多通道肌电采集系统

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  1. 1:什么是肌电信号?

什么是肌电信号?

肌电信号又称为EMG(electro myography),是一种生物电流信号,它产生于任意组织器官,一般是一种时间和一系列的振幅、频率和波形函数 。肌电信号是伴随肌肉收缩动作产生的一种生物电信号,采集皮肤表面的肌电信号称为表面肌电信号sEMG(surface electro myography)。sEMG信号是人体表面肌肉通过收缩产生的生物电流。 神经系统控制肌肉的活动(收缩或者放松),在表面皮肤不同的肌肉纤维运动单元在同一时间产生相互不同的信号。

肌电信号的特点

(1)sEMG是一维时间动作电位序列

(2)sEMG是交流信号,幅值一般和肌肉运动力度成正比

(3)sEMG是一种非平稳的微电信号,其幅值在 0~1.5mv,有用信号频率位于 0~500HZ,主要能量集中在 20~150HZ

(4)SEMG一般比肢体运动超前 30~150ms产生,可以进行运动提前判断

 

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结构:

下层是信号采集和预处理板,它包括了与人体表面接触的电极、信号的预处理电路以及一个用于A/D转换和无线收发控制的单片机;

中间集成了一个可充电的锂电池:

上层是无线收发电路,集成了射频芯片、天线匹配网络以及一个PCB天线。

 

过程:

一个通道的无线传感器与只包含一个接收端的接收部分原理框图。其中无线传感器用差分电极采集表面肌电信号,之后进行放大、滤波和A/D转换,并在单片机的控制下由射频芯片将信号发射出去,电源由电池提供。接收端利用同样的射频芯片将信号接收下来,并用单片机控制整个通信过程按照一定的通信协议有序进行,同时利用单片机自带的USB控制器将数据传输至PC机,由Pc机完成信号的存储、波形显示和算法处理。

 

 

在信号预处理方面,考虑到表面肌电信号的特点:

幅度很小(几十微伏至数千微伏),频率范围为20一1 000 Hz,且主要能量集中于50—100 Hz范围内;

易产生运动伪迹,其能量主要集中在0—20 Hz【7】,设计了如图3所示的滤波放大电路。

信号以差分方式输入,并选择两款高输入阻抗、高CMRR、低电流噪声的放大器芯片。

两个运算放大器与外围元件共同完成了两级共1 000倍的放大和20~1 000 Hz的带通滤波器。

其中前级采用了仪表运放AD8220,它的电流噪声仅lfA/√Hz。占用电路板面积小,通过1.5 k的电阻和10“F的电容来设置该级放大倍数为34倍。

后级采用运放OPA364,具有SOT23—5封装,在PCB板上仅占用3 mmx3 mm大小,适合于传感器的微型化设计。OPA364和2个电容、2个电阻构成通频带为20.1 000 Hz的切比雪夫I型1阶带通滤波器,放大倍数约30倍。

在本协议中,多个传感器(通道)可以用时分复用的方式与同一个接收端进行数据传输,经实验测得本设计的每个接收端最多可分时接收7个传感器的数据。为支持更多通道,本协议在此基础上引入了分频机制。接收部分由多个相同的无线接收端组成,每个无线接收端设置在不同的频率点上工作,各自用分时方式与多个同频率无线传感器通信,而不同频率的传感器与接收端之间互不干扰。无线通信系统模型如图4所示,本文中传感器1~6与接收端1工作在同一频点用分时方式通信,传感器7~12与接收端2工作在另一频点以分时方式通信,以此类推。各接收端与USB集线器相连,再将集线器的输出与PC机的USB接口相连。这种通信模型下,4个接收端可支持24个通道同时工作。

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