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無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

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關(guān)鍵詞: 表面肌電信號,肌電信號采集,2.4GHz無線通信

      摘要:本文設(shè)計了一種無線多通道表面肌電信號(surface electromyography,SEMG)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)包括多通道的無線傳感器和信號接收部分。傳感器可獨(dú)立的穿戴于人體表面,以線形差分電極獲取表面肌電信號,對其進(jìn)行放大、濾波、A/D變換,并用無線的方式按本文設(shè)計的通信協(xié)議發(fā)送給接收部分。接收部分對各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,并通過USB接口傳輸給電腦進(jìn)行存儲、顯示和處理。每個傳感器體積為35mm×20mm×11mm,重量僅13g(含電池),一次充電可工作9個小時,無線通信距離達(dá)7.5m,采集到的信號噪聲低于-70dB(肌電信號1mV代表0dB)。該設(shè)計大大提高了電極安放的便利性,采集設(shè)備的便攜性與人體的安全性,且避免了工頻干擾,能夠滿足基于表面肌電信號的手勢或姿勢識別等研究的要求。

      1引言

      表面肌電(surface electromyography,SEMG)信號是肌肉電活動在皮膚表面處時間和空間上的綜合[1]。不同的動作中肌群收縮產(chǎn)生的表面肌電信號會表現(xiàn)出不同特征,從而可以識別出人的姿勢和動作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)交互等目的。近年來,SEMG不僅被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動體育等領(lǐng)域,而且作為一種新穎的人機(jī)交互輸入方式備受關(guān)注[2]。文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了用手臂表面肌電信號控制機(jī)械手。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了利用人體三個部位的表面肌電信號駕駛電動車。

      現(xiàn)有的表面肌電采集系統(tǒng)大多使用有線的方式,電極與采集設(shè)備和電腦等控制設(shè)備相連,由交流電源供電,例如文獻(xiàn)[5-6]就是采用了有線的SEMG電極。這種方案易引入電力線的工頻干擾[7],此外有線的電極對人體造成束縛,不便于在運(yùn)動中使用。為使得SEMG采集系統(tǒng)更加便攜、易用、電極可穿戴性好,能夠安置于全身,滿足人體姿勢動作識別等應(yīng)用的需求,本文將傳感器設(shè)計成獨(dú)立的模塊,體積盡量小,重量盡量輕,使用電池供電,用無線方式傳輸數(shù)據(jù)。無線的方案避免了工頻干擾,并且將人與交流市電隔離,電氣安全性好。同時,本文設(shè)計了無線接收電路,針對多通道SEMG信號采集的需要,自定義了一套無線通信協(xié)議。此外開發(fā)了PC機(jī)上的相關(guān)程序,實(shí)現(xiàn)了多通道信號的存儲、波形顯示和處理。實(shí)驗(yàn)證明,本采集系統(tǒng)具有實(shí)時采集、無線傳輸和存儲多通道SEMG的能力,具有微型、便攜安全、信號信噪比高等的特點(diǎn)。

      2 實(shí)現(xiàn)方法

      2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

      采集系統(tǒng)包括可穿戴于人體表面的多個獨(dú)立的無線傳感器和接收部分。多通道的無線傳感器可以按2.2節(jié)中圖4所述結(jié)構(gòu)共同工作。為了展示肌電信號采集的完整過程,圖1給出了一個通道的無線傳感器與只包含一個接收端的接收部分原理框圖。其中無線傳感器用差分電極采集表面肌電信號,之后進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換,并在單片機(jī)的控制下由射頻芯片將信號發(fā)射出去,電源由電池提供。接收端利用同樣的射頻芯片將信號接收下來,并用單片機(jī)控制整個通信過程按照一定的通信協(xié)議有序進(jìn)行,同時利用單片機(jī)自帶的USB控制器將數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī),由PC機(jī)完成信號的存儲、波形顯示和算法處理。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖1硬件原理框圖

      Fig.1 Block diagram of hardware

      無線傳感器模塊在硬件上采用了三層結(jié)構(gòu),如圖2所示。下層是信號采集和預(yù)處理板,它包括了與人體表面接觸的電極、信號的預(yù)處理電路以及一個用于A/D轉(zhuǎn)換和無線收發(fā)控制的單片機(jī);中間集成了一個可充電的鋰電池;上層是無線收發(fā)電路,集成了射頻芯片、天線匹配網(wǎng)絡(luò)以及一個PCB天線。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖2傳感器的三層結(jié)構(gòu)圖

      Fig.2 Three-layer structure of sensor

      在SEMG的多個應(yīng)用領(lǐng)域中,與人體直接接觸的電極大多采用差分結(jié)構(gòu),使用Ag/AgCl,Ag和Au等材料,電極的間距大多取10mm至30mm[8]。本系

      統(tǒng)的無線傳感器模塊電極部分由兩個長條形鍍金焊盤構(gòu)成,兩條焊盤長10mm,寬2.5mm,間距為10mm,位于傳感器底面,在差分電極旁邊是一塊面積較大的焊盤將電路地線引出,作為參考電極與皮膚接觸,使得采集到的肌電信號電壓范圍在運(yùn)算放大器允許的輸入范圍之內(nèi)。

      在信號預(yù)處理方面,考慮到表面肌電信號的特點(diǎn):幅度很小(幾十微伏至數(shù)千微伏),頻率范圍為20~1000Hz,且主要能量集中于50~100Hz范圍內(nèi);

      易產(chǎn)生運(yùn)動偽跡,其能量主要集中在0~20Hz[7],設(shè)計了如圖3所示的濾波放大電路。信號以差分方式輸入,并選擇兩款高輸入阻抗、高CMRR、低電流噪聲的放大器芯片,兩個運(yùn)算放大器與外圍元件共同完成了兩級共1000倍的放大和20~1000Hz的帶通濾波器。其中前級采用了儀表運(yùn)放AD8220,它的電流噪聲僅無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計,占用電路板面積小,通過1.5k的電阻和10μF的電容來設(shè)置該級放大倍數(shù)為34倍。后級采用運(yùn)放OPA364,具有SOT23-5封裝,在PCB板上僅占用3mm×3mm大小,適合于傳感器的微型化設(shè)計。OPA364和2個電容、2個電阻構(gòu)成通頻帶為20~1000Hz的切比雪夫Ⅰ型1階帶通濾波器,放大倍數(shù)約30倍。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖3放大濾波電路原理圖

      Fig.3 Principle of amplification and filter circuit

      從放大濾波電路輸出的信號流入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器,采用了C8051F411微控制器,它的資源和速度滿足A/D轉(zhuǎn)換和無線收發(fā)控制的需要,并且具有28腳QFN封裝,有助于減小無線傳感器模塊的尺寸。C8051F411單片機(jī)同時完成對無線收發(fā)芯片的控制,單片機(jī)與無線收發(fā)芯片之間采用四線SPI同步串行傳輸規(guī)范進(jìn)行通信。無線收發(fā)部分采用了TI公司的CC2500射頻芯片,它工作在2.4GHz,具有體積小,低功耗的優(yōu)點(diǎn)。此外,2.4GHz是免許可證頻段,天線所需尺寸較小,便于集成在PCB板上以節(jié)省電路的體積。

      無線收發(fā)模塊的設(shè)計需要著重考慮天線的布局以及高頻通路的設(shè)計。天線的位置和形狀會對通信距離及方向性造成影響,可根據(jù)應(yīng)用場合及電路板所允許空間作出選擇。在電路版圖設(shè)計時要注意將CC2500芯片底部的金屬焊盤與PCB板上的射頻地良好接觸。此外,在通信過程中盡量避免無線收發(fā)模塊的天線部分與人體直接接觸,以免影響通信質(zhì)量。

      在電源方面,傳感器使用的可充電鋰電池可提供3.7V左右的電壓,電源電路共使用了兩種穩(wěn)壓電源芯片TPS79333和TPS60401,它們體積小,效率高,外圍元件少,可分別產(chǎn)生+3.3V和-3.3V,滿足差分運(yùn)放、單片機(jī)與無線收發(fā)模塊的要求。

      無線接收端以C8051F320單片機(jī)為核心,并集成了CC2500射頻芯片和指示工作狀態(tài)的外圍器件。C8051F320單片機(jī)集成了通用串行總線(USB)功能控制器,可簡化接收端的電路設(shè)計。單片機(jī)控制無線通信的全過程,接收各傳感器數(shù)據(jù),完成自定義通信協(xié)議中的糾錯檢錯等功能,同時通過自帶的USB控制器將數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)進(jìn)行存儲、顯示和處理。無線接收端由和電腦相連的USB接口供電。

      傳統(tǒng)的有線表面肌電傳感器通常用計算機(jī)作為數(shù)據(jù)采集裝置,而計算機(jī)由市電通過開關(guān)電源供電。這種電源不能滿足醫(yī)療設(shè)備的安全要求,它可能發(fā)生一定的漏電,通過連接傳感器的導(dǎo)線引入人體,對受試者帶來觸電的危險。本文所實(shí)現(xiàn)的無線表面肌電采集系統(tǒng),它與人體接觸的傳感器跟市電系統(tǒng)沒有任何電氣上的連接,而是用電池獨(dú)立供電,電池的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體的安全電壓,從而可以確保肌電信號采集時受試者的安全。

      2.2多通道數(shù)據(jù)無線通信協(xié)議的設(shè)計

      自定義了一套用于多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了多通道表面肌電信號的無線通信。在本協(xié)議中,多個傳感器(通道)可以用時分復(fù)用的方式與同一個接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得本設(shè)計的每個接收端最多可分時接收7個傳感器的數(shù)據(jù)。為支持更多通道,本協(xié)議在此基礎(chǔ)上引入了分頻機(jī)制。接收部分由多個相同的無線接收端組成,每個無線接收端設(shè)置在不同的頻率點(diǎn)上工作,各自用分時方式與多個同頻率無線傳感器通信,而不同頻率的傳感器與接收端之間互不干擾。無線通信系統(tǒng)模型如圖4所示,本文中傳感器1~6與接收端1工作在同一頻點(diǎn)用分時方式通信,傳感器7~12與接收端2工作在另一頻點(diǎn)以分時方式通信,以此類推。各接收端與USB集線器相連,再將集線器的輸出與PC機(jī)的USB接口相連。這種通信模型下,4個接收端可支持24個通道同時工作。

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      圖4無線通信系統(tǒng)模型

      Fig.4 Wireless communication system model

      為了保證無線通信的有效性和可靠性,無線通信協(xié)議的設(shè)計中采用了如下幾點(diǎn)措施:

      1)無線數(shù)據(jù)包長度的確定。一個無線數(shù)據(jù)包越長,組建數(shù)據(jù)包、發(fā)送同步字節(jié)等占用的時間越少,有效數(shù)據(jù)傳輸效率會更高,從而支持更多的傳感器

      通道數(shù),但同時較長的數(shù)據(jù)包將多次采集的數(shù)據(jù)積攢起來而引入更大的延時。通過實(shí)驗(yàn)可測得2~7個傳感器以1kHz采樣時,無線數(shù)據(jù)包至少需要包含的采樣數(shù)據(jù)量,如表1所示。為使系統(tǒng)在無線通信部分的延時不大于20ms,選擇數(shù)據(jù)包的有效長度為40字節(jié)(采樣結(jié)果為兩字節(jié)),通信周期為20ms,接收端在每周期內(nèi)分時的接收6個傳感器輪流傳來的數(shù)據(jù),有效數(shù)據(jù)速率達(dá)到96kbps。

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      表1通道數(shù)與數(shù)據(jù)包長度關(guān)系

      Table1 Channel number and data packet length

      2)優(yōu)化分時機(jī)制中的等待時間。在分時機(jī)制中,接收端先向所有傳感器發(fā)送同步指令,每個傳感器收到指令后等待不同的時間依次發(fā)送自己的數(shù)據(jù),等待的時間由定時器來控制。這個等待時間如果過長則浪費(fèi)了通信周期,過短會由于定時器的誤差而與上一數(shù)據(jù)包沖突,影響正常接收。在確定等待時間時應(yīng)該準(zhǔn)確的測出接收一個數(shù)據(jù)包所用的時間,并在此基礎(chǔ)上加入單片機(jī)時鐘可能出現(xiàn)的最大偏差,例如接收每個數(shù)據(jù)包需時間t,單片機(jī)的時鐘偏差為5%,則在分時機(jī)制中的第二個傳感器需等待1.05t后發(fā)射自己的數(shù)據(jù),第三個傳感器需等待1.05(1.05t+t)后發(fā)射自己的數(shù)據(jù),以此類推。

      3)通信的糾錯和檢錯。為了避免數(shù)據(jù)中斷或出現(xiàn)大量誤碼等情況對通信帶來的不良影響,本文在無線通信協(xié)議設(shè)計時引入了一些糾錯和檢錯措施。例如,當(dāng)接收端等待接收數(shù)據(jù)包時,如果沒有接收到匹配的數(shù)據(jù)包而超時,則接收端放棄接收,并對本周期這一通道的數(shù)據(jù)補(bǔ)零;每個數(shù)據(jù)包頭部有自定義的數(shù)據(jù)幀標(biāo)識,當(dāng)接收端檢測該標(biāo)識出現(xiàn)差錯時,將舍棄數(shù)據(jù)包,并將缺少的數(shù)據(jù)補(bǔ)零。

      2.3USB傳輸、存儲與波形顯示

      本系統(tǒng)在采集和無線傳輸肌電信號的同時通過USB接口傳輸數(shù)據(jù)至PC機(jī),由電腦來完成肌電信號的實(shí)時顯示、存儲和算法處理。

      USB通信方面,接收端使用的C8051F320單片機(jī)其片內(nèi)USB功能控制器符合USB2.0規(guī)范,本文在此基礎(chǔ)上借助Siliconlab公司提供的USBXpress庫(通過一系列函數(shù)封裝了USB協(xié)議的細(xì)節(jié))開發(fā)相應(yīng)軟件,實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PC機(jī)的雙向通信。USB通信流程如圖5所示,在單片機(jī)端,程序使能USB并進(jìn)行設(shè)備初始化,調(diào)用中斷服務(wù)程序,引發(fā)USBXpressAPI按照USB協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在PC機(jī)端,自編的數(shù)據(jù)解析程序?qū)崿F(xiàn)了從USB數(shù)據(jù)包到多通道肌電數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換,并將數(shù)據(jù)按約定的格式提供給用戶界面程序。

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      圖5 USB通信流程

      Fig.5 USB-based communication flow

      用戶界面用VisualBasic語言編寫,如圖6所示,它具有各通道數(shù)據(jù)實(shí)時顯示,存儲為文本格式,根據(jù)不同算法標(biāo)識出有動作時的信號段,給出算法對數(shù)據(jù)實(shí)時處理結(jié)果等功能。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖6數(shù)據(jù)采集軟件界面

      Fig.6 GUI of acquisition system

      3實(shí)驗(yàn)與系統(tǒng)性能測試

      3.1可穿戴的肌電信號采集

      系統(tǒng)的每個無線傳感器重量為13g,尺寸為長35mm,寬20mm,厚11mm。正常工作時電流25mA,集成的可充電鋰電池容量為230mAh,一次充電可支持約9個小時的采集。無線傳感器的這些參數(shù)滿足一般應(yīng)用場合的需要,且使得穿戴方便,可安放于全身而不妨礙運(yùn)動。在傳感器安放時即可以用雙面膠貼在皮膚表面,也可以用束帶固定在如手臂腿部等位置。圖7分別為應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行手勢動作識別時(左上),頸部姿勢檢測時(左下)以及腿部運(yùn)動識別實(shí)驗(yàn)時(右)的傳感器安放示例。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖7表面肌電信號檢測電極安放示例

      Fig.7 Illustrations of SEMG acquisition

      圖8展示了將6個肌電傳感器均勻穿戴于受試者前臂上,受試者依次做握拳、伸掌、伸腕和屈腕四個動作時,本系統(tǒng)采集到的表面肌電信號。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖8實(shí)際采集的表面肌電信號

      Fig.8 Actual acquisition of SEMG

      3.2采集系統(tǒng)的信號質(zhì)量

      本文對傳感器采集的信號質(zhì)量做了定量測試。肌肉放松狀態(tài)下測得的信號以電路引入的噪聲為主,僅包含微量的肌電信號,總的來說可以近似視為噪聲信號。

      實(shí)驗(yàn)時將傳感器安置在手臂上,分別采集了一組正常做手勢動作時的數(shù)據(jù)和一組手臂處于放松狀態(tài)時的數(shù)據(jù),對兩組數(shù)據(jù)做頻譜分析,結(jié)果如圖9所示,其中放大前的原始肌電信號的1mV代表0dB。由圖可見,系統(tǒng)的噪聲隨頻率增大有下降趨勢,在肌電信號的全頻段內(nèi),噪聲低于?70dB,采集系統(tǒng)的信噪比(正常做手勢動作時的幅度與噪聲幅度比較)均在20dB以上,并可達(dá)到30dB。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí),信號的信噪比能夠滿足識別8類以上手勢動作等應(yīng)用場合的需要。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖9表面肌電信號的頻譜圖

      Fig.9 SEMG spectrum map

      3.3無線通信的性能測試

      本文測試了系統(tǒng)無線通信距離與誤碼的關(guān)系。將電極安置在手臂上,與接收端每隔2.5m記錄一批數(shù)據(jù),且在室內(nèi)和室外空曠處各測量一組。統(tǒng)計出正

      常接收的數(shù)據(jù)包在傳感器發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包中所占的比例,并對通信距離作圖即得到圖10。

    無線多通道表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      圖10通信有效率與距離的關(guān)系

      Fig.10 Relation ship between accuracy of transmission and distance

      由圖10可見,無論在室內(nèi)外,在7.5m的范圍內(nèi)都可以正常通信,室外通信距離會略遠(yuǎn)一些。

      4結(jié)論

      本文設(shè)計了一種微型、便攜、電池供電、無線方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗤ǖ辣砻婕‰娦盘柌杉到y(tǒng)。所設(shè)計的傳感器集成了電源電路、微弱信號采集和預(yù)處理電路、射頻收發(fā)電路,傳感器體積小、功耗小,有效的提高了肌電信號采集裝置的便攜性和使用便利性,且避免了工頻系統(tǒng)對肌電信號的干擾。實(shí)際使用結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性,為基于表面肌電信號的手勢或姿勢識別和交互研究打下基礎(chǔ)。

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    (審核編輯: 智匯張瑜)

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