单片机肌电信号采集电路

肌电信号检测系统先关模块说明表面肌电信号采集模块表面肌电图（surfaceElectromyogram，sEMG）又称动态肌电图（dynamicElectromyogram，dEMG），是通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。这些年来，表面肌电信号在很多领域的应用都越来越受到重视，如在康复医学、骨科学、神经学、生物医学、运动医学和工程学等领域。和传统的采用针式获取肌电图的方法比较，表面肌电信号具有很多优点，比如操作更加便捷、不会产生创伤、可采集的空间相对要大，可以进行很长时间的动态采集以及重复性好等优点。由于这些优点，表面肌电信号采集更容易被脑瘫患儿及家长接受。本节主要介绍表面肌电信号采集电路设计。为了不失真地检出具有临床价值的肌电信号，我们设计了具有较高共模抑制比、抗干扰能力强的表面肌电信号采集调理电路，设计框图如图3-1所示。图3-1表面肌电信号采集电路模块框图电极选择与贴片方案要采集人体皮肤表面的微弱肌电信号，需要通过电极把信号引导到后续电路中来。但并不是任何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都能取得肌电引导的良好效果。这是因为电极材料要与人体组织（包括细胞组织和体液等）接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理和化学方面的作用。电极分为针式电极、表面电极、埋藏电极与悬浮电极，本系统中选择的是表面电极方案。选用表面电极采集肌电信号时应考虑如下因素[21]：(1)人体表面的皮肤是电信号的不良导体，但是与之相反的皮下组织却是电信号的良好导体。人体表皮与皮下组织之间存在一定的阻抗，于是，信号放大器与信号源之间实际上形成了一个串联通路，如果皮下组织的阻抗比较高，而放大器的输入阻抗却比较低，此时输入信号就会大大地减弱，表面肌电信号采集的效果会不理想。如果选用很高输入阻抗的放大器，虽然可以把输入电压提高，但是整个系统对周围环境中存在的各种干扰的抵抗能力就会受到影响。因此，选择合适的放大器输入阻抗也很重要。(2)在采集表面肌电信号时，电极片会与人体皮肤直接接触，在这个接触界面上会产生一个接触电阻。由于皮肤表面容易分泌汗液等化学物质，容易发生溶液的电解，影响接触电阻的阻值以及产生对皮肤有害的物质。因此，在采集表面肌电信号的时候，应尽量使电极与皮肤接触保持稳定，并避免产生对人体有害的物质。(3)不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号。经过综合考虑，本系统采用一次性心电电极引导表面肌电信号，该电极使用Ag/AgCl做为感应元件，水凝胶做为粘性元件。这些元件都具有很好的皮肤适应性。水凝胶用来加强产品与皮肤的粘贴效果从而杜绝因为人的活动造成接触不良。(1)电极主要技术指标：(2)交流阻抗：≤3KΩ；(3)直流失调电压：≤100mV；(4)内容噪声：≥150uVp-p；(5)模拟除颤恢复性能：每次放电后第五秒，电极对上的电压值≤100mV；(6)偏置电流耐受度：电极对经400nA的直流电流持续作用4小时，在整个作用期间内，电极对两端的电压变化≤100mV。肌电信号在人体组织内的传递（容积导），会随着距离的增加而很快急减。因此，电极片应该贴放在肌电信号发放最强的部位，以减少邻近肌肉的肌电信号干扰。同时，良好的接地不仅可以降低前面所述的第一种干扰，还可以有效地降低回路阻抗，提高抗干扰能力。图3-2是表面电极的贴片方式，采用差分方式可以有效降低共模干扰。图3-2表面电极贴片方案示例前置放大电路设计通过电极拾取到的表面肌电信号含有各种各样的噪声，单片机是无法直接进行A/D转换的，必须要经过一步一步地调理，才能去除噪声，提取有用信号。信号首先经过前置放大电路，进行初步处理。为了更有效地去除共模信号地干扰，本系统采用差分放大电路，选用专门的仪器仪表放大器，同时为了防止干扰从导线引入，应使用屏蔽导线与电极相连。为了获取极佳的性能与功耗比，我们选用ADI公司生产的新型仪用放大器AD620。该芯片是一款虽然成本低但精度却很高的仪表放大器，实际使用时只需要一个外部电阻便可以设置放大器的增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用的是8引脚的SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗非常低（最大工作电流仅为1.3mA），因而非常适合远程应用、电池供电与便携式等设备中。AD620的非线性度最大仅为40ppm，失调电压最大仅为50μV，失调漂移最大仅为0.6μV/℃，非常适合精密数据采集系统。此外，AD620的低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性使之十分适合ECG与肌电信号检测系统先关模块说明EMG等医疗场合的应用。由于其输入采用Superβeta，因此可实现低输入偏置电流最大仅1.0nA。AD620在1KHz时具有9nV√HZ的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz带宽上的噪声为0.28μV峰峰值，输入电流噪声为0.1pA√HZ，因而作为前置放大器使用效果非常好[22]。前置放大电路具体设计如图3-3所示。123EMGHeader3AGND32615874U2AD620ARCI3200pFRI2RI1AGNDAGNDCI139pFCI239pFD1IN4148D2IN4148D4IN4148D3IN4148+5AV-5AV-5AV+5AVRG5.6K+5AV-5AVCA10.1uFCA30.1uFCA422uFCA222uFAGNDAGNDAGND图3-3前置放大电路设计图中电阻RI1与RI2一方面起隔离人体和放大器的作用，防止强电伤害人身，另一方面与小电容CI1、CI2组成两个简单的RC高频低通滤波电路，由于周围环境中可能会存在各种各样的高频脉冲，它们往往幅值很大，如果这些高频脉冲未经滤除直接进入前置放大器，很容易造成其饱和而临时失效。通过这样一个简单的RC高频低通滤波电路可以滤除此类高频脉冲。高频二极管D1~D4主要是起保护作用，防止运算放大器的两个差分输入端超过电源电压而损坏仪用放大器，电容CA1~CA4主要滤除电源中的高频干扰。整个前置放大电路的放大倍数由RG这一个电阻决定，AD620的增益通过电阻RG进行编程，或者更精确地说，通过引脚1与引脚8之间存在的任何阻抗进行编程，因为其直接决定前置放大电路的倍数，故其宜采用精度高的电阻。具体放大倍数计算公式如(3-1)所示。49.41GkGRΩ=+(3-1)本系统中RG的取值为5.6K，故G≈10，即前置放大电路的增益约为10倍。从这里可以看出并没有完全用尽AD620的放大能力，如果放大倍数过大，由于肌肤出汗、手臂运动等原因在两个差分测试点之间产生低频的，大小在数十毫伏与肌电信号不相关的信号将造成AD620的饱和，后续电路失效。滤波器设计前置放大电路采集到的肌电信号属于原始信号，里面含有各种噪声，即使采取了一系列抗干扰措施，仍然无法完全避免干扰进入差分信号通路，因此，设计性能良好的滤波器就显得尤为重要。滤波器无法有效的识别有用信号和噪声一直是传统生物电信号拾取电路信噪比无法大幅提高的瓶颈，在本系统中为了获得较好的效果，我们采用了低通滤波器、工频陷波器与高通滤波器，这些滤波器经过适当的顺序调整，能够满足表面肌电信号采集要求。(1)高通滤波器设计由于人体出汗，恒定的电磁场干扰等条件下产生的直流信号叠加在表面肌电信号中，经过后续主放大器电路的高倍放大，很容易造成放大器饱和，无法检测出有效信号。滤除直流信号以及低频噪声等都采用高通滤波器，高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于截止频率信号通过的滤波器。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的。当然，“低”和“高”频率的含义是相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的。滤波器分为无源和有源两种，最通用的就是巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。它们具有不同的通带、过渡带特性。在实际应用时根据具体情况选择滤波器类型。巴特沃斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡带，在过渡带上比较容易造成失真。同巴特沃斯滤波器相比，切比雪夫滤波器的过渡带很窄，但内部的幅频特性却很不稳定。巴特沃斯滤波器在线性相位、衰减斜率和加载特性3个方面具有特性均衡的优点，经综合考虑，本系统采用巴特沃斯二阶低通滤波器。具体电路设计如图3-4所示。C14.7uFC24.7uFR147KR247KR347KR430KAGND+5AV-5AV14832THAAD8672AR图3-4高通滤波器电路图其传递函数的一般形式为：22200()pKsHsssaww=++(3-2)式中，零频增益为：431pRKR=+(3-3)自然角频率为：012121RRCCw=(3-4)阻尼系数为：肌电信号检测系统先关模块说明121122212211(1)RCRCRCKpRCRCRCa=++-(3-5)根据图3-4中各元器件的参数，以及截止频率计算公式：0121212fRRCCp=(3-6)可计算出本高通滤波器的截至频率为00.72fHz=由(3-3)计算出零频增益为1.638pK=(2)低通滤波器设计由于开关电源、计算机和衣物放电等各种原因产生的高频脉冲很能混杂在肌电信号中，这些高频脉冲幅值大。低通滤波器容许低频信号通过，但减弱（或减少）频率高于截止频率的信号的通过，有效地消除高频干扰。一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。然而，这样一个滤波器对于实际真正的信号来说是不可实现的，只能无限接近。低阶滤波器结构简单易于实现，但衰减特性较差，要使衰减特性陡峭就应该选用高阶滤波器，但随着阶数增加，陡峭度不断提高。同高通滤波器的设计，本系统同样采用巴特沃斯二阶低通滤波器，原理与高通滤波器类似，这里不再赘述。人体皮肤表面肌电信号主要集中在10~500Hz，因此低通滤波器的截止频率设计为530Hz左右，具体电路设计如图3-5所示。根据图3-5中各元器件的参数，以及公式(3-6)计算出低通滤波器的截止频率：0530.79fHz=由(3-3)计算出零频增益为：1.606pK=C10.01uFR230KR333KR420KR130KC20.01uFSGND+5DV-5DV14832TLAAD8672AR图3-5低通滤波器电路图(3)工频陷波器设计本系统虽然采用电池供电，且前置放大路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于肌电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的肌电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。陷波器的实现电路有多种，如低通滤波器、高通滤波器组合的带阻陷波器、有源电感陷波器、双T型陷波器等，其中双T型陷波器以压制深度大、带宽窄的独特优势而得到了广泛应用。近年来，为了压制工频电信号的干扰，很多领域的电路基本上都采用典型的双T陷波器，即电阻值、电容值成2或1/2倍，这种方法在一定程度上压制了工频电信号的干扰[23]。基于这个思想，本系统也采用了双T有源陷波器，具体电路设计如图3-6所示。50Hz附近是肌电信号非常活跃的频率段，只有准确的滤除50Hz的干扰而不去掉别的有用信号才能获得最佳的谐波失真效果。一般电容电阻制造允许误差比较大，无法制造出频率准确的带陷滤波器。在实际设计中，应该选用精度高的电容电阻，同时不断通过对其进行分析、计算、仿真、实验以及对比，从而对电阻、电容的取值进行优化选择，达到对双T陷波器的优化利用，从而既保留了有用信号，又最大限度地压制了工频电信号的干扰。14832TTAAD8672AR48567TTBAD8672ARCT11uFCT21uFCT32.2uFRT13KRT23KRT5270KRT456KRT31.5K+5DV-5DVSGND图3-6双T型工频陷波器电路图电平抬高电路设计通过前面的介绍，我们知道表面肌电信号是以差分电极引导出来的，因此，采集到的信号既有正电压又有负电压。为了单片机A/D转换的方便，需要把信号调节到适当的范围，本系统是0～3V，因此把表面肌电信号