，分别测量上肢和下肢信号。每个肌电传感器的体积为22 mm×18 mm×7 mm，控制模块体积为54 mm×34 mm×12 mm。每组重量约为60 g，工作电流为100 mA，电池容量800 mAh，工作时间可持续6 h。

图8 系统实物图

信号采集过程中可用弹性腕带将传感器固定，测量位置可随需求改变。接收端模块实物图见图8(b)。采集过程中通过数据线连接至PC机，进行实时数据传输。测量方式如图9所示。

图9 肌电信号采集方法示例

图10为一组将传感器穿戴在实验者左臂，分别做握拳、伸掌、手臂左右、圆周摆动所产生的信号示意图。

图10 8通道信号波形

3.2 传感器性能测试

本系统放大倍数为约500，频带为20 Hz～1 000 Hz，为测试放大滤波电路的幅频特性，在0.5 H～1 300 H的频带内测试了放大电路的放大性能。选择输入信号为正弦波，幅值为5 mV，在测试频带内选取20个测试点，观察每个频率测试点上的电压值。实验结果见表3。

表3 放大滤波电路幅频特性测试

根据表3结果绘制幅频特性波形图如图11所示，从图11可以看出，在高通截止频率20 Hz点的放大倍数300倍，在低通截止频率1 000 Hz点的放大倍数约250倍。在频率为200 Hz时达到最大值470倍。在肌电信号主要能量频率段50 Hz～100 Hz内都有超过400倍的放大倍数。

图11 放大滤波电路幅频特性曲线

肌电传感器的抗噪声性能是本系统的重要性能指标。本文对信噪比的测量方法是正常的动作信号电压与无动作产生的信号电压(肌肉放松状态下所测量的信号可视为噪声信号)的比值，经测量放松状态下的信号电压为1.1 mV，动作产生的信号电压最高位1.25 V，信噪比约为70 dB。

3.3 无线通信质量测试

电磁波在实际环境中的传播与在理想自由空间中的传播有很大的区别，主要干扰因素包括:吸收、反射、折射、多径干扰等［13］。无线传输中因为受到干扰或人体运动的影响，难免会发生数据出错或丢失的现象。因此在发送的数据包中加入自定义的帧标识，接收到的数据包帧标识有误，则丢弃该数据包，相应数据补零处理;若超时仍未接收到信号，认为数据包丢失，亦补零处理。这样处理的原因是sEMG信号中若出现小段的零信号，不会影响手势识别的结果。因此根据非补零的数据所占的比例计算通信有效率即误码率。测试过程是分别在室内室外选取直线距离20 m通信距离，并间隔2 m作为测试点，在测试点上做握拳，伸掌，手臂左右、四周摆动四种手势动作各20次，并对收到的数据进行存储以待进行误码率计算。测试结果显示，本系统室内有效通信距离约为10 m，室外有效通信距离约为12 m。测试结果如图12所示。

实验结果表明室外通信质量会优于室内通信，造成这种差别是因为建筑物的物理特性。2.4 G无线信号对不同的墙体表现不同的穿透能力，同时会受到室内布局的影响［14］。

4 结论

图12 通信性能测试结果

本文设计了一套便携式、无线通信传输的32通道表面肌电和加速度信号采集系统。该系统中的表面肌电传感器具有很高的抗噪声性能。传感器与发送端采取有线连接的方式，既能方便电极安放，又缩小了传感器的体积。无线传输采用蓝牙2.0协议，通信稳定，丢包率低。本系统不仅可以应用于医疗诊断和康复医学中的肢体运动信号采集，还可以应用于手语识别、情境感知等更广泛的科学研究领域。

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