表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计
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ＥＺ．ＵＳＢＦＸ２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Ｉｍｓ。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—００３７一０３
ＳｕｒｆａｃｅＥＭＧＰｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒａｎｄＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＺＨＵＨａｏ，ＸＩＮＧＣｈａｎｇ・ｙｕ，ＪＩＸｉａｏ－ｊｕｎ，ＳＨＩＷｅｎ—ｋａｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ０ｆＩｎｓｔｎｕｎｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｊｍｓｈａｉ，２０００３０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｉｇ：ｈＣＭＲＲｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｉｎｃａｐｔｕｒｉｎｇｔｈｅｓＥＭＧ８ｉｇＩｌａｌ．Ｉｔｉｓａｓｍａｌｌｒａｎｇｅ，ｌｏｗ
ＳＮＲａｎｄｅａｓｉｌｙｔｏｂｅｄｉｓｔｕｒｂｅｄ８ｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｃｉｒｃｕｉｔ鸺ｉＩｌｇｔｈｅｄａｖｅＦＩＦＯｍｏｄｅｏｆＥＺ—ＵＳＢＦＸ２ｎ丝ｔｋｅｕｐｏｆａｈｉ曲ｓｐｅｅｄｃｏｌ－
ｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＯｉｌＵＳＢ２．０．Ｔｈｅｔｉｍｅｏｆｉｎｔｅｒｖａｌａｍｏｎｇｃｈａｎｎｅｌｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１ｍ８．Ｔｈｅｃｏｄｅｔｏｒｅａｄｔｈｅｄａｔａ
ｔｌｌｍｕｇＩｌＵＳＢｐｏｒｔｆｒｏｍｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｏｒｔｏＰＣｈａｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｏｇｅｔｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｓＥＭＧｓｉｇｎａｌ．ＴｈｉｓｉｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｓＥＭＧｓｉｇ－ｎａｔａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．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
的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态。在非疲劳，等张收缩的
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，
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
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—５０００∥＞，
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３５０仙Ｖ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
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
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
前端放大电路，有效地抑制了共模干扰，并采用Ｅｚ－ＵＳＢＦＸ２的
ｓｌａｖｅＦＩＦＯ模式的数字电路构建了信号的高速采集系统，通过
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
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
的数据基础。
１系统的总体结构
整个系统主要由模拟信号前置放大电路、模数转换电路、
收稻日期：２００７—０９—１８作者简介：朱昊（１９８３一），男，安徽省淮南人，研究生，主要研究方向为人
体皮肤表面肌电信号的采集与处理。Ｅｚ．ＵＳＢＦＸ２（ＣＹ７Ｃ６８０１３）主控与传送模块、上位机及相关软件
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
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
计与实现作一详细说明。
图Ｉ系统结构框图
２表面肌电信号的前端处理电路设计
该部分设计时首先要考虑被检测对象的幅值和频带宽度，
依此确定硬件设计参数。人体肌细胞产生一个动作电位在一∞
一３０ｍＶ之间，传达到皮肤表层后变得很微弱，表面肌电信号一
般只有ｍＶ级。表面电位是多个运动单元动作电位序列叠加，
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
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。
人体皮肤表面的频谱范围为ｌ—ｌ０００Ｈｚ之间，功率谱最大频
率随肌肉而定，通常在３０—３００Ｉ－Ｉｚ之间，这点也使得表面肌电
信号具有低频特性。为了便于后续采集利用，首先要设计合适
的前端电路对这种微弱的低频非平稳随机信号进行足够的增益放大。但在实际检测过程中由于检测电极和皮肤表面接触处会
产生较大的直流电压，如果采用高增益的单级放大电路，就可能
万方数据・３８・《测控技术）２００ｓ年第２７卷第３期
引起放大器的饱和而丢失真正有用的信息。因此应采用多级逐
步放大。对于级联系统的噪声系数可以用下式表示…。＋竿＋等＋糕＋．．・
其中，』、ｒ为系统的总噪声指标，Ⅳ１，他，Ⅳ３等分别为各级的
噪声指标，蜀，邑，玛为各级增益指标。由上式可以看出系统的
噪声系数主要取决于第１级，为了控制系统总噪声应对各级的
增益和噪声进行综合考虑和分配。另一方面，为了减小空间电
磁场形成的噪声混入肌电信号，尤其是其中电网辐射造成的工
频干扰，模拟放大电路应该有比较高的共模抑制比。由于电极引线移动和信号内在的不稳定性，使得０～２０Ｈｚ的频率范围内
的肌电信号含有很多的噪声，故在电路中采用高通滤波的方式
对０—２０｝Ｉｚ的信号加以抑制。
本设计的单路肌电信号前端处理电路如图２所示。输入端采用传统差动输入，以抑制共模噪声。为了提高输入阻抗及考
虑高通电阻匹配问题，在每个信号的输入端用ＡＤ５４８缓冲输入
电压并实现第一级放大。ＡＤ５４８为低失调电压、低漂移的ＪＦＥＴ
型运算放大器，它具有高的输入阻抗，这样有益于减少生物电信
号源内阻（人体组织阻抗和电极与组织界面阻抗）对差分放大
器的影响。电路中单个增益电阻器Ｒ１连接在两个输入放大器
的求和点之间，每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输
入端的电压，整个差分输入电压都呈现在ｍ两端。因为输入
电压经过放大后（在ｕ１和Ｕ２的输入端）的差分电压呈现在磁。尉。昭这３个电阻上，所以差分的增益可以通过尺１来进行
调整。在第一级缓冲电路中，共模信号在冠ｌ的两端使得通过
尺１的电流为０，通过舵和船的电流也为０，故第一级放大只放
大了差模信号，以单位增益通过共模信号，放大倍数设计为２０
倍，这样不容易造成放大器的饱和。
图２前端放大电路原理图第２级放大采用仪用放大器，选用ＡＤＩ公司的ＡＤ６２０。由设计在一块电路板上并将该电路板置于金属盒中。前置放大电
于考虑到如果用普通的放大器搭建减法器电路来消除共模信号路要尽可能靠近检测点。
的话，对电阻的匹配要求很高，否则，每个输人端的增益会有差
异，直接影响共模抑制，而ＡＤ６２０在宽频率范围内具有优良的
共模抑制能力。两极放大之间设计一个高通滤波电路，该放大
电路的截止频率在１８｝Ｉｚ左右，以去除检测电极上的极化直流
电压。ＡＤ６２０的两个输入端采用对称结构，差动输入。理论上讲这样的电路结构使得后级放大器的正负输入应包含相同的共
模信号，但由于实际的电阻不可能完全一样，在高通输入端加入
的共模信号会由于电阻的不匹配而变成差模信号。为防止这种
情况发生，除尽量选择匹配的电阻外，还在电路上加以处理，即
采用浮地设计技术。运放Ｕ】和Ｕ２的正电源与负电源的公共
端不接地，而是把它接到与共模输入电压等电位的一点。这样
的话，就需要一组浮置的正、负电源，然后把该正负电源的公共端与电阻戤和硒的中点以一个电压跟随器相连，从而ｕｌ和
Ｕ２的正电源与负电源的公共端的电位等于共模输入电压。对
于ｕｌ和Ｕ２来说，共模信号相当于零，消除了共模信号产生的
误差［６３。跟随器和仪用放大器则采用另外一组电源供电。另
外，在实际应用中，还需要对放大电路进行屏蔽处理，将其单独３数据采集与传送系统设计
由于肌电信号是一个短暂的瞬态信号，虽然频率不高，但是
要捕捉到比较完整的肌肉电信号，还是需要有比较合适的采样频率，本设计为８路的肌电信号处理与采集系统，设计每路信号
的采样率为５ｋＨｚ，总的就是４０ｋＨｚ的采样速度。ＭＡＸｌｌ５系
列芯片的转换时间是２岬，两次转换之间的时间间隔是５００ｎ８，并行数据输出，ＭＡＸｌｌ５允许每路通道的最大采样率为５０
ｋＨｚ，一共可以采集８路信号，价格也比较便宜，完全满足对肌电
信号采样频率的要求。信号采集与传送的控制单元选用ＣＹ・
ＰＲＥＳＳ公司的具有增强型５ｌ内核的ＥＺ—ＵＳＢ系列的单片机
ＣＹ７Ｃ６８０１３。其含有２５６Ｂ寄存器ＲＡＭ，２个ＵＳＡＲＴ，３个定时／
计数器和２个数据指针¨Ｊ。选用这款芯片更主要的原因是其内
有４８０Ｍｂ／ｓ的收发器（ＰＩＪＬ和智能ＳＩＥ），包含全部ＵＳＢ２．０物
理层。要完成对肌电信号的实时上传和不间断的采集，必须要
保证上传到Ｐｃ机的速度。ＵＳＢ２．０的理论最高上传速度是４８０
Ｍｈ／ｓ，它的全速传输模式为１２
Ｍｈ／ｓ，本设计中为了提高数据从
万方数据表面肌电信号前端处理电路与采集系统设计・３９・
采集到上传的速度，没有使用普通的Ｉ／Ｏ口来读取数据，而是将
Ａ／Ｄ转换之后的数据直接送入ＥＺ—ＵＳＢＦＸ２的ＦＩＦＯ里，这样单片机不参与数据的传输，大大提高了数据从采集到上传的速
度㈨。本部分电路的总体框架如图３所示。
图３数据采集与传送系统框图由系统框图可以看出本部分的工作过程是用ＣＹ７Ｃ６８０１３
来控制Ａ／Ｄ芯片采集数据，将转换后的数据直接传人内部
ＦＩＦＯ，当ＦＩＦＯ容量达到指定程度以后，自动将数据打包传送给
ＵＳＢ总线。在传送数据的过程中，不需要ＣＰＵ的参与，在打包
时Ａ／Ｄ仍持续转换，内部ＦＩＦＯ也持续写入转换结果。只要内
部ＦＩＦＯ写指针和读指针位置相差达到指定的值就立即取走数
据，从而保证了连续高速采集的可靠性。ＣＹ７Ｃ６８０１３与模数转
换芯片的连接是：８位的Ａ／Ｄ转换数据口线直接与ＦＤＯ—ＦＩＹｌ
相连，ＲＤ，ＣＳ由单片机的两个Ｉ／Ｏ口线控制，ＩＮＴ这个表征Ａ／Ｄ转换结束的信号与单片机的ＳＬＷＲ引脚相连。Ａ０和Ａｌ两个选
择Ａ／Ｄ模拟输入的引脚与单片机的一个Ｉ／Ｏ口连接，将
ＣＹ７Ｃ６８０１３设置为ｓｌａｖｅＦＩＦＯ模式，实现异步ｓｌａｖｅＦＩＦＯ的写
入［４１。
４软件设计
软件设计包括下位机的固件控制程序设计和上位机的读数
应用程序设计两部分。Ｃｙｐｒｅｓｓ公司为ＦＸ２固件开发提供了一
个固件库和固件框架，都是在ｋｅｉｌＣ５１的集成开发环境下开发
的。固件框架简化了用户程序设计，它已经实现了处理ＵＳＢ标
准设备请求的功能。用户的主要工作就是选择合适的传输方
式，选择自己使用的端点，对ＴＤ—Ｉｎｉｔ（）和ＴＤ—Ｐｏｌｌ（）函数进行
基于CC430的表面肌电信号无线采集系统的研究与设计
第２５卷第１期 河南工程学院学报（自然科学版） ２０１３年３月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＮＡＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１３
基于ＣＣ４３０的表面肌电信号无线采集系统的
研究与设计
姜磊，杜冬梅
（河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作４５４０００）
摘要：表面肌电信号属于非平稳的生物电信号，其特点是信号微弱、易受干扰．针对表面肌电信号的特点，设计了阵列 式表面肌电信号电极与带通信号调理，采集电路和基于单片机ＣＣ４３０的无线数据收发电路．该电路系统能有效覆盖带宽为 １０—１ ０００ Ｈｚ的表面肌电信号，实现了肌电信号的采集和与上位机的无线射频通信． 关键词：表面肌电信号；ＣＣ４３０；信号调理；无线通信 中图分类号：ＴＮ０６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—３３０Ｘ（２０１３）０１—００６１—０５
肌电信号（ＥＭＧ）发源于作为中枢神经一部分脊髓中的运动神经元，是电极接触到的许多单元发放的动
作电位的总和，反映了神经肌肉的活动和功能状态．表面肌电信号（ＳＥＭＧ）是从人体骨骼肌表面通过电极记
录下来的神经肌肉活动发放的生物电信号，它的应用已经深入了到临床医学、运动控制、生物医学与康复工
程等诸多领域 ．
人体皮肤表面的肌电信号幅值约为１０～５ ０００ ＩｘＶ，能量主要集中在１０～５００ Ｈｚ，信号微弱，易受干
扰 ．因此，用电极采集过来的表面肌电信号必须经过放大滤波，才能被有效地识别．本研究设计了高性能
的印制电极和具有高共模抑制比、抗干扰能力强的信号调理电路，并通过控制核心ＣＣ４３０单片机来完成高
精度的Ａ／Ｄ转换以及４３３ ＭＨｚ无线射频通信，取得了良好的实验效果，为之后对表面肌电信号进行分析辨
识并通过肌电信号作为控制信号驱动轮椅电机打下坚实的基础．
１ 系统的总体结构
系统框图如图１所示，整个系统主要由印制电极、模拟信号前置放大器、１—１０ ｋＨｚ的带通滤波器以及
面向动物机器人的新型可充电表面肌电信号采集系统设计与应用
面向动物机器人的新型可充电表面肌电信号采集系统设计与应用
常铭;许孟华;杨建宏;槐瑞托;杨俊卿;常辉;汪慧
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2022(45)24
【摘 要】面向动物机器人运动控制机制研究,设计一种新型可充电便携式双通道表面肌电采集系统。该系统体积小,实验时可背在机器人鸽身上,并且可以通过TP4055芯片重复为4.2 V锂电池充电,由升压变换器SX1308将电压升至5 V,通过AMS1117芯片将5 V转为3.3 V为单片机供电。该系统可实现表面肌电信号采集,并将采集到的数据传至上位机进行实时显示。用电刺激鸽运动中枢中脑导水管周围灰质,该系统能成功同步实时采集鸽子胸大肌和腿部肌肉肌电信号。系统可连续工作5 h,适用于自由运动的动物机器人。增加导水管刺激电压,采集到的肌电放电幅度及频率均增大,表明肌肉收缩强度和频率都增加,证明中脑导水管在鸽子运动控制中发挥了重要作用。
【总页数】5页(P136-140)
【作 者】常铭;许孟华;杨建宏;槐瑞托;杨俊卿;常辉;汪慧
【作者单位】山东科技大学山东省机器人与智能技术重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】TN911.23-34
【相关文献】 1.表面肌电信号采集系统设计2.基于STM32微处理器的表面肌电信号无线采集与处理系统设计3.基于LABVIEW的表面肌电信号采集系统设计4.无线多通道表面肌电信号采集系统设计5.一种低能耗表面肌电信号采集系统设计
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表面肌电刺激反馈仪硬件电路设计概况
表面肌电刺激反馈仪硬件电路设计概况
摘要:肌电刺激反馈仪是将生物反馈技术和电信号刺激手段相结合,通过传感器电极对人体肌肉部位灌入正负电脉冲信号进行刺激，该脉冲信号可根据方案不同，而选择不同的刺激频率、脉冲宽度、电流强度、和刺激/间歇时间等的被动电脉冲恒电流信号，可对不同情况的患者进行相应的神经肌肉电刺激方案。
关 键 词:sEMG，肌电采集，电刺激
引言
肌电刺激反馈仪全名为表面肌电刺激反馈系统（sEMG），该产品已经逐渐应用于医院康复医学科、神经内科、老年医学科等，主要面向各类医院康复科和神经科的新一代多功能的诊断和治疗设备。
一、关于肌电刺激反馈仪
1.1 产品概况：
肌电刺激反馈仪是将肌电信号检测、电刺激以及实时控制技术相结合的设备。
1.2肌电刺激反馈仪相关标准
设计标准：《肌电生物反馈仪》YY/T 1095-2015,《医用电气设备-安全通用要求》GB-9706.1。
二、肌电刺激反馈仪硬件设计简述
本文将肌电刺激反馈仪硬件研发设计分为：肌电采集硬件设计，电刺激信号硬件设计和核心数字控制板设计部分。
2.1 肌电采集硬件设计
2.1.1 硬件电路原理图设计
肌电采集硬件电路设计，主要包含肌电模拟信号输入前置仪表放大电路，50HZ工频陷波电路，二级信号放大器，光电耦合器隔离电路，末级放大器及缓冲器，ADC转换器电路和右腿电路原理图设计等
a)肌电模拟信号输入前置仪表放大电路原理图设计
前置放大器以仪表运算放大器芯片AD8422A为核心，通过电极片传感器连接到人体肌肤获取到uV级微弱肌电信号，经过电容组滤波后获得有用频率范围的微弱信号，差分输入信号送至仪表运放的输入口IN+/IN-，前置放大器放大倍数设定值约30倍。
b)50HZ工频陷波电路
由于人体表面肌电信号频率范围大致在0.5HZ~1000HZ，包含无所不有的50Hz工频干扰信号，故特设计一个AD8609（具有极低的失调电压以及低输入电压噪声和电流噪声特性）一级运放组成的50Hz工频陷波器电路。
表面肌电信号信号处理方法及其应用
表面肌电信号信号处理方法及其应用
全文共四篇示例，供读者参考
第一篇示例：
表面肌电信号（Surface Electromyography，简称sEMG）是通过将一对电极放置在人体表面以测量肌肉电活动的一种技术。sEMG可以用来研究肌肉收缩模式、运动控制、疼痛评估以及康复训练等领域。为了提取和处理sEMG信号，需要一系列信号处理方法来识别和分析特定的生物特征。
sEMG信号的种类繁多，包括静态和动态信号、噪声信号、交叉传导干扰等。如何有效地处理sEMG信号成为了研究和实践中的关键问题。sEMG信号的处理方法可以分为前端处理和后端处理两个阶段。
前端处理主要包括信号获取、预处理和特征提取。在信号获取阶段，需要选择合适电极类型、布置和放置位置以保证信号的准确性和稳定性。预处理阶段包括滤波、放大、降噪等步骤，旨在将原始信号进行去噪和增强。特征提取阶段则是从预处理后的信号中提取出有价值的特征，如幅度、频率、时域或频域特征等。
后端处理主要包括模式识别、分类和应用。模式识别技术通过机器学习算法将特征化的sEMG信号与肌肉运动模式进行关联，实现对肌肉运动的识别和分类。常见的模式识别方法包括支持向量机、人工神经网络、模糊逻辑等。分类技术则进一步将不同的肌肉运动模式进行区分和识别，为康复训练和疾病诊断提供依据。应用阶段将处理后的sEMG信号应用于康复训练、人机交互、假肢控制等领域，从而提高生活质量和康复效果。
除了传统的处理方法，近年来还出现了一些新的sEMG信号处理技术。基于深度学习的特征提取和分类方法已经在sEMG信号处理中取得了很好的效果。深度学习通过构建多层神经网络进行特征从原始信号中学习和提取，能够更有效地处理复杂的sEMG信号。生物信息学技术也开始应用于sEMG信号处理中，通过对生物特征的分析和模拟，实现对sEMG信号更深层次的理解和处理。
表面肌电信号的处理方法及其应用是一个不断发展和创新的领域。随着研究和技术的进步，我们相信在未来，sEMG信号处理将更加高效和智能化，为康复训练、生物医学工程和健康管理等领域带来更多的应用和推动。
基于ENC28J60的表面肌电信号采集系统的网络接口设计
收稿日期:
2009-08-26作者简介:
华国红(
1984—),女,河北清河县人,在读硕士研究
生,主要研究方向为生物医学信息系统与医疗仪器;张海南(1954—),男,副教授,主要研究方向为机电控制与自动化、生物医学信息系统与医疗仪器等;岳若蒙(1986—),女,河南南阳
人,在读硕士研究生,主要研究方向为生物医学信息系统与医
疗仪器。基于ENC28J60的表面肌电信号
采集系统的网络接口设计
华国红,张海南,岳若蒙
(西北工业大学机电学院,陕西西安 710072)
摘要:针对当前许多医疗仪器未能实现网络连接的问题,提出了一种基于ENC28J60的网络接口的设计
方法,并应用于表面肌电信号采集系统。电路主要由主控芯片dsPIC30F6012和以太网控制芯片
ENC28J60组成。重点介绍了网络通信接口电路的设计、SPI通信,以及TCP/IP远程通信。实验证明,
基于ECN28J60的网络接口应用于表面肌电采集系统,具有结构简单、性能稳定、兼容性强的特点。
关键词:ENC28J60;SPI;表面肌电;网络接口;dsPIC30F6012
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2010)02-0067-03
DesignofNetworkInterfaceforSECGAcquisitionBasedonENC28J60
HUAGuo2hong,ZHANGHai2nan,YUERuo2meng
(SchoolofMechatronics,NorthwesternPloytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)
Abstract:FortheneedofmedicalinstrumentsconnectingwithInternet,adesignofSECGacquisitionsystem’s
networkinterfacebasedonENC28J60isgiven.ControllerdsPIC30F6012andEthernetcontrollerENC28J60
基于STM32的表面肌电采集系统的实现
第39卷 第7期 2017-07
【119】收稿日期：2017-03-06基金项目：上海市科委智能化下肢综合评估训练系统的临床应用研究项目（14441905100）；上海市科委俯卧式多态脊柱 康复训练与评估系统的开发与关键技术研究项目（15441906200）作者简介：朱安阳（1989 -），男，浙江温州人，硕士研究生，研究方向为精密医疗器械设计与检测
。基于STM32的表面肌电采集系统的实现Implementation of surface EMG acquisition system based on STM32朱安阳，徐秀林ZHU An-yang, XU Xiu-lin（上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093）摘 要：针对康复训练治疗效果的评估的需要，设计了一种基于STM32的表面肌电采集系统。系统采取由主机控制和显示的主从型结构，硬件以STM32为核心，配合表面肌电信号采集模块以实现对原始的表面肌电信号的采集，再利用均方根值提取模块提取其肌电均方根值并通过USB接口传送至上位机，最终由上位机软件分析处理传送上来的肌电数据并显示。实验结果表明，系统所采集的肌电信号的准确性较高，能够满足评估康复训练治疗效果的需要。关键词：STM32；数据采集；肌电均方根值；积分肌电值中图分类号：TH772 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2017)07-0119-05
0 引言表面肌电信号是一种伴随着肌肉活动在皮肤表面传递的生物电[1]。表面肌电信号是来源于人体自身的电信号，因此它具有直接自然的特点，其中蕴含了多种肌肉运动信息，被广泛的运用于肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学以及运动体育等方面的研究。随着电子新技术和计算机技术的发展以及神经肌肉生理学研究，人们可以对肌电信号和神经肌肉功能进行更加精准的研究[2]。南京大学的周兵等人研制的便携式表面肌电信号采集仪以ARM7微处理器AT91SARM7SE512为核心，采用μC/OSⅡ操作系统，通过触摸屏控制肌电信号的采集，操作简便且性能稳定，但选用的芯片成本较高，而且由于缺少上位机的配合，不便于肌电数据的管理[3]；哈尔滨理工大学的尤波等人搭建的肌电信号采集平台采用了北京阿尔泰科技发展有限公司研发的PCI8622数据采集卡，其采样通道多达32路，转换精度达16bit，可同时采集多路肌电信号且精度较高，但也使得数据采集变得复杂，不利于临床 使用。针对上述情况，本文设计了一种基于STM32的低成本、低功耗、双通道的表面肌电采集系统。该系统包括上、下位机两部分，由上位机控制下位机的肌电数据的采集与传送，同时上位机还负责对采集的肌电数据进行保存、分析和显示，上位机与下位机之间通过USB接口进行数据通讯。1 系统的设计与实现基于STM32的肌电采集系统设计由硬件设计与软件设计两部分组成。硬件包括原始肌电信号采集模块、肌电均方根值提取模块、STM32芯片、UART转USB模块和电源模块；软件分为下位机的STM32控制程序设计和上位机的肌电信号分析界面设计两部分。其中，下位机的STM32控制程序包括对上位机下传的命令数据的处理响应模块和肌电均方根值数据的上传模块；上位机的肌电信号分析界面包括病人信息管理模块、肌电数据分析显示模块和数据通讯模块。系统整体结构框图如图1 所示。1.1 硬件设计表面肌电采集系统的硬件部分由原始肌电信号采集模块、肌电均方根值提取模块、STM32芯片、UART转USB模块和电源模块组成，其具体工作流程为：原始肌电信号采集模块通过对信号进行放大滤波处理以提取原始表面肌电信号，而获得的原始肌电信号再经过均方根值提取模块的处理以提取肌电信号的均方根值，再由STM32芯片将采集到的肌电均方根值数据通过UART转USB模块传送给上位机。硬件系统的设计指标如表1 所示。表1 硬件设计指标采样频率范围信号放大倍数采样率分辨率20Hz～500Hz5×104～5×1052000Hz0.2μV【120】 第39卷 第7期
表面肌电信号检测电路的实时肌肉活动监测与疲劳评估策略
表面肌电信号检测电路的实时肌肉活动监测与疲劳评估策略
肌肉活动的实时监测和疲劳评估对于运动训练、康复医学、人机交互等领域具有重要意义。而表面肌电信号（sEMG）作为一种非侵入性检测方法，广泛应用于肌肉活动的监测和分析。本文将介绍表面肌电信号检测电路的原理和实时肌肉活动监测与疲劳评估的策略。
一、表面肌电信号检测电路的原理
表面肌电信号是通过将肌肉表面的电活动转化为电信号来实现监测的。表面肌电信号检测电路的主要组成包括电极贴片、前置放大器、滤波器、采样电路和模数转换器等。
1. 电极贴片：电极贴片是将电信号从肌肉表面转导到电路的关键部件。它通常由导电材料制成，能够良好地与肌肉表面接触，提供良好的信号传导性能。
2. 前置放大器：前置放大器用于将电极传输过来的微弱信号放大，以便后续的信号处理和分析。前置放大器需要具备低噪声、高增益和宽带的特点，以提高信号质量。
3. 滤波器：滤波器用于去除电信号中的噪声干扰和不相关的信号成分。根据需要，可以设置不同的滤波器来实现不同频段的信号检测和分析。 4. 采样电路：采样电路用于对放大后的信号进行采样，将模拟信号转化为数字信号。通常采用的采样率为200-1000 Hz，以保证对信号进行高精度的还原。
5. 模数转换器：模数转换器用于将采样得到的模拟信号转化为数字信号。通过模数转换器，可以将信号用数字形式进行存储和处理。
二、实时肌肉活动监测策略
基于表面肌电信号的实时肌肉活动监测是通过采集和分析肌肉电信号来实现的。其主要步骤包括信号采集、信号处理和特征提取等。
1. 信号采集：信号采集是通过表面肌电信号检测电路对肌肉电活动进行采集。通过在肌肉表面粘贴电极贴片并将其与检测电路相连，可以实时地对肌肉电活动进行监测。采集到的信号可以通过模数转换器转化为数字信号，以便后续的处理和分析。
2. 信号处理：信号处理是对采集到的信号进行去噪、滤波和增益调整等预处理操作。去噪和滤波可以去除信号中的噪声干扰和不相关的信号成分，使得信号更加清晰和准确。增益调整可以根据需要对信号进行放大或缩小，以适应后续的分析和应用需求。
表面肌电信号信号处理方法及其应用 2
表面肌电信号信号处理方法及其应用
全文共四篇示例，供读者参考
第一篇示例：
表面肌电信号信号处理方法及其应用
表面肌电信号（Surface Electromyography，sEMG）是一种通过皮肤表面电极采集肌肉电活动的生物信号。sEMG信号在生物医学领域广泛应用于肌肉疾病诊断、康复训练和人机交互等方面。sEMG信号采集受到多种干扰，如电极位置、干扰信号和运动噪声等，需要进行信号处理才能准确提取有用信息。本文将探讨常见的表面肌电信号处理方法及其应用。
一、sEMG信号处理方法
1. 滤波
sEMG信号的频谱范围通常在10-500Hz之间，而人体运动的干扰信号频率往往高于500Hz，因此可以通过低通滤波器滤除高频噪声。还可以使用带阻滤波器去除特定频率的干扰信号。
2. 平滑
sEMG信号常受到高频干扰或肌肉颤动的影响，为获得较稳定的信号，可以采用平滑滤波器，例如移动平均滤波或中值滤波，消除信号的高频成分。 3. 归一化
由于不同个体之间的肌肉生理特性存在差异，sEMG信号的幅值难以比较。可以对信号进行幅值归一化处理，将信号幅值映射到统一的尺度上，便于进行比较和分析。
4. 特征提取
sEMG信号常包含大量冗余信息，为提取有用信息，需要选取适当的特征参数。常见的特征参数包括时域参数（如均值、方差、波形长度）、频域参数（如功率谱密度、频谱均值）和时频域参数（如小波包系数、短时傅里叶变换系数）等。
5. 模式识别
对提取的特征参数进行模式分类和识别，可实现不同肌肉动作或状态的自动识别。常用的分类方法包括支持向量机、人工神经网络和决策树等。
1. 肌肉疾病诊断
sEMG信号可以反映肌肉功能、神经传导和协调性，对多种肌肉疾病如肌无力、肌张力失调和肌萎缩等具有敏感性。通过对病人肌肉运动信号的采集和分析，可以帮助医生进行准确的诊断和治疗。
肌电信号采集技术的原理与应用
肌电信号采集技术的原理与应用
肌电信号是人体肌肉运动所发出的微弱电信号，可以通过肌电信号采集技术进行测量和分析。这项技术广泛应用于医学与生理学研究、人体运动控制、运动康复等领域。本文将介绍肌电信号的原理及其应用。
一、肌电信号的原理
肌肉运动时，身体内部的神经系统会向肌肉发出指令，激活肌肉收缩。肌肉收缩时，肌纤维会释放出电位，形成肌电信号。这些信号可以通过肌电信号采集技术测量和记录。
肌电信号采集技术主要由肌电电极和信号放大器两部分组成。肌电电极通常放置在皮肤表面，通过传导胶贴附着于皮肤上，并与肌肉直接接触。肌电电极的放置位置至关重要，不同肌肉的放置方法也会有所不同。
信号放大器则负责放大采集到的肌电信号，并将其转换成数字信号进行处理和分析。信号放大器的放大倍数和滤波器设置会影响信号的质量和准确性。
二、肌电信号的应用
1. 运动控制及评估
肌电信号采集技术可以被用来控制人体运动。例如，人体姿势感应器可以通过肌电信号采集技术监测人体肌肉活动，控制机器人的运动，用于康复治疗和假肢控制等。
此外，肌电信号还可以用于评估人体运动水平和运动损伤情况。例如，采集肌肉收缩力量和运动角度的数据，可以评估肌肉无力症和骨骼肌肉疾病等运动障碍。
2. 生理学研究
肌电信号采集技术在生理学研究领域有广泛应用。例如，研究者可以通过采集和记录肌电信号，了解人体肌肉的收缩和放松，探究肌肉力量和运动模式等运动机理。
此外，肌电信号还可以用于研究人体运动的疲劳和适应等生理学现象，如通过对肌肉效应的系统测量来评估训练效果、运动负荷和锻炼负担等方面的变化。
3. 康复治疗
肌电信号采集技术可以直接应用于康复治疗。例如，在肌肉康复治疗中，可以采用肌电信号来监测肌肉收缩情况、练习肌肉协调性和力量等，通过控制人体运动来达到恢复和治疗的效果。
此外，肌电信号还可以用于评估康复治疗的效果和质量，提高医学康复治疗的准确性和效率。
总之，肌电信号采集技术在医学和生理学领域发挥了重要的作用，它不仅可以用于控制人体运动、评估人体肌肉状况和康复治疗，还可以通过研究肌肉机理和生理学现象来增进我们对人体生理功能和运动系统的认识。
基于multisim的肌电信号的采集与分析
院（系）： 基层教学单位：
学 号 学生姓名 专业（班级）
设计题目 基于multisim的肌电信号的采集与分析
设
计
技
术
参
数 输入阻抗≥1GΩ;
共模抑制比>93dB
带宽0-100Hz
能滤除50Hz工频干扰
总增益4000-100000
设
计
要
求
设计肌电信号调理电路，能够实现肌电信号的放大、滤波基本功能；利用MULTISIM软件进行电路仿真与优化。
工
作
量
调设计心电信号调理电路；
MULTISUM软件学习；
功能电路仿真与参数优化；
完成课程设计报告一份
工
作
计
划
1天 方案调研与系统总体设计；
2天 仿真软件学习；
3天 功能电路仿真与元件参数优化；
4天 整体电路联调；
5天 系统总结完成报告。
参
考
资
料
1．《现代测控电路》 李刚等 天津大学出版社
2《Multisim 11电路仿真与实践》梁青等 清华大学出版社
3．网上相关资料
指导教师签字 基层教学单位主任签字
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
① 该生学习态度 （认真 较认真 不认真）
② 该生迟到、早退现象 （有 无）
③ 该生依赖他人进行设计情况 （有 无）
成绩：
指导教师：
年 月 日
答辩小组评语：
① 设计巧妙，实现设计要求，并有所创新。
② 设计合理，实现设计要求。
③ 实现了大部分设计要求。
④ 没有完成设计要求，或者只实现了一小部分的设计要求。
成绩：
组长：