CN109381185A - 一种表面肌电信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面肌电信号采集装置，包括用于与生物电信号拾取单元连接的调理电路，调理电路包括放大电路，其特征在于，放大电路依次连接有具有A/D采样功能的模数转换器、数字隔离器、单片机，单片机与上位机进行信息交互。
Description
技术领域
本发明涉及信号采集技术领域，具体涉及一种表面肌电信号采集装置。
背景技术
肌电信号（EMG）是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合的结果。由于肌电信号来源于人自身的电信号，因此肌电信号具有直接、自然的特点，如今利用肌电信号已经成为一种重要的信息量，可以用来进行肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学以及运动体育等方面的研究。通常，从动作的肌肉表面皮肤处所测取的多通道EMG信号，即可为提供一个安全、非侵入的肌电信号提取方式，由此可用于人类运动和生物机械的研究。
现有的肌电信号采集装置一般通过电极接触人体皮肤来获取皮肤表面肌电信号，再通过相应的电路对肌电信号进行处理。但现有的肌电信号采集装置通常采用传统的模拟器件导致采集到的肌电信号的共模抑制比低，输入阻抗低，精度低。同时大量模拟器件的使用，也会导致整个放大系统信噪比低，体积很难小型化，同时成本很高，功耗很大。
发明内容
本发明目的在于提供一种表面肌电信号采集装置，能够解决上述现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种表面肌电信号采集装置，包括用于与生物电信号拾取单元连接的调理电路，调理电路包括放大电路，放大电路依次连接有具有A/D采样功能的模数转换器、数字隔离器、单片机，单片机与上位机进行信息交互。
作为一种优选方式，调理电路还包括瞬态电压保护电路、防雷保护电路、低通滤波器；放大电路输入端依次连接有低通滤波器、瞬态电压保护电路和防雷保护电路，肌电信号依次经过防雷保护电路、瞬态电压保护电路、低通滤波器处理后进入放大电路。
作为一种优选方式，放大电路包括依次连接的作为输入端的低噪音双路对称前置放大器、基线漂移修正电路、第二级放大电路、作为输出端的第三级放大电路。
作为一种优选技术方案，调理电路有两路，构成信号进入模数转换器的双通道。
作为一种优选技术方案，基线漂移修正电路包括积分放大器U2，积分放大器U2的正输入端接地，积分放大器U2的负输入端通过电阻R11与低噪音双路对称前置放大器的输出端连接。积分放大器U2的负输入端与输出端之间还连接有电容C6，积分放大器U2的输出端连接到低噪音双路对称前置放大器的参考脚。
作为一种优选技术方案，所述防雷保护电路包括气体放电管，瞬态电压保护电路包括瞬态抑制二极管，气体放电管的一端与瞬态抑制二极管的一极连接，气体放电管的另一端通过电阻与瞬态抑制二极管的另一极连接，电阻与气体放电管之间的公共端作为肌电信号的输入端，瞬态抑制二极管与电阻之间的公共端作为肌电信号的输出端。
作为一种优选技术方案，三级放大电路为差分放大电路，输出差分信号；三级放大电路的放大器U4的Vocm脚通过电容C5连接到地，Vocm脚与电容C5之间的公共端接2.5V电压。
作为一种优选技术方案，模数转换器的VCOM脚连接到放大器U5的正输入端，放大器U5的负输入端与放大器U5的输出端连接，放大器U5的输出端通过电阻R17输入2.5V电压；
模数转换器ADC的VREFP脚通过电容C11连接到地，模数转换器ADC的VREFP脚还通过电阻R18连接到放大器U6的输出端，放大器U6的输出端还连接到放大器U6的负输入端，放大器U6的正输入端连接到芯片U7的VO脚，芯片U7的VO脚通过电容C12连接到地，芯片U7的Vin脚接入电压VCC，芯片U7的Vin脚连接有电容C14、电解电容Cz1的一端，C14、电解电容Cz1的另一端连接后连接到电容C13的一端并接地，电容C13的另一端连接到芯片U7的TEMP脚。芯片U7输出基准电压给模数转换器ADC。
作为一种优选技术方案，单片机通过USB传输电路与上位机进行信息交互。
作为一种优选技术方案，第二级放大电路的前端还连接有低通滤波电路。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
（1）本发明将具有A/D采集功能的低功耗，小体积、高采样率、高精度的模数转换器放到原有的肌电信号放大器电路的隔离前端，由于将肌电信号转换为数字信号，通过隔离电路传递的不再是模拟信号而是数字信号，这种设计可以省去原有电路中价格，功耗，体积最大的模拟隔离放大器件，而取而代之是价格低廉，体积小，功耗低的数字隔离器，在不降低原有安全性和信噪比的情况下降低了成本和功耗，使得整个系统更加容易小型化。
（2）由于系统基于单片机对数字信号进行数据处理，没有使用任何传统模拟器件进行处理，所以此发明可以省去现有技术中的模拟陷波器和模拟带通滤波器等模拟器件，由于模拟器件随时间和温度等外部因素会产生性能衰减，因此本发明大大降低了印制电路板的体积和系统的功耗，摆脱了传统模拟器件会有电压漂移、温度漂移和噪声，性能差等问题。可以在较小的体积内实现了以往大型仪器才具备的性能。
（3）由于元件耗电量和有源元器件数量的降低，系统的整体功耗很低，具备在电池供电条件下工作很长时间条件，同时体积很小，实现了系统的便携性，因此具有可穿戴性设备的优势。
（4）提供了标准的USB输出接口，方便与其他医疗仪器或消费电子设备通信，且可以防止由于远距离传输模拟信号造成的不必要的信噪比的降低。
附图说明
图1为本发明的结构框架图。
图2为本发明中防雷保护电路及瞬态电压保护电路的电路原理图。
图3为本发明中低通滤波器的电路原理图。
图4为本发明中低噪音双路对称前置放大器、基线漂移修正电路、第二级放大电路和第三级放大电路的电路原理图。
图5为模数转换器的电路原理图。
图6为数字隔离器的电路原理图。
图7为单片机的电路原理图。
图8为USB传输电路的电路原理图。
具体实施方式
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种表面肌电信号采集装置，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
一种表面肌电信号采集装置，包括模数转换器和与模数转换器连接的两个调理电路，两个调理电路分别作为两个通道向模数转换器输入肌电信号。模数转换器后续依次连接有数字隔离器、单片机运算电路、USB传输电路，采集装置通过USB传输电路与上位机连接，实现信息交互，本实施例中，上位机为计算机。
每个调理电路皆包括依次连接的防雷保护电路、瞬态电压保护电路、低通滤波器、低噪音双路对称前置放大器、基线漂移修正电路、第二级放大电路和第三级放大电路。防雷保护电路为调理电路的输入端用于接收肌电信号，第三级放大电路为调理电路的输出端与模数转换器连接。
采集装置测量的物理量是人体表面肌电电压物理量。电极片将人体表面肌电信号包括正电极、参考电极、负电极三个信号通过导联线、信号接头，送入防雷保护电路、瞬态电压保护电路、低通滤波器后进入低噪音双路对称前置放大器中，保证优异的共模抑制比，该放大器输出后对该信号进行基线漂移修正，去除采集信号中的低频成分，再将该信号进行第二级放大后送入第三级放大后叠加参考直流电压进行电平抬升，最后得到该调理后的信号，将调理后的信号输入模数转换器中，模数转换器输出数字信号至数字隔离器输入端中。
单片机先初始化输入输出接口（I/O口）、串口波特率和USB输入输出接口，设置模数转换器采样间隔定为0.1mS（采样率为10kHz），模数转换器对上述调理后的信号进行模数转换，将双通道的肌电信号转换成数字信号，模数转换器转换完成同时产生一个中断信号，该信号通知单片机可以进行AD值读取。单片机将AD值按通道读入缓冲区中，然后，立即将缓冲区的数据读出，并分别将多次采样结果依次放入带通滤波器和工频陷波器中进行数字滤波处理；最后把处理后的数据放入USB缓冲区中，缓冲区中经过滤波的数字信号被以数字的形式从单片机的USB接口发送至计算机中。
以下对上述电路采用的具体电路结构进行描述。
所述防雷保护电路包括气体放电管GAS，瞬态电压保护电路包括瞬态抑制二极管TVS，气体放电管GAS的一端与瞬态抑制二极管TVS的一极连接，气体放电管GAS的另一端通过电阻RES与瞬态抑制二极管TVS的另一极连接，电阻RES与气体放电管GAS之间的公共端作为肌电信号的输入端，瞬态抑制二极管TVS与电阻RES之间的公共端作为肌电信号的输出端。本实施例中防雷保护电路和瞬态电压保护电路把静电快速泄流，导通后瞬态电压保护电路将能量导向地面，然后防雷保护电路将能量快速吸收。
低通滤波器为传统电路，包括串联的电阻R14、R15、R16, 电阻R14作为输入端与上述输出端连接，电阻R16作为输出端与低噪音双路对称前置放大器连接。电阻R16的两端分别连接有电容C9、电容10的一端，电阻R14与电阻R15之间的公共端连接有电容C8的一端，电容C8、C9、C10的另一端接地。
低噪音双路对称前置放大器包括放大器U1，放大器U1的1脚通过电阻R4与低通滤波器输出端连接作为一个信号输入通道，放大器U1的4脚通过电阻R12与低通滤波器输出端；连接作为另一个信号输入通道；放大器U1的2脚与3脚之间连接有串联的电阻RG1与RG2。放大器U1的8脚为电压VCC接入端，放大器U1的5脚连接到公共接地端VSS。电阻RG1与电阻RG2用于调增益，调放大倍数。
基线漂移修正电路包括积分放大器U2，积分放大器U2的正输入端接地，积分放大器U2的负输入端通过电阻R11与放大器U1的7脚（输出端）连接。积分放大器U2的负输入端与输出端之间还连接有电容C6，积分放大器U2的输出端连接到放大器U1的6脚（基准电压输入端）。放大器U1的输出信号通过积分放大器U2后再通过放大器U1的6脚（参考脚），把基线修正。
二级放大电路包括运算放大器U3，运算放大器U3的正输入端依次通道电阻R8、R7连接到电阻R11与放大器U1之间的公共端。电阻R7、R8之间的公共端通过电容C3连接到运算放大器U3的输出端。电阻R8与运算放大器U3正输入端之间的公共端通过电容C4接地。串联电阻R2、R3一端之间的公共端连接到运算放大器U3的负输入端，电阻R2另一端接地，电阻R3另一端连接到运算放大器U3的输出端。基线漂移修正电路出来后的信号再次经过电阻R8、电容C4构成的低通滤波进行处理，因为仪放出来后由于还是有一定的高频干扰，因此在二级放大之前，再次用低通滤波进行去除高频干扰，让信号更加的精确。三级放大电路包括放大器U4，三级放大电路为差分放大电路，输出差分信号。采用差分电路对共模信号进行抑制，让肌电信号抗干扰能力更强。放大器U4的Vin-脚通过电阻R9连接到运算放大器U3的输出端。放大器U4的Vin-脚与电阻R9之间的公共端连接有并联的电容C7、电阻R13的一端，并联的电容C7、电阻R13的另一端连接到放大器U4的Vout+脚。放大器U4的Vin+脚通过电阻R5连接到地，电阻R5与放大器U4的Vin+脚之间的公共端连接到并联的电容C1、电阻R1的一端，并联的电容C1、电阻R1的另一端连接到放大器U4的Vout—脚。放大器U4的Vout-脚与Vout+分别通过电阻R6、R10连接到模数转换器，电阻R6、R10与模数转换器的公共端之间还连接有电容C2。放大器U4的Vocm脚通过电容C5连接到地，Vocm脚与电容C5之间的公共端接2.5V电压。综上，实现对电平的抬升。
模数转换器ADC的AINP4、AINN4作为一组接口与三级放大电路连接，模数转换器ADC的AINP3、AINN3作为另一组接口与三级放大电路连接。如上所述，由于是双通道，因此，是有两个三级放大电路，其中一个三级放大电路的放大器U4的Vout+脚、Vout-脚分别与模数转换器ADC的AINP4脚、AINN4脚；另一个三级放大电路的放大器的Vout+脚、Vout-脚分别与模数转换器ADC的AINP3脚、AINN3脚连接。
模数转换器的VCOM脚连接到放大器U5的正输入端，放大器U5的负输入端与放大器U5的输出端连接，放大器U5的输出端通过电阻R17输入2.5V电压。
模数转换器ADC的VREFP脚通过电容C11连接到地，模数转换器ADC的VREFP脚还通过电阻R18连接到放大器U6的输出端，放大器U6的输出端还连接到放大器U6的负输入端，放大器U6的正输入端连接到芯片U7的VO脚，芯片U7的VO脚通过电容C12连接到地，芯片U7的Vin脚接入电压VCC，芯片U7的Vin脚连接有电容C14、电解电容Cz1的一端，C14、电解电容Cz1的另一端连接后连接到电容C13的一端并接地，电容C13的另一端连接到芯片U7的TEMP脚。芯片U7输出基准电压给模数转换器ADC。
数字隔离器的芯片U10的IND脚与模数转换器ADC的DOUT1脚连接，接收经过转换的信号。
本实施例中利用放大器U5和U6设计了运放跟随电路，输入阻抗大，输出阻抗小，两个运放跟随电路进来的电压为ADC的参考电平，为了稳定参考电压设计了运放跟随电路。
单片机及USB传输电路为传统电路，省略不作描述。单片机的型号为STM32F103C8T6。
本实施例中，由于两个前置电路的结构相同，因此，本实施例只对一个前置电路的电路结构进行描述。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种表面肌电信号采集装置，包括用于与生物电信号拾取单元连接的调理电路，调理电路包括放大电路，其特征在于，放大电路依次连接有具有A/D采样功能的模数转换器ADC、数字隔离器、单片机，单片机与上位机进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，调理电路还包括瞬态电压保护电路、防雷保护电路、低通滤波器；放大电路输入端依次连接有低通滤波器、瞬态电压保护电路和防雷保护电路，肌电信号依次经过防雷保护电路、瞬态电压保护电路、低通滤波器处理后进入放大电路。
3.根据权利要求1所述的一种表面肌电信号采集装置，放大电路包括依次连接的作为输入端的低噪音双路对称前置放大器、基线漂移修正电路、第二级放大电路、作为输出端的第三级放大电路。
4.根据权利要求1~3所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，调理电路有两路，构成信号进入模数转换器的双通道。
5.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，基线漂移修正电路包括积分放大器U2，积分放大器U2的正输入端接地，积分放大器U2的负输入端通过电阻R11与低噪音双路对称前置放大器的输出端连接。积分放大器U2的负输入端与输出端之间还连接有电容C6，积分放大器U2的输出端连接到低噪音双路对称前置放大器的参考脚。
6.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，所述防雷保护电路包括气体放电管，瞬态电压保护电路包括瞬态抑制二极管，气体放电管的一端与瞬态抑制二极管的一极连接，气体放电管的另一端通过电阻与瞬态抑制二极管的另一极连接，电阻与气体放电管之间的公共端作为肌电信号的输入端，瞬态抑制二极管与电阻之间的公共端作为肌电信号的输出端。
7.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，三级放大电路为差分放大电路，输出差分信号；三级放大电路的放大器U4的Vocm脚通过电容C5连接到地，Vocm脚与电容C5之间的公共端接2.5V电压。
8.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，模数转换器的VCOM脚连接到放大器U5的正输入端，放大器U5的负输入端与放大器U5的输出端连接，放大器U5的输出端通过电阻R17输入2.5V电压；
模数转换器ADC的VREFP脚通过电容C11连接到地，模数转换器ADC的VREFP脚还通过电阻R18连接到放大器U6的输出端，放大器U6的输出端还连接到放大器U6的负输入端，放大器U6的正输入端连接到芯片U7的VO脚，芯片U7的VO脚通过电容C12连接到地，芯片U7的Vin脚接入电压VCC，芯片U7的Vin脚连接有电容C14、电解电容Cz1的一端，C14、电解电容Cz1的另一端连接后连接到电容C13的一端并接地，电容C13的另一端连接到芯片U7的TEMP脚。芯片U7输出基准电压给模数转换器ADC。
9.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，单片机通过USB传输电路与上位机进行信息交互。
10.根据权利要求1~3任一项所述的一种表面肌电信号采集装置，其特征在于，第二级放大电路的前端还连接有低通滤波电路。
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