CN111505978A - 一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法 - Google Patents

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姜峰
马建涛
衣淳植
李芳卓
杨炽夫
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Abstract

本发明是一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法。所述系统包括：运动信息传感器、MCU主控单元、生理电信号传感器和高级处理器；MCU主控单元分别在运动信息传感器和生理电信号传感器中提出DMA传输请求，MCU主控单元进行检测定时中断；定时中断运动信息传感器和生理电信号传感器后，检测DMA传输是否结束，定时信息传输的采集周期后，采集到的数据存放到数据缓存区buff0中，将数据缓存以DMA传输方式向高级处理器传输，一个完整的采集周期结束。本发明利用MCU主控单元的定时中断模拟并行采集和数据发送，无需阻塞式等待，提高程序运行效率。

Description

一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法
技术领域
本发明涉及人体运动信息及生理电信号采集技术领域，是一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法。
背景技术
实现医疗康复和人机交互技术的前提是能够实时准确地采集到人体的运动信息和生理电信息。现如今采集人体信息的采集方法一般分为两种，一种是建立网络基站，通过TCP/IP协议进行数据传输，这种方法数据传输速度相对较快，同时也可以支持很多的通道数，但是这种方法设备笨重，难以随身携带，仅适合在实验室条件下的数据采集，难以普及到实际生活中的运用，并且现有的这类设备价格昂贵。另一种方式是基于MCU主控单元的数据采集，这种采集方式在实际应用中更为普及，但是受传感器影响，MCU主控单元自身性能影响，往往难以采集多路数据并且数据的采样频率也会受到一定的限制，这里影响最大的是人体的生理电信号，根据文献，人体表面肌肉电信号往往混合着低频(接近直流)和高频的干扰信号，而有效的肌肉电信号频谱分布在10-500Hz之间，故肌肉电信号的采样频率应大于1000Hz，因此出现了数据量过大的现象，因此基于MCU主控单元的数据采集往往仅能采集运动信息或生理信息，无法做到同时采用这两种信息
目前，人体运动信息及生理电信号采集仍没有一个完美的方案，然而这种采集方法涉及到康复医学、机器人学以及控制学科等多个领域交叉的新型研究领域。如果无法获得良好的采集数据，很多研究就只能停留在研究阶段而无法上升到实际应用层面。目前市场上已经成型的产品中大多结构复杂，使用复杂，数据通道数少，采样频率达不到要求，价格昂贵。因此，研制一款结构简单、成本低廉、使用方便，采样频率高的人体运动信息及生理电信号采集系统具有很好的现实意义。
发明内容
本发明为解决人体运动信息及生理电信号采集难的问题，本发明提供了一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法，本发明提供了以下技术方案：
一种人体运动信息及生理电信号采集系统，所述系统包括：运动信息传感器、MCU主控单元、生理电信号传感器和高级处理器；
所述运动信息传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述生理电信号传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述MCU主控单元数据信号输出端连接高级处理器。
一种人体运动信息及生理电信号采集方法，包括以下步骤：
步骤1：MCU主控单元分别在运动信息传感器和生理电信号传感器中提出DMA传输请求；
步骤2：进行DMA传输，MCU主控单元进行检测定时中断；
步骤3：定时中断运动信息传感器和生理电信号传感器后，检测DMA传输是否结束，当DMA传输结束时，提出新的DMA请求；当没有结束DMA传输时，增大采集周期；
步骤4：定时信息传输的采集周期后，采集到的数据存放到数据缓存区buff0中，将数据缓存以DMA传输方式向高级处理器传输，一个完整的采集周期结束；
步骤5：返回步骤1，进行重复采集。
优选地，当进行重复采集时，将重复采集时的数据缓存存储至数据缓存区buff1中。
优选地，运动信息的采集周期为t1，生理电信号的采集周期为t2，信息传输的采集周期为t3，为保证每次传输数据的长度是相同的，t3需同时为t1和t2的整数倍。
优选地，运动信息的定时中断PIT1周期为t1，中断优先级为1；生理电信号定时中断PIT2周期为t2，中断优先级为2；信息传输的定时中断PIT3周期为t3，中断优先级为0。
优选地，当中断同时发生时，中断优先级数字小的优先被MCU主控单元响应。
本发明具有以下有益效果：
本发明所有的数据传输都以DMA方式传输，使得处理器没有工作拖延，可以去处理其他的工作；本发明利用MCU主控单元的定时中断模拟并行采集和数据发送，无需阻塞式等待，提高程序运行效率；本发明是数据双缓存，以空间节约时间。
附图说明
图1为人体运动信息及生理电信号采集系统结构图
图2为时序说明图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本发明提供一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法，具体为：
一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法，包括以下步骤；
一种人体运动信息及生理电信号采集系统，所述系统包括：运动信息传感器、MCU主控单元、生理电信号传感器和高级处理器；
所述运动信息传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述生理电信号传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述MCU主控单元数据信号输出端连接高级处理器。
本发明提供一种人体运动信息及生理电信号采集方法，包括以下步骤：
步骤1：MCU主控单元分别在运动信息传感器和生理电信号传感器中提出DMA传输请求；
步骤2：进行DMA传输，MCU主控单元进行检测定时中断；
步骤3：定时中断运动信息传感器和生理电信号传感器后，检测DMA传输是否结束，当DMA传输结束时，提出新的DMA请求；当没有结束DMA传输时，增大采集周期；
步骤4：定时信息传输的采集周期后，采集到的数据存放到数据缓存区buff0中，将数据缓存以DMA传输方式向高级处理器传输，一个完整的采集周期结束；
步骤5：返回步骤1，进行重复采集。
当进行重复采集时，将重复采集时的数据缓存存储至数据缓存区buff1中。运动信息的采集周期为t1，生理电信号的采集周期为t2，信息传输的采集周期为t3，为保证每次传输数据的长度是相同的，t3需同时为t1和t2的整数倍。运动信息的定时中断PIT1周期为t1，中断优先级为1；生理电信号定时中断PIT2周期为t2，中断优先级为2；信息传输的定时中断PIT3周期为t3，中断优先级为0。当中断同时发生时，中断优先级数字小的优先被MCU主控单元响应。
本发明主要由运动信息采集、生理电信号采集、信息传输三部分构成。运动信息采集利用通信总线实现，例如SPI和IIC等；生理电信号利用模数转换器(ADC)实现电压采集；信息传输的目的是将MCU主控单元采集到的数据传输至其他设备，一般来说是更高级的处理器例如电脑，利用串行通讯实现，例如UART和USB等
具体实施例2：
假定需要同时采集8路生理电信号和4路运动信息，生理电信号电压转换一次需要的时间约为0.07ms，运动信息利用IIC总线传输，波特率为400KHz，采集的信息为三轴加速度和三轴加速度信息，生理电信号的采样频率为1000Hz，运动信息采样频率为200Hz。信息传输的频率为200Hz，利用UART传输，波特率为460800。MCU主控单元的主频200MHz。
根据图2所示，在O时刻，中断运动信息传感器和生理电信号传感器发生，MCU主控单元提出两种采集的请求；
在t1时刻，中断运动信息传感器发生，MCU主控单元检测0时刻DMA传输是否结束，并提出新的DMA请求；
在t2时刻，中断生理电信号传感器发生，MCU主控单元检测0时刻DMA传输是否结束，并提出新的DMA请求；
在t3时刻，中断信息传输的采集周期，MCU主控单元提出DMA请求将数据缓存区buff0发送，更换数据缓存区为buff1，中断运动信息传感器和生理电信号传感器发生，MCU主控单元提出DMA请求；
在2*t3时刻，中断信息传输的采集周期，MCU主控单元提出DMA请求将数据缓存区buff1发送，更换数据缓存区为buff0，中断运动信息传感器和生理电信号传感器发生，MCU主控单元提出DMA请求。
如采用常规的采集方式，可以经过计算得到，采集生理电信号需要花费的时间约为2.8ms，采集运动信息需要花费的时间约为1.3ms。将这些数据发送需要花费的时间约为3ms，可以看出完成这三项任务需要的时间大于5ms，因此无法满足信息传输频率为200Hz的要求。
在本发明中，这三项任务可以近似认为是并行的，因为对于MCU主控单元来讲，提出DMA请求的时间消耗可以近似为0，因此本方法可以完成上述讲述的任务。
本方法的最大的限制在于MCU主控单元的主频，当MCU主控单元主频较低时，各个总线上的时钟频率可能和理想存在较大的误差，例如设置的IIC波特率为400KHz，但由于MCU主控单元主频较低，可能经过分频产生的波特率为401KHz，这样很容易读取到错误的数据。因此MCU主控单元的主频能够大于120MHz。
以上所述仅是一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法的优选实施方式，一种人体运动信息及生理电信号采集系统及方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种人体运动信息及生理电信号采集系统，其特征是：所述系统包括：运动信息传感器、MCU主控单元、生理电信号传感器和高级处理器；
所述运动信息传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述生理电信号传感器数据信号输出端连接MCU主控单元数据信号输入端,所述MCU主控单元数据信号输出端连接高级处理器。
2.一种人体运动信息及生理电信号采集方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种人体运动信息及生理电信号采集系统，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：MCU主控单元分别在运动信息传感器和生理电信号传感器中提出DMA传输请求；
步骤2：进行DMA传输，MCU主控单元进行检测定时中断；
步骤3：定时中断运动信息传感器和生理电信号传感器后，检测DMA传输是否结束，当DMA传输结束时，提出新的DMA请求；当没有结束DMA传输时，增大采集周期；
步骤4：定时信息传输的采集周期后，采集到的数据存放到数据缓存区buff0中，将数据缓存以DMA传输方式向高级处理器传输，一个完整的采集周期结束；
步骤5：返回步骤1，进行重复采集。
3.根据权利要求2所述的一种人体运动信息及生理电信号采集方法，其特征是：当进行重复采集时，将重复采集时的数据缓存存储至数据缓存区buff1中。
4.根据权利要求2所述的一种人体运动信息及生理电信号采集方法，其特征是：运动信息的采集周期为t1，生理电信号的采集周期为t2，信息传输的采集周期为t3，为保证每次传输数据的长度是相同的，t3需同时为t1和t2的整数倍。
5.根据权利要求2所述的一种人体运动信息及生理电信号采集方法，其特征是：运动信息的定时中断PIT1周期为t1，中断优先级为1；生理电信号定时中断PIT2周期为t2，中断优先级为2；信息传输的定时中断PIT3周期为t3，中断优先级为0。
6.根据权利要求5所述的一种人体运动信息及生理电信号采集方法，其特征是：当中断同时发生时，中断优先级数字小的优先被MCU主控单元响应。
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