基于嵌入式技術(shù)的表面肌電信號(hào)采集儀設(shè)計(jì)
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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))是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(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)采集屬無創(chuàng)性，操作簡單，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小巧方便，結(jié)構(gòu)簡單，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銷，為用戶開發(fā)簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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，對外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對其余外部模塊(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，首先通過硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進(jìn)行2 500 Hz采樣與A／D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換好的雙通道數(shù)據(jù)通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處理分兩種情況：在沒有連接使用PC端時(shí)，本地進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、簡單分析、顯示、存儲(chǔ)；在連接使用PC端時(shí)，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數(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、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，開發(fā)周期更短。μC／OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，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，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過程中只需對與處理器相關(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μC／OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上移植了μC／GUI，用作用戶圖形界面設(shè)計(jì)。μC／GUI是由Micrium公司專門針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一款圖形開發(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)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，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)而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲(chǔ)介質(zhì)讀／寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
2．1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)
軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)圍繞表面肌電采集儀的幾個(gè)基本功能來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要分成下面幾個(gè)部分：
評(píng)論