Design of Wireless SEMG Acquisition Instrument
摘 要：如何方便有效地采集提取表面肌电信号（SEMG）已成为SEMG应用的关键技术之一。介绍了一种无线肌电信号采集装置，采用电池供电，带存储功能，具有精度高、易操作、便携等优点，较好地解决了现有SEMG采集装置中存在的问题。硬件上引入了FLASH和 CP2102，实现了存储功能且方便与PC通讯。软件上系统运行于低功耗模式，提供了多种操作方式。应用结果显示所述方法有效可行，具有较高的实用价值。
关键词：肌电信号；肌电信号采集；可存储；低功耗　

Abstract: How to acquire and extract surface electromyography (SEMG) expediently and effectively had been one of the key factors to apply the SEMG. A wireless SEMG acquisition instrument which was battery powered, storable, high accuracy, easy to operate and convenient to carry was designed, it solved several problems exist in traditional SEMG acquisition instrument well. The usage of FLASH and CP2102 make the instrument storable and convenient to communicate with PC. The system software was designed running in low power mode, and provides several operate ways. The result of application showed the feasibility of the method described in the paper.
Key Words: SEMG; SEMG acquisition; Storable; Low power
0 引言
肌电信号（EMG）是众多肌纤维中运动单元动作电位（MUAP）在时间和空间上的叠加。表面肌电信号（SEMG）是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点[1]。因而，SEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。
1 SEMG采集问题
随着检测技术和信号处理手段的发展，用SEMG代替针电极EMG进行全面临床无损诊断已成为生物医学和医学界研究的热点问题之一[2]。人体的SEMG很微弱、易受干扰，测量难度大，如何有效采集提取SEMG已成为SEMG应用的关键技术之一。
目前应用的SEMG采集装置大多将采集到的SEMG通过导线传送到数据采集卡或特定的医疗仪器进行分析处理，采样电极粘贴于皮肤表面，电极供电则间接来自市电。这种方法的显著不足如下：（1）需要专用仪器完成信号采集，应用场合受限制，如无法采集短跑运动中的运动员肢体SEMG；（2）因有导线相连，当肢体运动时，易导致电极与皮肤间的相对运动，影响采集结果；（3）供电电源由市电处理后获取，引入了较大的工频干扰，增加了数据处理难度；（4）若导线较长，则极易引入环境中的其他干扰，如电磁干扰等[3]。
本文介绍了一种微型的、无线的、采用电池供电、带数据存储功能的SEMG采集装置，较好解决了当前SEMG采集装置普遍存在的问题。
2 硬件电路设计
根据神经生理知识，肌肉动作电位将产生-90mV到30mV的电势差，由于人体是电的不良导体（1MΩ数量级内阻），故从体表的贴片电极上只能获得1mV左右的峰值[4]。根据文献[5]，SEMG中往往混合着甚低频（接近直流）和高频的干扰信号，而有效的肌电信号频谱分布在10-500Hz间。故从贴片电极检测出的信号需经过高通滤波（隔直处理）、高倍放大、低通滤波（滤除高频干扰）等信号调理过程[6]。据此，本文的SEMG采集装置结构如图1所示。
 
图1 SEMG采集装置框图
采样电极采用Ag/AgCl表面电极，其极化电压小，能快速获得稳定的肌电信号。本设计中一个电极由三片相互平行的Ag/AgCl电极构成，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。引入的参考地端电极有效降低了噪声干扰，提高了共模抑制能力。
信号调理电路主要包括高通滤波、高倍放大、低通滤波几个部分。若将电极拾取的体表肌电信号直接接入高倍放大器，则由于噪声的影响，输出信号易发生漂移并很快达到饱和，故先将信号接入高通滤波电路后再送入高倍放大电路。高倍放大电路中采用仪用放大器INA118，其共模抑制比高达115dB，失调电压<50uV，只需外挂一个精密电阻就可设定1~10000的放大倍数。为滤除高频噪声，放大后的信号被接入低通滤波器，低通滤波截止频率设定为600Hz。本系统采用电压稳定、纯净的电池供电，且避免了外部导线易引入的干扰，故可省去常见的50Hz陷波器。使用50Hz陷波器存在消除部分50Hz有用信号的缺点。
MCU采用MSP430F167，其片内外围丰富，有DMA、12位AD模块（ADC12）、硬件乘法器（MPY）、USART、16位Timer及多达48个I/O口。本系统中，利用ADC12对肌电信号采样，并对采样结果进行滤波处理，提高了采样的准确性；DMA配合ADC12使用，大大提高了读取AD采样结果的速度；MPY极大提高了数据处理速度。本系统运行于8M时钟下，且设定采样频率为2000Hz，完全满足采样间隔要求。
FLASH采用了8Mbit的SST25VF080B[7]，与MCU间采用SPI接口，操作方便。本系统中，每个采样数据占两个字节，可记录近500秒的肌电信号，完全满足肌电信号的一般处理需要。特别是，当需要完整记录运动员在某一运动过程中肌电信号变化情况时，本装置特有的无线连接及超长存储时间的优点是传统采集仪所不具备的。
系统由3.6V锂电池供电，经高效的RH5RL33AA后为系统提供+3.3V电源，同时系统对电池电压进行监控，当电池电量不足时通过LED发光提示。按键用于启动、停止肌电信号采集，也可实现其他基本操作。考虑到系统低功耗及精简的需要，本设计中未采用液晶或数码管显示，仅通过两个LED灯指示系统的当前状态。
本装置的USB接口用于与PC机进行通讯，操作简单方便。当需要将采集的肌电信号上传到PC机分析处理时，MCU从FLASH内读取存储的肌电信号，通过UART接口发送到CP2102。CP2102用于实现USB信号与UART之间的转换[8]。CP2102与MCU及存储电路之间独立供电，在肌电信号采集阶段及系统待机状态下，CP2102不消耗电池能量；当与PC机通讯时，CP2102供电电路工作，其中的BM1117-3.3将USB总线的+5V电源转换为+3.3V向CP2102供电。
3 软件系统设计
系统平时处于低功耗模式，MCU关闭所有的片内外围，运行于低功耗模式4（LPM4）状态。需要工作时，CPU被唤醒，进入正常工作模式。系统由中断驱动，主要有按键中断、UART中断、定时中断，系统退出中断后运行于低功耗模式。
当有按键中断发生时，MCU被唤醒，并根据按键值进行相应的处理。按键中断处理流程如图2所示。
 
图2按键中断处理流程
除通过按键和LED指示对本装置进行操作外，系统可接受PC机软件的控制。当按键2和按键3按下后，系统启动定时器，若在定时时间内接收到PC机的控制命令，则进行相应处理，否则未收到通信请求即自动回到低功耗模式。系统与PC机间共有3种命令，分别为读肌电信号、读电池状态、读存储器状态。系统与PC机通讯时，主要由UART发送和接收中断驱动。UART发送中断程序判断有无后续数据需发送并进行相应处理，UART接收中断程序处理流程如图3所示。
本系统中，PC机软件采用Visual C++设计完成，主要涉及的内容为人机界面设计、串口通信编程、简单算法实现和文件读写操作。人机界面设计主要用到一些按钮、文本框等控件，用以提供对肌电信号采集装置的控制；所有的通信编程使用控件MSCOMM实现，在PC机安装CP2102驱动后，本装置会被识别为一个串口设备；简单算法主要实现对接收到的数据进行分析处理，还原为实际电压值；读写文件实现将读取到的肌电信号以文本形式存储下来，便于利用其他数学工具（如MATLAB）进行分析处理。图4为PC机软件截图。
 
图3 UART接收中断处理流程
 
图4 SEMG数据采集软件界面
4 小结
本文介绍了一种微型的、采用电池供电、带数据存储功能的SEMG采集装置，大大降低了肌电信号的干扰源，提高了装置的使用便利性。实际使用结果论证了依据本文所述方法设计的SEMG装置使用方便灵活，采集的肌电信号干扰小。
参考文献
[1] 李卓.表面肌电的信号分析及在体育科研中的应用[J].体育科技文献通报，2006，14（3）：31-33.
[2] Anmuth CJ. Fractals dimension of electromyographic signals recorded with surface electrodes during isometric contractions with muscle activation [J]. Muscle & Nerve, 1994, (17): 953-954.
[3] 仉冠生，杨鹏，郭欣，陈玲玲.表面肌电信号数字传感器的设计[J].微计算机信息，2007,23（9-1）：123-124.
[4] 何乐生，倪海燕，宋爱国.一种便携式肌电信号（EMG）提取方法及其电路实现[J].电子测量与仪器学报，2006，20（2）：70-74.
[5] 卢祖能等. 实用肌电图学[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2000.
[6] 罗志增，任晓亮.肌电信号的拾取与预处理[J].传感技术学报，2004，（2）：220-223.
[7] Silicon Storage Technology, Inc. SST25VF080B Datasheet [EB/OL]. [2007-05-01]. http://www.superflash.com.
[8] Silicon Laboratories Inc.CP2102 Datasheet [EB/OL]. [2007-03-08]. http://www.silabs.com.
作者创新点：本文作者创新地设计了微型的、电池供电的、带数据存储功能的SEMG采集装置，提高了其性能且方便使用。
作者简介：
陈岁生（1969-），男，湖北黄冈人，高工，工程硕士，主研方向：控制系统及装置、无线传感器网络、智能仪表。
作者通讯地址：（邮编310018）浙江杭州市下沙高教园区学源街68号，杭州职业技术学院机电工程系电气教研室 陈岁生 收；
卢建刚（1968-），男，博士，浙江大学信息科学与工程学院教授，主研方向：科学仪器的研制与开发。