基于嵌入式技術(shù)的表面肌電信號(hào)采集儀設(shè)計(jì)

1、    基于嵌入式技術(shù)的表面肌電信號(hào)采集儀設(shè)計(jì)0引言運(yùn)動(dòng)性肌疲勞是體育界和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)界十分關(guān)注的課題。目前，許多研究致力于尋找評(píng)定和預(yù)防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數(shù)研究是從全身的生理、生化狀況來(lái)推斷肌肉的功能狀況，直接進(jìn)行局部肌肉的研究還很少。表面肌電信號(hào)(sEMG信號(hào))是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來(lái)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0 引言    運(yùn)動(dòng)性肌疲勞是體育界和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)界十分關(guān)注的課題。目前，許多研究

2、致力于尋找評(píng)定和預(yù)防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數(shù)研究是從全身的生理、生化狀況來(lái)推斷肌肉的功能狀況，直接進(jìn)行局部肌肉的研究還很少。表面肌電信號(hào)(sEMG信號(hào))是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來(lái)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)域的肌肉功能評(píng)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(wú)創(chuàng)性，操作簡(jiǎn)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

3、小巧方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)銷，為用戶開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)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)

4、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(wú)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(guò)硬件放大和模擬濾波后送入多通道16b ADC中進(jìn)行2 500 Hz采樣與AD轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換好的雙通道數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處

5、理分兩種情況：在沒(méi)有連接使用PC端時(shí)，本地進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、簡(jiǎn)單分析、顯示、存儲(chǔ)；在連接使用PC端時(shí)，通過(guò)USB接口或者Xbee無(wú)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(guò)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(kāi)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(kāi)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、

6、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(kāi)發(fā)周期更短。COS-以其本身所具有的源碼開(kāi)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(xiě)，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過(guò)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COS-的基礎(chǔ)上移植了CGUI，用作用戶圖形界面設(shè)計(jì)。CGUI是由Micrium公司專門(mén)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一款圖形開(kāi)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(kāi)源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門(mén)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(yǔ)言編寫(xiě)，所以具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，可以移植到多種平臺(tái)而只需做簡(jiǎn)單的修改。需要使用者編寫(xiě)移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲(chǔ)介質(zhì)讀寫(xiě)接口DiskIO和供給