STM32的表面肌电信号检测仪的设计
目 录
1 绪论 1
1．1研究意义 1
1．2 国内外研究概况 1
1．3 设计思路及主要研究内容 2
2 肌电传感器的设计 4
2.1 肌电信号的产生机理及分析 4
2.2 检测电路的特点及总体设计思路 5
2.3 电极的选取及放置 6
2.4 放大电路的设计 8
2.5 滤波电路设计 9
2.6 工频陷波电路 10
2.7 电平抬高电路的设计 11
2.8 隔离与屏蔽设计 11
3 表面肌电信号采集系统的设计 12
3.1 STM32单片机的应用 12
3.2 系统软件设计 19
4 上位机设计 22
4.1 LabVIEW简介 23
4.2 数据采集 23
5 实验过程及结果分析 28
5.1 实验步骤 28
5.2 实验数据 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
附 录 34
1 绪论
1．1研究意义
自建国以来，国内的医疗卫生水平得到了极大地改善，但是残疾人的残疾问题仍然无法得到有效的解决。虽然交通越来越发达，但随之而来的交通事故的发生速率也在飞速增加，某些疾病无法治疗只能进行截肢，所以残疾人的比例在持续增加，所以寻求更有效的假肢控制技术势在必行。建国初期，国内只能纯粹的用触动开关和预设启动来控制假肢，而随着近些年来大量专家推广采用肌肉的生理模型辨别肌肉的活动轨迹，所以电子假肢技术得到了迅猛的发展。随着进一步发展，目前国际上采用表面肌电信号 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
控制假肢的应用很普遍，这种方法就是通过表面电极检测的表面肌电信号，再经过信号分析来辨别肢体动作，更加有利于残疾人员的使用。不仅如此还有很多的作用，一方面能够根据通过分析肌电信号对假肢进行适时的电刺激;另一方面可以把肌电信号的相关信息传达回医生那里，不仅可以存档病历，还非常有利于在后续的治疗。不仅如此，表面肌电信号在运动医学领域同样举足轻重，比如可以实时检测运动员运动状态，反映出肌肉的实时活动状态，教练和工作人员可以实时观察检测，这对于创建健康有效的训练方式方法有不可取代的辅助功能。
1．2 国内外研究概况
1.2.1 国外研究概况
广泛意义上的表面肌电信号（sEMG）是指人体肌肉在收缩和伸展时伴随的微弱的电流信号，当我们用表面电极贴放在在骨骼肌的皮表时，就可以收集记录到这种微弱的电信号。这种信号反应了人体神经和肌肉的功能状况，它不单在临床医学和运动医学等领域得到普遍的使用，并且也还是近代假肢控制学科的重点研究内容。而怎样从采集到的肌电信号中获取到我们所需的信息且实现精准的动作辨别，是近代假肢控制的重点问题。1791年，伽法尼（Galvani）经过青蛙的肌肉收缩实验研究首次发现并证实了肌肉的伸缩和电气信号有密切的联系；到1922年，加赛（Gasser）和厄兰格丽（Erlangre）合作发现当使用阴极射线示波器来取代以往常用的检流计来进行观察时，会观察到肌电图；在第十八世纪的90年代和第二十世纪初之间的时间段，大批专家对神经肌肉的会产生电电信号这种现象进行了前赴后继的努力并取得了优秀的理论成果，这些成果为临床肌电学的创建和发展、近代肌电控制假肢的涌现和肌电信号的收集采样在康复治疗、运动医学、生物力学等研究学科中的应用和推广夯实了深厚的理论基础。自20世纪中后期以来，由于电子技术如雨后春笋般的兴起和生物医学的进一步发展，依托于崭新的检测以及全新的记录技术，为学者们能够进行更为详尽的研究提供了非常有利的条件，同时随着分析与处理能力的提高和CPU的出现和普及都使得肌电信号的进一步分析研究奠定了基础。
1.2.2 国内研究概况
国内这方面的研究较国外来说起步较晚，但仍然经过了近几十年的技术积累和发展。20世纪70年代后期，国内的医学信息技术进入了崭新的历史发展阶段，此时国内的课题研究主要是以国外的研究水平为基准；80 年代初期，由于微型计算机的出现，生物医学工程探索取得了革命性的进步。至83 年以后，已经实现国产化的采集控制接口产品的普及，以及集成化CPU出现 及 PC 总线机种与 DOS体系的遍及，这为生理医学技术的发展进步，注入了一支强心剂。我国对这方面探索的最新研究成果是Pclab 生物信号采集系统，它以硬件模块与软件模块为主要组成部分。硬件模块的功能是采集各类生物电信号以及各类非生物电信号，然后处理和放大收集到的信号，再对处理后的信号进行模/数（A/D）转化，最后经由USB数据线将信号送进计算机。而软件部分则主要是显示、记录、保存、处理及打印输出已经经过数模转换的生物信号，与此同时还要控制系统的各个模块。该装置是基于 PC 机的生理信息采集系统，在使用时环境、资金、技术条件和工作人员的影响是不可忽视的，不能直接作用于假肢、康复机器人等人工智能控制系统中。所以就设计了使用肌电信号来控制肌电假肢的行为，这种控制方式同用声音、肌腱、"再造指”、脑电信号作为控制信号源的方式比起来，它是目前将生物信号用于对假肢的控制最成功的方式。
1．3 设计思路及主要研究内容
1.3.1 设计思路
在本课题开始之前，查阅资料阅读文献，做了大量的准备工作，总结前人的经验，并根据课题的设计要求以及国内外的技术发展现状，本设计总结出如图1-1所示的系统结构框图。
图1-1系统设计框图
1.3.2 主要研究内容
本设计主要是利用传感器电极、信号放大模块、信号滤波模块、A/D转换模块、上位机LabVIEW虚拟处理平台完成检测仪系统的设计。
1、肌电信号提取
使用表面贴片电极来采集肌电信号，然后再设计INA128 芯片及周边电路，将采集的肌电信号进行放大，从而完成可以把弱小的肌电信号成功地送入硬件系统;
2、肌电信号放大滤波电路的设计
肌电信号滤波电路是肌电信号采集系统的关键。依据它的幅频特征和外部条件对其的限制，本文规划设计了较理想的滤波电路，尤其是策划了一种新式的50Hz工频陷波电路，可以完美的消除由于工频噪声对肌电信号造成的影响;
3、真有效值电路设计
真有效值电路设计可以较完美的解决肌电信号整流和滤波的问题，同时便于它的观察，也为后面使用STM32处理肌电信号提供了有利条件。
2 肌电传感器的设计
2.1 肌电信号的产生机理及分析
2.1.1 肌电信号的产生原理
肌电信号（EMG）是肌肉收缩产生信号的信号源，集中反应了神经和肌肉的功能状况，在医学研究、临床诊断和康复治疗中都具有很重要的意义。
针电极 单芯
同心 双芯
表面电极 多芯
埋藏电极
悬浮电极
图2-4 电极分类
而就本课题研究的肌电信号来说，最常见的是针式电极和表面（贴片）电极。两种电极优缺点比较如表2-1所示。
1 绪论 1
1．1研究意义 1
1．2 国内外研究概况 1
1．3 设计思路及主要研究内容 2
2 肌电传感器的设计 4
2.1 肌电信号的产生机理及分析 4
2.2 检测电路的特点及总体设计思路 5
2.3 电极的选取及放置 6
2.4 放大电路的设计 8
2.5 滤波电路设计 9
2.6 工频陷波电路 10
2.7 电平抬高电路的设计 11
2.8 隔离与屏蔽设计 11
3 表面肌电信号采集系统的设计 12
3.1 STM32单片机的应用 12
3.2 系统软件设计 19
4 上位机设计 22
4.1 LabVIEW简介 23
4.2 数据采集 23
5 实验过程及结果分析 28
5.1 实验步骤 28
5.2 实验数据 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
附 录 34
1 绪论
1．1研究意义
自建国以来，国内的医疗卫生水平得到了极大地改善，但是残疾人的残疾问题仍然无法得到有效的解决。虽然交通越来越发达，但随之而来的交通事故的发生速率也在飞速增加，某些疾病无法治疗只能进行截肢，所以残疾人的比例在持续增加，所以寻求更有效的假肢控制技术势在必行。建国初期，国内只能纯粹的用触动开关和预设启动来控制假肢，而随着近些年来大量专家推广采用肌肉的生理模型辨别肌肉的活动轨迹，所以电子假肢技术得到了迅猛的发展。随着进一步发展，目前国际上采用表面肌电信号 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
控制假肢的应用很普遍，这种方法就是通过表面电极检测的表面肌电信号，再经过信号分析来辨别肢体动作，更加有利于残疾人员的使用。不仅如此还有很多的作用，一方面能够根据通过分析肌电信号对假肢进行适时的电刺激;另一方面可以把肌电信号的相关信息传达回医生那里，不仅可以存档病历，还非常有利于在后续的治疗。不仅如此，表面肌电信号在运动医学领域同样举足轻重，比如可以实时检测运动员运动状态，反映出肌肉的实时活动状态，教练和工作人员可以实时观察检测，这对于创建健康有效的训练方式方法有不可取代的辅助功能。
1．2 国内外研究概况
1.2.1 国外研究概况
广泛意义上的表面肌电信号（sEMG）是指人体肌肉在收缩和伸展时伴随的微弱的电流信号，当我们用表面电极贴放在在骨骼肌的皮表时，就可以收集记录到这种微弱的电信号。这种信号反应了人体神经和肌肉的功能状况，它不单在临床医学和运动医学等领域得到普遍的使用，并且也还是近代假肢控制学科的重点研究内容。而怎样从采集到的肌电信号中获取到我们所需的信息且实现精准的动作辨别，是近代假肢控制的重点问题。1791年，伽法尼（Galvani）经过青蛙的肌肉收缩实验研究首次发现并证实了肌肉的伸缩和电气信号有密切的联系；到1922年，加赛（Gasser）和厄兰格丽（Erlangre）合作发现当使用阴极射线示波器来取代以往常用的检流计来进行观察时，会观察到肌电图；在第十八世纪的90年代和第二十世纪初之间的时间段，大批专家对神经肌肉的会产生电电信号这种现象进行了前赴后继的努力并取得了优秀的理论成果，这些成果为临床肌电学的创建和发展、近代肌电控制假肢的涌现和肌电信号的收集采样在康复治疗、运动医学、生物力学等研究学科中的应用和推广夯实了深厚的理论基础。自20世纪中后期以来，由于电子技术如雨后春笋般的兴起和生物医学的进一步发展，依托于崭新的检测以及全新的记录技术，为学者们能够进行更为详尽的研究提供了非常有利的条件，同时随着分析与处理能力的提高和CPU的出现和普及都使得肌电信号的进一步分析研究奠定了基础。
1.2.2 国内研究概况
国内这方面的研究较国外来说起步较晚，但仍然经过了近几十年的技术积累和发展。20世纪70年代后期，国内的医学信息技术进入了崭新的历史发展阶段，此时国内的课题研究主要是以国外的研究水平为基准；80 年代初期，由于微型计算机的出现，生物医学工程探索取得了革命性的进步。至83 年以后，已经实现国产化的采集控制接口产品的普及，以及集成化CPU出现 及 PC 总线机种与 DOS体系的遍及，这为生理医学技术的发展进步，注入了一支强心剂。我国对这方面探索的最新研究成果是Pclab 生物信号采集系统，它以硬件模块与软件模块为主要组成部分。硬件模块的功能是采集各类生物电信号以及各类非生物电信号，然后处理和放大收集到的信号，再对处理后的信号进行模/数（A/D）转化，最后经由USB数据线将信号送进计算机。而软件部分则主要是显示、记录、保存、处理及打印输出已经经过数模转换的生物信号，与此同时还要控制系统的各个模块。该装置是基于 PC 机的生理信息采集系统，在使用时环境、资金、技术条件和工作人员的影响是不可忽视的，不能直接作用于假肢、康复机器人等人工智能控制系统中。所以就设计了使用肌电信号来控制肌电假肢的行为，这种控制方式同用声音、肌腱、"再造指”、脑电信号作为控制信号源的方式比起来，它是目前将生物信号用于对假肢的控制最成功的方式。
1．3 设计思路及主要研究内容
1.3.1 设计思路
在本课题开始之前，查阅资料阅读文献，做了大量的准备工作，总结前人的经验，并根据课题的设计要求以及国内外的技术发展现状，本设计总结出如图1-1所示的系统结构框图。
图1-1系统设计框图
1.3.2 主要研究内容
本设计主要是利用传感器电极、信号放大模块、信号滤波模块、A/D转换模块、上位机LabVIEW虚拟处理平台完成检测仪系统的设计。
1、肌电信号提取
使用表面贴片电极来采集肌电信号，然后再设计INA128 芯片及周边电路，将采集的肌电信号进行放大，从而完成可以把弱小的肌电信号成功地送入硬件系统;
2、肌电信号放大滤波电路的设计
肌电信号滤波电路是肌电信号采集系统的关键。依据它的幅频特征和外部条件对其的限制，本文规划设计了较理想的滤波电路，尤其是策划了一种新式的50Hz工频陷波电路，可以完美的消除由于工频噪声对肌电信号造成的影响;
3、真有效值电路设计
真有效值电路设计可以较完美的解决肌电信号整流和滤波的问题，同时便于它的观察，也为后面使用STM32处理肌电信号提供了有利条件。
2 肌电传感器的设计
2.1 肌电信号的产生机理及分析
2.1.1 肌电信号的产生原理
肌电信号（EMG）是肌肉收缩产生信号的信号源，集中反应了神经和肌肉的功能状况，在医学研究、临床诊断和康复治疗中都具有很重要的意义。
针电极 单芯
同心 双芯
表面电极 多芯
埋藏电极
悬浮电极
图2-4 电极分类
而就本课题研究的肌电信号来说，最常见的是针式电极和表面（贴片）电极。两种电极优缺点比较如表2-1所示。
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