肌电信号无线采集装置的研制及应用

冯媛媛，戴威，王文波，蔡雷，王浩

(1. 南京航空航天大学 a. 航天学院，b. 仿生结构与材料防护研究所, c. 自动化学院，江苏 南京 210016; 2. 山东省科学院生物研究所，山东 济南 250014)

0 引言

肌电(EMG)信号的采集与分析已成为生物学和医学界研究的热点之一。肌电信号微弱，采集易受干扰、测量难度大，有效地提取肌电信号是EMG应用的一个关键方面[1]。

采集肌电信号的传输方式分有线信号传输和无线信号传输两种。有线信号传输速度快，稳定性高，但在便携性方面存在缺陷，通常应用于静止目标肌电信号的采集。无线信号传输避免了过多的信号传输线路对采集目标运动的束缚和运动区域的限制，适于运动目标的肌电信号采集。

在适于小动物携带的肌电信号无线采集设备方面，国外Harrison等研制了基于集成电路的EMG无线采集设备，用于蝗虫EMG信号的采集[2]。Thomos等人研制出的适用于飞行昆虫的EMG无线采集系统，该系统以集成电路为核心，通过无线射频传输电能，有效地减除了电池的质量[3]。 Grand等人研制出适用于猫、兔子等动物的EMG无线采集设备，同时结合了高速摄像机，用于同步记录猫的肌电信号以及运动状态[4]。国内对人体表面肌电信号的采集系统研究较多[5-8]，而对适用于运动目标肌电信号采集的无线信息传输研究较少。目前仅有南京航空航天大学刘婷婷设计了大壁虎肌电信号在体采集装置[9]，将采集到的数据存储至TF卡，通过后期读取数据对大壁虎的肌电信号进行研究，不具备EMG信号实时显示与监测功能。

考虑到集成电路设计难、成本高，以及适用于自由运动小动物EMG信号采集、实时传输与显示存储方面的研究尚未见报道。故本文提出了一套适用于静态以及运动小动物EMG信号的实时采集、传输与监测系统。该系统可以在实时监测EMG信号的同时，兼具远距离传输和操作便捷的特点，为自由运动小动物EMG信号采集，运动状态以及力学同步测试和分析奠定基础。

1 工作原理

系统的整体结构框图如图1所示。首先8个通道所采集到的肌电信号经过单8通道数字控制模拟电子开关CD4051进行选通。其中CD4051可以达到MHz级别的选通速度，由单片机引脚控制选通，以此实现信号的同步采集功能。然后，经过首级电压放大、滤波、末级电压放大后由单片机的A/D进行模拟信号采集。STM32F103RCT6将采集到的肌电信号进行数字滤波后，经过nRF24L01无线收发模块进行无线数据传输，无线接收端将接收到的数据通过串口发送至上位机同步实现信号的显示与存储。

图1 系统总体框图

系统所用STM32F103RCT6具有256 kB的Flash、48 kB的SRAM、2个SPI、3个串口、1个DMA控制器以及2个12位的ADC。ADC的最大转换速率可达1 MHz，完全满足频率范围在0～500 Hz的肌电信号采样要求。所用nRF24L01无线模块为工作频率2.4～2.5 GHz的ISM单片无线收发器芯片，通过配置最高可实现2 Mb/s的通信速率，具有功耗低，抗干扰能力强等特性，与单片机的DMA控制器配合进行数据传输，可有效提高系统实时性能。

2 调理电路设计

鉴于所采集的肌电信号较弱，幅值一般在5mV以内[10]，频率主要集中在0～500Hz之间，容易受到工频的干扰，设计了如图2所示肌电信号采集系统前端调理电路：主要包括前端放大电路、50Hz工频限波电路、带通滤波电路以及后端放大电路。前端信号放大是非常重要的阶段，需要将信号放大合适范围同时抑制干扰与噪声。本文采用了仪表放大器INA128，该芯片可以有效抑制共模干扰，具有低噪声、低功耗以及精度高等特点。前端放大倍数为20倍。选用的运算放大器LMH6644，具有超低偏置电流、失调和漂移的特点，以避免肌电信号淹没在器件本身的噪声中。

为了提取有效的肌电信号，系统设计的带通滤波器的截止频率范围是10～1 000Hz，实际测得幅频特性如图3(b)所示。此外，采用有源T型陷波器的方法，对50Hz的工频干扰进行有效滤除，使50Hz工频衰减-25dB，实际测得幅频特性如图3(a)所示。最后进行末级放大，将处理后的信号放大到适合的范围内供单片机A/D进行采样，整个调理电路最终将信号放大了1 000倍。

图2 信号调理电路

图3 滤波电路波特图

3 系统软件设计

整个系统软件设计主要分为下位机软件部分以及上位机软件部分，下位机软件用以实现肌电信号的采集、处理及无线传输功能。基于LabVIEW的上位机软件部分则用于实现肌电信号数据处理、还原显示以及存储功能。

3.1 基于STM32F103下位机系统程序设计

下位机软件系统包括信号采集与无线发送以及无线模块数据接收两部分。由于生物肌电信号的频率主要集中在0～500Hz，为了真实、全面地进行信号采样。根据香农采样定理，系统采用定时器方式实现A/D等间隔信号采样，定时间隔为0.1ms，即采样频率为10kHz。采样后的数据经由nRF24L01无线模块发送出去，其程序流程图如图4(a)所示。

无线接收端在接收到9 600个字节后，为数据添加上两个字节的帧头后将其作为一个数据包通过串口DMA的方式发送至上位机，其中串口波特率设置为921 600，可以实现数据的高速传输；通过DMA传输可以有效提高系统传输效率，为系统实时性提供保障。其无线模块数据接收部分的程序流程图如图4(b)所示。

图4 信号采集无线接收图

3.2 基于LABVIEW的上位机系统程序设计

上位机系统程序前面板如图5(a)所示，主要包括串口设置、数据保存按钮、数据存储路径设置以及八通道肌电信号显示波形图，其中每个显示窗口可以显示4个通道的肌电信号波形。本设计上位机系统操作十分便捷，当下位机通过串口向上位机发送数据时，上位机系统即可对数据进行处理，并将相应通道的数据以波形的方式显示出来，用户只需观察到波形参数并保存即可。

如图5(b)所示为肌电采集上位机程序框图，开始运行前，首先对串口进行初始化，主要初始化参数为串口号、数据传输位数、校验方式以及数据传输波特率，程序开始运行后，上位机将对所接收的数据进行校验，当检测到所设置的数据帧头时，将帧头后的数据以9 600字节为一包的方式进行分批处理。处理时将8个通道所对应的数据转换成相应的电压值并还原到波形图上进行显示，同时将采集电压所对应的时刻和此刻的各个通道的电压值以多维数组的形式存储在计算机上。实验结束后，关闭串口，清除缓冲区数据，完成整个实验数据采集与保存。

图5 上位机系统图

4 结语

整个系统具有8个采样通道，可实现对频率高达12.5kHz的信号进行采样。该系统设计了模拟放大滤波电路与上位机数字滤波模块，旨在实现对常见的幅值为0～1mV，频率为0～500Hz的肌电信号进行采样。系统配备

无线模块，最远无线传输距离可达200m。系统上位机可实现采集数据与绝对时间进行匹配精度可达微秒级。测试时须将下位机采集系统通过通道安置在被测试目标身上，采集数据通过无线模块进行传输，由PC端上位机对数据进行分析、处理与保存。测试目标主要为生物运动时产生的肌肉电信号，该系统可应用于静态以及运动目标肌电信号采集研究。

该系统分为上位机显示与存储单元以及下位机采集与传输单元。其中下位机采集系统安装在测试目标身上，集成了微处理器、放大滤波电路与无线发射芯片，采集系统测量通道多、整体尺寸小、质量轻，增大了实验可操作性，减轻了目标的负重。下位机传输系统采用了DMA方式，提高了系统实时性能。上位机显示与存储系统界面简洁，操作方便。在后续应用中，可以分别对8个通道进行同时采集，从时域和频域对该系统采集到的EMG信号进行定量分析，并且可与高速摄像相结合，可进行运动状态的同步分析，以探索小动物自由运动时相关运动肌的肌电采集与分析方法，为研究其卓越的运动能力提供基础。

[1] 陈岁生, 卢建刚. 一种无线肌电信号采集装置的设计[J]. 单片机开发与应用, 2008，2(1): 12-18.

[2] Harrison R R, Fotowat H, Chan R, et al. Wireless Neural/EMG Telemetry Systems for Small Freely Moving Animals[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits & Systems, 2011, 5(2):103-111.

[3] Thomas S J,Harrison R R, Leonardo A, et al. A battery-free multi-channel digital neural/EMG telemetry system for flying insects[C]// Biomedical Circuits and Systems Conference. IEEE, 2011:424-436.

[4] Grand L, Ftomov S, TimofeevI. Long-term synchronized electrophysiological and behavioral wireless monitoring of freely moving animals[J]. Journal of Neuroscience Methods, 2013, 212(2):237-241.

[5] 王金凤, 李涛, 孙漫漫. 基于STM32处理器的表面肌电无线采集装置设计[J]. 电子技术应用, 2012(7):78-80.

[6] 周兵, 纪晓亮, 张荣,等. 表面肌电信号采集仪的软硬件设计[J]. 现代科学仪器, 2010(4):58-61.

[7] 胡巍, 赵章琰, 路知远,等. 无线多通道表面肌电信号采集系统设计[J]. 电子测量与仪器学报, 2009, 23(11):30-35.

[8] 王星, 张莹, 赵德春,等. 多通道表面肌电无线采集系统设计及实验研究[J]. 仪器仪表学报, 2012, 33(11):2460-2465.

[9] 刘婷婷, 王浩, 蔡雷,等. 大壁虎肌电信号在体采集与存储装置[J]. 生物医学工程研究, 2013，32(3)：135-139.

[10] 任剑锋. 基于LabVIEW的神经信号记录及分类的虚拟仪器[D]. 南京：南京航空航天大学, 2008.