CN106108912B - 肢体信号辅助采集单元 - Google Patents

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Abstract

为了以较低的成本实现高精度的肢体微小幅度信号的准确监测，本发明提供了一种肢体信号辅助采集单元，包括：运动检测感应单元，用于检测肢体运动产生的模拟信号；信号预处理单元，用于对所述模拟信号进行预处理；其中所述信号预处理单元包括弱信号放大单元，用以对经过相位处理得到的信号进行放大。本发明能够提高弱信号放大处理时的信噪比，并降低弱信号放大相关电路的功耗。

Description

肢体信号辅助采集单元
技术领域
本发明涉及微弱信号检测技术领域，更具体地，涉及一种肢体信号辅助采集单元。
背景技术
在康复医疗过程中，研究人员通常使用国外进口的肢体信号采集装置，对人体的手部等肢体的运动能力进行实时监测，但由于多数康复医疗过程中，尤其是针对前期肢体运动幅度不大的情形，例如，手部弯曲、手指弯曲等的幅度较小的情形，监测到的信号非常微弱，并且很容易受到待检测人体周围的其他医疗仪器的白噪声干扰，在相位上产生畸变，因此在该初期监测得到的信号往往难以准确反映被监测者的准确动作幅度。
此外，国外进口的肢体信号采集装置(例如西门子、东芝等公司的医疗信号采集系统)往往价格昂贵，使得肢体信号的采集和监测价格高昂，从而阻碍了康复医疗的发展。
发明内容
为了以较低的成本实现高精度的肢体微小幅度(本发明所称的“微小幅度”通常指待监测部位在其运动方向上的运动幅度大于2mm且小于15mm)信号的准确监测，本发明提供了一种肢体信号辅助采集单元，包括：
运动检测感应单元，用于检测肢体运动产生的模拟信号；
信号预处理单元，用于对所述模拟信号进行预处理；
其中所述信号预处理单元包括弱信号放大单元，用以对经过相位处理得到的信号进行放大。
进一步地，所述运动检测感应单元包括运动信号检测单元和运动信号检测开启单元，所述运动信号检测开启单元向所述弱信号放大单元输出START信号。
进一步地，所述运动信号检测单元包括：
运动距离传感器阵列，用于以阵列的行驶检测待测部位在运动方向上的运动距离。
进一步地，所述运动信号检测开启单元包括：
加速度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的加速度信息；
角度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的角度变化信息。
进一步地，所述信号预处理单元包括弱信号放大单元和A/D转换单元，所述A/D转换单元用于把经过预处理的模拟信号转换成数字信号。
进一步地，所述弱信号放大单元包括两级信号放大单元、两级相位调整单元和两级信号滤波单元。
进一步地，所述弱信号放大单元包括：
第一信号滤波单元，用于对所述模拟信号进行第一级滤波处理；
第一信号放大单元，用于对所述模拟信号进行第一级放大处理；
第一相位调整单元，用于对经过第一级滤波处理和第一级放大处理得到的信号进行第一级相位调整；
第二信号滤波单元，用于对经过第一级相位调整得到的信号进行第二级滤波；
第二信号放大单元，用于对经过第一级滤波的信号和经过第二级滤波得到的信号进行第二级放大处理。
进一步地，所述运动距离传感器阵列包括红外位移传感器阵列。
进一步地，所述A/D转换单元采用ADS7825。
进一步地，所述加速度传感器阵列采用三维加速度传感器。
本发明的有益效果为：
(1)能够基于相位转换和信号处理降低微弱信号放大过程中，可能由噪声引起的干扰，从而提高了弱信号放大处理时的信噪比。
(2)根据运动相关的传感器输出信号总和判断待测部位是否真正发生位移或角度改变，并将此信号作为弱信号放大器的开关信号，从而降低了弱信号放大相关电路的功耗，延长了仪用放大器的寿命，进而延长了整个肢体信号辅助采集单元的使用寿命。
附图说明
图1示出了根据本发明的肢体信号辅助采集单元的组成框图。
图2示出了根据本发明的弱信号放大单元的电路图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的优选实施例，肢体信号辅助采集单元包括：
运动检测感应单元，用于检测肢体运动产生的模拟信号；
信号预处理单元，用于对所述模拟信号进行预处理；
其中所述信号预处理单元包括弱信号放大单元，用以对经过相位处理得到的信号进行放大。
在该优选实施例中，所述运动检测感应单元包括运动信号检测单元和运动信号检测开启单元。
所述运动信号检测单元包括运动距离传感器阵列，用于以阵列的行驶检测待测部位在运动方向上的运动距离。该运动距离传感器例如采用红外位移传感器，以检测手指等待测部位的移动距离。该运动距离传感器阵列由多个运动距离传感器以矩阵的形式构成，从而用于检测手指、手腕、腰部等具有不同几何形状和尺寸的待测部位。
根据本发明的优选实施例，所述运动信号检测单元的启动受到特定的开启信号的控制。具体地，该开启信号由运动信号检测开启单元产生，该运动信号检测开启单元包括：
加速度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的加速度信息；
角度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的角度变化信息；
比较电路，用于确定所述加速度传感器阵列和所述角度传感器阵列的输出信号是否均超过预设阈值；
与门电路，用于根据所述比较电路的输出信号，对所述加速度传感器阵列和所述角度传感器阵列的输出信号进行与运算。
上述加速度传感器阵列和角度传感器阵列分别由多个加速度传感器和多个角度传感器以阵列的形式构成。其矩阵形式的具体结构可以根据待测部位的不同几何形状和尺寸形成。优选地，所述加速度传感器阵列采用三维加速度传感器，且所述角度传感器采用陀螺仪等角度传感器。
当比较电路经过比较，确定所述加速度传感器阵列和所述角度传感器阵列输出的加速度值和角度变化值均超过预设阈值(例如，加速度＞0，角度变化＞2°)时，运动信号检测开启单元的与门电路将向信号预处理单元输出大于0.7V直流电压作为START信号。
所述信号预处理单元包括弱信号放大单元和A/D转换单元，所述A/D转换单元用于把经过预处理的模拟信号转换成数字信号。根据本发明的优选实施例，所述A/D转换单元采用ADS7825。
所述弱信号放大单元包括两级信号放大单元、两级相位调整单元和两级信号滤波单元。具体地，该弱信号放大单元的电路图如图2所示，包括：
第一信号滤波单元，用于对所述模拟信号进行第一级滤波处理；
第一信号放大单元，用于对所述模拟信号进行第一级放大处理；
第一相位调整单元，用于对经过第一级滤波处理和第一级放大处理得到的信号进行第一级相位调整；
第二信号滤波单元，用于对经过第一级相位调整得到的信号进行第二级滤波；
第二信号放大单元，用于对经过第一级滤波的信号和经过第二级滤波得到的信号进行第二级放大处理。
所述运动距离传感器阵列包括红外位移传感器阵列。
如图2所示，所述弱信号放大单元包括：15kΩ电阻、20kΩ电阻、50kΩ电阻、1MΩ电阻、90°移相器、180°移相器、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一或非门、第二或非门、第一与非门，以及第二与非门，其中，所述弱信号放大单元的信号输入端连接所述15kΩ电阻的第一端以及90°移相器的输入端，15kΩ电阻的第二端连接第二运算放大器的反相输入端、第一运算放大器的正相输入端、第一电容器的第一端以及第一晶体管的基极，所述第一电容器的第二端接地，第一运算放大器的输出端连接第一与非门的第一输入端以及第一或非门的第一输入端，第一晶体管的发射极连接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极连接第三晶体管的集电极，第三晶体管的基极与第三晶体管的发射极连接，第二晶体管的基极连接第三运算放大器的反相输入端，第二晶体管的发射极连接第一运算放大器的反相输入端，第三晶体管的发射极连接第一与非门的第二输入端和第一或非门的第二输入端，并连接50kΩ电阻的第一端，50kΩ电阻的第二端连接第二电容器的第一端，第二电容器的第二端接地，第二电容器的第一端连接第五晶体管的基极，第一晶体管的集电极连接第八晶体管的发射极和第三运算放大器的反相输入端，第一与非门的输出端连接第四晶体管的集电极，第四晶体管的发射极分别连接第二或非门的两个输入端，第一或非门的输出端连接第五晶体管的集电极，第五晶体管的发射极连接第二与非门的两个输入端，第一或非门的输出端连接第三电容器的第一端和第二运算放大器的正相输入端，第三电容器的第二端接地，第二与非门的输出端连接第三运算放大器的正相输入端和第四电容器的第一端，第四电容器的第二端接地，第二运算放大器的输出端连接第七晶体管的集电极以及第四运算放大器的正相输入端，第三运算放大器的输出端连接第六晶体管的集电极和第五运算放大器的反相输入端，第六晶体管和第七晶体管的基极彼此相连，第六晶体管的发射极连接第四运算放大器的反相输入端，第七晶体管的发射极连接第五运算放大器的正相输入端，第四运算放大器的输出端连接第九晶体管的第一端，第八晶体管的基极连接电源端，第八晶体管的集电极通过20kΩ电阻接地，第八晶体管的集电极通过1MΩ电阻连接第五运算放大器的输出端，第四运算放大器的输出端连接第九晶体管的集电极，第九晶体管的基极连接90°移相器的输出端以及180°移相器的输入端，第九晶体管的发射极连接第十晶体管的集电极，180°移相器的输出端连接第十晶体管的基极，第十晶体管的发射极连接所述弱信号放大单元的信号输出端，所述第四晶体管的基极连接START信号。
根据本发明的优选实施例，所述第一电容器为0.1uF电容器，所述第二电容器为0.22uF电容器，所述第三电容器为0.47uF电容器，所述第四电容器为0.31uF电容器，所述电源为+5V直流电源VCC。上述各运算放大器使用仪用放大器。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让所属领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。

Claims (4)

1.一种肢体信号辅助采集单元，其特征在于，包括：
运动检测感应单元，用于检测肢体运动产生的模拟信号；
信号预处理单元，用于对所述模拟信号进行预处理；
其中所述信号预处理单元包括弱信号放大单元，用以对经过相位处理得到的信号进行放大；
所述运动检测感应单元包括运动信号检测单元和运动信号检测开启单元，所述运动信号检测开启单元向所述弱信号放大单元输出START信号；
所述运动信号检测单元包括：
运动距离传感器阵列，用于以阵列的行驶检测待测部位在运动方向上的运动距离；
所述运动信号检测开启单元包括：
加速度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的加速度信息；
角度传感器阵列，用于以阵列的形式检测待测部位的角度变化信息；
所述信号预处理单元包括弱信号放大单元和A/D转换单元，所述A/D转换单元用于把经过预处理的模拟信号转换成数字信号；
所述弱信号放大单元包括两级信号放大单元、两级相位调整单元和两级信号滤波单元；
所述弱信号放大单元包括：15kΩ电阻、20kΩ电阻、50kΩ电阻、1MΩ电阻、90°移相器、180°移相器、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一或非门、第二或非门、第一与非门，以及第二与非门，其中，所述弱信号放大单元的信号输入端连接所述15kΩ电阻的第一端以及90°移相器的输入端，15kΩ电阻的第二端连接第二运算放大器的反相输入端、第一运算放大器的正相输入端、第一电容器的第一端以及第一晶体管的基极，所述第一电容器的第二端接地，第一运算放大器的输出端连接第一与非门的第一输入端以及第一或非门的第一输入端，第一晶体管的发射极连接第二晶体管的集电极，第二晶体管的发射极连接第三晶体管的集电极，第三晶体管的基极与第三晶体管的发射极连接，第二晶体管的基极连接第三运算放大器的反相输入端，第二晶体管的发射极连接第一运算放大器的反相输入端，第三晶体管的发射极连接第一与非门的第二输入端和第一或非门的第二输入端，并连接50kΩ电阻的第一端，50kΩ电阻的第二端连接第二电容器的第一端，第二电容器的第二端接地，第二电容器的第一端连接第五晶体管的基极，第一晶体管的集电极连接第八晶体管的发射极和第三运算放大器的反相输入端，第一与非门的输出端连接第四晶体管的集电极，第四晶体管的发射极分别连接第二或非门的两个输入端，第一或非门的输出端连接第五晶体管的集电极，第五晶体管的发射极连接第二与非门的两个输入端，第一或非门的输出端连接第三电容器的第一端和第二运算放大器的正相输入端，第三电容器的第二端接地，第二与非门的输出端连接第三运算放大器的正相输入端和第四电容器的第一端，第四电容器的第二端接地，第二运算放大器的输出端连接第七晶体管的集电极以及第四运算放大器的正相输入端，第三运算放大器的输出端连接第六晶体管的集电极和第五运算放大器的反相输入端，第六晶体管和第七晶体管的基极彼此相连，第六晶体管的发射极连接第四运算放大器的反相输入端，第七晶体管的发射极连接第五运算放大器的正相输入端，第四运算放大器的输出端连接第九晶体管的第一端，第八晶体管的基极连接电源端，第八晶体管的集电极通过20kΩ电阻接地，第八晶体管的集电极通过1MΩ电阻连接第五运算放大器的输出端，第四运算放大器的输出端连接第九晶体管的集电极，第九晶体管的基极连接90°移相器的输出端以及180°移相器的输入端，第九晶体管的发射极连接第十晶体管的集电极，180°移相器的输出端连接第十晶体管的基极，第十晶体管的发射极连接所述弱信号放大单元的信号输出端，所述第四晶体管的基极连接START信号。
2.根据权利要求1所述的肢体信号辅助采集单元，其特征在于，所述运动距离传感器阵列包括红外位移传感器阵列。
3.根据权利要求2所述的肢体信号辅助采集单元，其特征在于，所述A/D转换单元采用ADS7825。
4.根据权利要求3所述的肢体信号辅助采集单元，其特征在于，所述加速度传感器阵列采用三维加速度传感器。
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