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1、表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计·37·表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计朱昊,辛长宇,吉小军,施文康(上海交通大学信息检测技术与仪器系,上海200030)摘要:针对表面肌电信号幅度小、信噪比低、易受干扰、准确获取困难的问题,设计了高共模抑制比的前端放大电路,有效地抑制了共模干扰。采用EZ2USBFX2的slaveFIFO模式的数字电路构成了基于USB2.0的8路高速采集与传送系统,各路信号的最大同步时间差不超过1ms。编写了可在普通PC机上运行的上位机读USB口数据程序,在上位机上得到了实时、完整、准确的肌电信号,为肌电信号处理、分析和应用提供了
2、可靠的数据基础。关键词:表面肌电信号;共模抑制;仪用放大器;USB2.0接口;CY7C68013+中图分类号:TP274.2文献标识码:A文章编号:1000-8829(2008)03-0037-03SurfaceEMGPreamplifierandDataAcquisitionSystemZHUHao,XINGChang2yu,JIXiao2jun,SHIWen2kang(DepartmentofInstrumentScience&Engineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shjanghai,200030)Abstract
3、:ThehighCMRRpreamplifierisdesignedtodealwiththedifficultiesincapturingthesEMGsignal.Itisasmallrange,lowSNRandeasilytobedisturbedsignal.ThedigitalcircuitusingtheslaveFIFOmodeofEZ2USBFX2makeupofahighspeedcol2lectionandtransmissionsystembasedonUSB2.0.Thetimeofintervalamongchannelsisle
4、ssthan1ms.ThecodetoreadthedatathroughUSBportfromtheuppercomputertoPChasrealizedtogetthereal2timesEMGsignal.ThisisthefoundationforsEMGsig2nalanalyzingandapplication.Keywords:sEMG;CMR;instrumentamplifier;USB2.0;CY7C68013肌电信号是肌肉中许多运动单元动作电位在时间和空间上EZ2USBFX2(CY7C68013)主控与传送模块、上位机及相关软件的叠加
5、,反映了神经、肌肉的功能状态。在非疲劳,等张收缩的组成。系统的总体结构如图1所示。本研究的主要工作集中在情况下所测取的多通道屈伸肌电信号,既可为控制假肢运动、功高共模抑制比的前端放大电路,基于USB接口的高速数据采集能性电刺激等高级人机接口提供一个安全、非侵入的控制方式,与传送方案,以及相应的上下位机软件。下面对这几部分的设也可用于人机工程、人类运动和生物机械的研究。肌电信号在计与实现作一详细说明。基础医学研究、临床诊断,康复工程等方面也有着广泛应用,对它的检测分析已成为医学和生物医学工程界研究的热点问题之一。肌电信号是一种微弱的电信号(幅度在100～500
6、0μV),对于健康人肌电幅度的峰峰值可以达到1～3mV,对于残肢者,幅度一般小于350μV峰峰值,约比正常人减少数倍乃至数10倍。正是由于表面肌电信号的幅度小,信噪比低,易受到周围环图1系统结构框图境中的电磁场辐射干扰和检测仪器内部电子噪声的干扰,所以对表面肌电信号的采集,分析和处理还存在很多难点。本研究2表面肌电信号的前端处理电路设计针对表面肌电信号的有效获取的难点,设计了高共模抑制比的该部分设计时首先要考虑被检测对象的幅值和频带宽度,前端放大电路,有效地抑制了共模干扰,并采用EZ2USBFX2的依此确定硬件设计参数。人体肌细胞产生一个动作电位在-80sl
7、aveFIFO模式的数字电路构建了信号的高速采集系统,通过～30mV之间,传达到皮肤表层后变得很微弱,表面肌电信号一USB接口将数据高速上传于上位机,在上位机上得到了实时、完般只有mV级。表面电位是多个运动单元动作电位序列叠加,整、准确的肌电信号,为后续的肌电信号处理和分析提供了可靠从宏观上来看,它是来自一块肌群中的多块不同肌肉电信号的的数据基础。叠加,因此由表面电极拾取到的肌电信号为非平稳随机信号。1系统的总体结构人体皮肤表面的频谱范围为1～1000Hz之间,功率谱最大频率随肌肉而定,通常在30～300Hz之间,这点也使得表面肌电整个系统主要由模拟信号前置
8、放大电路、模数转换电路、信号具有低频特性。为了便于后
