表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计

放大。但在实际检测过程中由于检测电极和皮肤表面接触处会
产生较大的直流电压，如果采用高增益的单级放大电路，就可能
万方数据
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《测控技术）２００ｓ年第２７卷第３期
引起放大器的饱和而丢失真正有用的信息。因此应采用多级逐 步放大。对于级联系统的噪声系数可以用下式表示
采用传统差动输入，以抑制共模噪声。为了提高输入阻抗及考 虑高通电阻匹配问题，在每个信号的输入端用ＡＤ５４８缓冲输入 电压并实现第一级放大。ＡＤ５４８为低失调电压、低漂移的ＪＦＥＴ 型运算放大器，它具有高的输入阻抗，这样有益于减少生物电信 号源内阻（人体组织阻抗和电极与组织界面阻抗）对差分放大 器的影响。电路中单个增益电阻器Ｒ１连接在两个输入放大器 的求和点之间，每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输 入端的电压，整个差分输入电压都呈现在ｍ两端。因为输入 电压经过放大后（在ｕ１和Ｕ２的输入端）的差分电压呈现在
磁。尉。昭这３个电阻上，所以差分的增益可以通过尺１来进行
调整。在第一级缓冲电路中，共模信号在冠ｌ的两端使得通过
引线移动和信号内在的不稳定性，使得０～２０ Ｈｚ的频率范围内
的肌电信号含有很多的噪声，故在电路中采用高通滤波的方式 对０—２０｝Ｉｚ的信号加以抑制。 本设计的单路肌电信号前端处理电路如图２所示。输入端
…。＋竿＋等＋糕＋．．・
其中，』、ｒ为系统的总噪声指标，Ⅳ１，他，Ⅳ３等分别为各级的 噪声指标，蜀，邑，玛为各级增益指标。由上式可以看出系统的 噪声系数主要取决于第１级，为了控制系统总噪声应对各级的 增益和噪声进行综合考虑和分配。另一方面，为了减小空间电 磁场形成的噪声混入肌电信号，尤其是其中电网辐射造成的工 频干扰，模拟放大电路应该有比较高的共模抑制比。由于电极
并行数据输出，ＭＡＸｌｌ５允许每路通道的最大采样率为５０
ｋＨｚ，一共可以采集８路信号，价格也比较便宜，完全满足对肌电
信号采样频率的要求。信号采集与传送的控制单元选用ＣＹ・ ＰＲＥＳＳ公司的具有增强型５ｌ内核的ＥＺ—ＵＳＢ系列的单片机 ＣＹ７Ｃ６８０１３。其含有２５６ Ｂ寄存器ＲＡＭ，２个ＵＳＡＲＴ，３个定时／ 计数器和２个数据指针¨Ｊ。选用这款芯片更主要的原因是其内 有４８０ Ｍｂ／ｓ的收发器（ＰＩＪＬ和智能ＳＩＥ），包含全部ＵＳＢ２．０物 理层。要完成对肌电信号的实时上传和不间断的采集，必须要 保证上传到Ｐｃ机的速度。ＵＳＢ２．０的理论最高上传速度是４８０ Ｍｈ／ｓ，它的全速传输模式为１２ Ｍｈ／ｓ，本设计中为了提高数据从
表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计
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表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计
朱昊，辛长宇，吉小军，施文康
（上海交通大学信息检测技术与仪器系，上海２０００３０）
摘要：针对表面肌电信号幅度小、信噪比低、易受干扰、准确获取困难的问题，设计了高共模抑制比的前端放大电路，有效地 抑制了共模干扰。采用ＥＺ．ＵＳＢ ＦＸ２的ｓｌａｖｅ ＦＩＦｏ模式的数字电路构成了基于ＵＳＢ２．０的８路高速采集与传送系统，各路 信号的最大同步时间差不超过Ｉ ｍｓ。编写了可在普通Ｐｃ机上运行的上位机读ＵＳＢ口数据程序，在上位机上得到了实时、 完整、准确的肌电信号，为肌电信号处理、分析和应用提供了可靠的数据基础。 关键词：表面肌电信号；共模抑制；仪用放大器；ＵＳＢ２．０接口；ＣＹ７Ｃ６８０１３ 中图分类号：ＴＰ２７４＋．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２００８）０３—００３７一０３
ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｓＥＭＧ ｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓＥＭＧ ｓｉｇ－
ｎａｔ ａｎａｌｙｚｉｎｇ
ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．
Ｋａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＵＳＢ ２．０；ＣＹ７Ｃ６８０１３
肌电信号是肌肉中许多运动单元动作电位在时间和空间上
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｊｍｓｈａｉ，２０００３０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉ ｇ：ｈ ＣＭＲＲ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ＳＮＲ ａｎｄ ｅａｓｉｌｙ ｔｏ
ｔｏ
ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｉｎ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓＥＭＧ ８ｉｇＩｌａｌ．Ｉｔ ｉｓ
机通过ＵＳＢ口传回的数据‘引。
５实验与结论
按上述思路和方法，设计实现了８路肌电信号的采集系统。
为了验证系统性能，用一次性使用医用心电电极对两名试验者
（男女各一人）肱二头肌肌肉在放松和用力两种情况下的肌电
信号进行了采集，从上位机得到的肌电信号图形如图５所示。
图３数据采集与传送系统框图
由系统框图可以看出本部分的工作过程是用ＣＹ７Ｃ６８０１３ 来控制Ａ／Ｄ芯片采集数据，将转换后的数据直接传人内部 ＦＩＦＯ，当ＦＩＦＯ容量达到指定程度以后，自动将数据打包传送给 ＵＳＢ总线。在传送数据的过程中，不需要ＣＰＵ的参与，在打包 时Ａ／Ｄ仍持续转换，内部ＦＩＦＯ也持续写入转换结果。只要内 部ＦＩＦＯ写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数 据，从而保证了连续高速采集的可靠性。ＣＹ７Ｃ６８０１３与模数转 换芯片的连接是：８位的Ａ／Ｄ转换数据口线直接与ＦＤＯ—ＦＩＹｌ 相连，ＲＤ，ＣＳ由单片机的两个Ｉ／Ｏ口线控制，ＩＮＴ这个表征Ａ／Ｄ
ａ
ｓｍａｌｌ ｒａｎｇｅ，ｌｏｗ
ｂｅ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ８ｉｇｎａｌ．Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ鸺ｉＩｌｇ ｔｈｅ ｄａｖｅ ＦＩＦＯ ｍｏｄｅ ｏｆ ＥＺ—ＵＳＢ ＦＸ２ ｎ丝ｔｋｅ ｕｐ ｏｆ
Ｏｉｌ
ａ
ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ
ｃｏｌ－
ｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ
端与电阻戤和硒的中点以一个电压跟随器相连，从而ｕｌ和
Ｕ２的正电源与负电源的公共端的电位等于共模输入电压。对 于ｕｌ和Ｕ２来说，共模信号相当于零，消除了共模信号产生的 误差［６３。跟随器和仪用放大器则采用另外一组电源供电。另 外，在实际应用中，还需要对放大电路进行屏蔽处理，将其单独
万方数据
表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计 采集到上传的速度，没有使用普通的Ｉ／Ｏ口来读取数据，而是将 Ａ／Ｄ转换之后的数据直接送入ＥＺ—ＵＳＢ ＦＸ２的ＦＩＦＯ里，这样单
由于肌电信号是一个短暂的瞬态信号，虽然频率不高，但是 要捕捉到比较完整的肌肉电信号，还是需要有比较合适的采样
频率，本设计为８路的肌电信号处理与采集系统，设计每路信号
的采样率为５ ｋＨｚ，总的就是４０ ｋＨｚ的采样速度。ＭＡＸｌｌ５系 列芯片的转换时间是２岬，两次转换之间的时间间隔是５００
ｎ８，
讲这样的电路结构使得后级放大器的正负输入应包含相同的共
整、准确的肌电信号，为后续的肌电信号处理和分析提供了可靠
的数据基础。 １
般只有ｍＶ级。表面电位是多个运动单元动作电位序列叠加， 从宏观上来看，它是来自一块肌群中的多块不同肌肉电信号的 叠加，因此由表面电极拾取到的肌电信号为非平稳随机信号。
人体皮肤表面的频谱范围为ｌ—ｌ
０００
系统的总体结构
整个系统主要由模拟信号前置放大电路、模数转换电路、
Ｓｕｒｆａｃｅ
ＥＭＧ Ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ
Ｉｎｓｔｎｕｎｅｎｔ
ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｘｉａｏ－ｊｕｎ，ＳＨＩ Ｗｅｎ—ｋａｎｇ
Ｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＵ Ｈａｏ，ＸＩＮＧ Ｃｈａｎｇ・ｙｕ，ＪＩ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ０ｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ
的话，对电阻的匹配要求很高，否则，每个输人端的增益会有差
异，直接影响共模抑制，而ＡＤ６２０在宽频率范围内具有优良的 共模抑制能力。两极放大之间设计一个高通滤波电路，该放大 电路的截止频率在１８｝Ｉｚ左右，以去除检测电极上的极化直流 电压。ＡＤ６２０的两个输入端采用对称结构，差动输入。理论上
３数据采集与传送系统设计
之 靼 ｛醚 馨
转换结束的信号与单片机的ＳＬＷＲ引脚相连。Ａ０和Ａｌ两个选
择Ａ／Ｄ模拟输入的引脚与单片机的一个Ｉ／Ｏ口连接，将 ＣＹ７Ｃ６８０１３设置为ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ模式，实现异步ｓｌａｖｅ ＦＩＦＯ的写 入［４１。
之
遥 越 骧
４软件设计
软件设计包括下位机的固件控制程序设计和上位机的读数 应用程序设计两部分。Ｃｙｐｒｅｓｓ公司为ＦＸ２固件开发提供了一 个固件库和固件框架，都是在ｋｅｉｌＣ５１的集成开发环境下开发 的。固件框架简化了用户程序设计，它已经实现了处理ＵＳＢ标 准设备请求的功能。用户的主要工作就是选择合适的传输方 式，选择自己使用的端点，对ＴＤ—Ｉｎｉｔ（）和ＴＤ—Ｐｏｌｌ（）函数进行 改写，完成初始化和特定的功能，包括对ＡＤ的控制命令以及对 ＦＩＦＯ的标志位的检测、端点模式、大小的选择、传输模式的设定 等。下位机固件控制程序的流程图如图４所示。
能性电刺激等高级人机接口提供一个安全、非侵入的控制方式， 也可用于人机工程、人类运动和生物机械的研究。肌电信号在 基础医学研究、临床诊断，康复工程等方面也有着广泛应用，对 它的检测分析已成为医学和生物医学工程界研究的热点问题之
一。肌电信号是一种微弱的电信号（幅度在１００—５
０００∥＞，
对于健康人肌电幅度的峰峰值可以达到１—３ ｍＶ，对于残肢者， 幅度一般小于３５０仙Ｖ峰峰值，约比正常人减少数倍乃至数１０
ｓｌａｖｅ
２表面肌电信号的前端处理电路设计
该部分设计时首先要考虑被检测对象的幅值和频带宽度， 依此确定硬件设计参数。人体肌细胞产生一个动作电位在一∞
一３０
ＦＩＦＯ模式的数字电路构建了信号的高速采集系统，通过
ｍＶ之间，传达到皮肤表层后变得很微弱，表面肌电信号一
ＵＳＢ接口将数据高速上传于上位机，在上位机上得到了实时、完
模信号，但由于实际的电阻不可能完全一样，在高通输入端加入 的共模信号会由于电阻的不匹配而变成差模信号。为防止这种 情况发生，除尽量选择匹配的电阻外，还在电路上加以处理，即 采用浮地设计技术。运放Ｕ】和Ｕ２的正电源与负电源的公共 端不接地，而是把它接到与共模输入电压等电位的一点。这样 的话，就需要一组浮置的正、负电源，然后把该正负电源的公共
倍。正是由于表面肌电信号的幅度小，信噪比低，易受到周围环
境中的电磁场辐射干扰和检测仪器内部电子噪声的干扰，所以
图Ｉ系统结构框图
对表面肌电信号的采集，分析和处理还存在很多难点。本研究
针对表面肌电信号的有效获取的难点，设计了高共模抑制比的 前端放大电路，有效地抑制了共模干扰，并采用Ｅｚ－ＵＳＢ ＦＸ２的
尺１的电流为０，通过舵和船的电流也为０，故第一级放大只放
大了差模信号，以单位增益通过共模信号，放大倍数设计为２０ 倍，这样不容易造成放大器的饱和。
图２前端放大电路原理图
第２级放大采用仪用放大器，选用ＡＤＩ公司的ＡＤ６２０。由 于考虑到如果用普通的放大器搭建减法器电路来消除共模信号
设计在一块电路板上并将该电路板置于金属盒中。前置放大电 路要尽可能靠近检测点。
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提供。应用程序调用Ｗｉｎ３２函数ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）得到设备驱动程 序的旬柄，然后使用Ｗｉｎ３２函数ＤｅｖｉｃｅｌｏＣｏｎｔｒｏｌ（）来提交Ｉ／Ｏ
片机不参与数据的传输，大大提高了数据从采集到上传的速
度㈨。本部分电路的总体框架如图３所示。
控制码，在此函数中设置输入输出的缓冲区，便可以得到从下位
ＵＳＢ
２．０．Ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｍｏｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １ ｍ８．Ｔｈｅ ｃｏｄｅ ｔｏ ｒｅａｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｒｅａｌｉｚｅｄ
ｔｏ
ｔｌｌｍｕｇＩｌ
ＵＳＢ ｐｏｒｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｏｒ ｔｏ ＰＣ ｈａｓ
ｇｅｔ
Ｈｚ之间，功率谱最大频
率随肌肉而定，通常在３０—３００ Ｉ－Ｉｚ之间，这点也使得表面肌电
信号具有低频特性。为了便于后续采集利用，首先要设计合适
的前端电路对这种微弱的低频非平稳随机信号进行足够的增益
收稻日期：２００７—０９—１８
作者简介：朱昊（１９８３一），男，安徽省淮南人，研究生，主要研究方向为人
体皮肤表面肌电信号的采集与处理。
的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态。在非疲劳，等张收缩的 情况下所测取的多通道屈伸肌电信号，既可为控制假肢运动、功
Ｅｚ．ＵＳＢ
ＦＸ２（ＣＹ７Ｃ６８０１３）主控与传送模块、上位机及相关软件
组成。系统的总体结构如图１所示。本研究的主要工作集中在
高共模抑制比的前端放大电路，基于ＵＳＢ接口的高速数据采集
与传送方案，以及相应的上下位机软件。下面对这几部分的设 计与实现作一详细说明。