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)

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[1].

人体皮肤表面的肌电信号幅值约为10～5 000 μV，能量主要集中在10～500 Hz，信号微弱，易受干扰[2].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的带通滤波器以及由主控芯片CC430和射频芯片CC1101构成的无线射频433 MHz的收发模块组成，通过SPI转换USB芯片CH341来实现CC1101与上位机的通信和编程设置.本研究的工作主要集中在印制电极的设计、肌电信号调理电路、A/D转换以及433 MHz射频收发模块的通信.

本系统SEMG采集调理电路及CC430无线数据发射模块采用锂电池供电，以CC1101为核心的无线数据接收模块采用USB供电.

图1 肌电信号采集电路结构框图Fig.1 Circuit structure diagram of SEMG acquisition

2 印制阵列电极的设计

与普通的Ag/AgCl电极相比，印制电极不需要涂抹导电膏和电解溶液，具有佩戴便捷性和舒适性[3].如图2(a)所示，单个印制电极由铜制圆盘、导电孔和屏蔽层3部分组成.铜制圆盘是使用印刷电路板的方式印制而成，直径为2.5 mm.圆盘中心通过导电孔与其他电气层连接，并在圆盘上镀镍，在镍上镀厚度为0.1 μm的金层就形成表面肌电印制电极[4].电极的外部用作参考点(接地点)，以减少电路串扰、提高电路可靠性.如图2(b)所示，电极阵列式排列，相邻两个电极的间距5 mm，中心电极为参考电极，与电路板GND相连.中心电极的上、下和左、右两对电极分别作为信号采集通道1和2的差分式输入端.本设计的阵列式电极体积小，而且集成了两对差分式电极作为信号采集输入端，结构上互相垂直，可以有效地采集表面肌电信号，抗干扰能力强.

图2 阵列式印制电极Fig.2 Array type printing electrode

3 硬件电路设计

表面肌电信号幅值为10～5 000 μV，频率范围为20～500 Hz[5].根据表面肌电信号的幅值和频率范围，本电路设计拟将表面肌电信号放大250倍，并进行10～1 000 Hz的带通滤波.由于CC430内部设置A/D转换的电压范围在0～2.5 V，而表面肌电信号的电压范围在-5～5 mV，放大250倍后电压范围在-1.25～1.25 V，所以需要外部基准电压1.25 V，将采集过来的信号抬高，使输入电压达到0～2.5 V.硬件电路主要由肌电信号调理电路和信号采集与无线收发电路两部分组成.肌电信号调理电路包括前级放大电路和10～1 000 Hz带通滤波电路.

3.1 前级放大电路

前级放大电路由仪用放大器U1与周围阻容元件构成，对差分电极CH1+，CH1-上的SEMG信号放大一定倍数，并利用电阻R1和电容C1串联的特性进行一阶高通滤波以抑制运动伪迹的影响.

前级仪用放大器的选用主要考虑以下几个重要参数：①输入电压噪声和峰峰值噪声电压；②共模抑制比CMRR.对几种仪用放大器的性能指标进行比较，结果如表1所示.AD公司的仪用放大器AD8222的噪声最小，有较高的共模抑制比，而且集成两个仪表放大器，体积小、功耗低，符合整个低功耗的设计要求.

表1 几种仪用放大器的主要性能指标Tab.1 Main performance index of several instrumentation amplifiers

根据多级放大器的噪声合成原理，要想减少整个系统的噪声，就要在前置放大器实现较大的增益.前级放大器的增益主要由R1决定，而R1和C1共同决定前级放大器的高通滤波截止频率.AD8222的增益公式和高通滤波的截止频率公式如下：

G=1+49.4kΩ/R1，

(1)

f=1/2πR1C1.

(2)

选取C1=10 μF，设计滤波器截止频率为10 Hz，计算得R1=1 592 Ω，实际取R1为1.5 kΩ.根据公式(1)，可得前级放大倍数约30倍.实际电路中采用AD8222作为前置放大器完全能够符合整个系统的设计要求.

3.2 10～1 000 Hz带通滤波电路设计

后级放大器选用4通道模拟量输入的OPA4347，选用两片OPA4347即可完成8通道模拟输入.OPA4347为SO-14封装，体积小、功耗低，大大减少了对电路板的面积需求，符合整体系统的设计要求.根据总体放大倍数250倍的设计要求，前级放大器放大约30倍，则后级放大倍数约8倍.同时，要求10～1 000 Hz的带通滤波，为保证带内增益的平坦，选用巴特沃斯带通滤波器.肌电信号调理电路的幅频特性曲线如图3所示.由幅频特性曲线可以看出，在10～1 000 Hz范围内，信号增益稳定在43 dB，放大约为250倍，取得了良好的效果.在10～1 000 Hz范围以外的信号增益低于43 dB，有不同程度的衰减.

图3 肌电信号调理电路的幅频特性曲线Fig.3 Amplitude and frequency characteristic curve of SEMG conditioning circuit

3.3 信号采集与无线收发电路

本系统采用TI公司生产的超低功耗CC430作为主控芯片来完成A/D转换及无线数据的收发.CC430充分利用TI公司业内领先的射频专业技术和超低功耗MSP430的微处理器，提供了低于1 GHz的强劲的RF协议/应用处理器[6].CC430内部集成了12位ADC模块和基于CC1101内核的无线射频模块，加上外围简单的贴片式电阻、电容、电感和433 MHz天线就构成了射频发送电路.CC430在发送功率为10 dB的条件下，发送距离能达到100 m左右.接收电路是以射频芯片CC1101为核心，同样加上外围简单的贴片式电阻、电容、电感和433 MHz天线，通过SPI转USB芯片CH341来实现与上位机的通信与数据传输.信号采集与无线收发电路框图见图4.

图4 信号采集与无线收发电路框图Fig.4 Signal acquisition and wireless transceiver circuit diagram

4 软件设计

图5 A/D转换程序Fig.5 A/D conversion program

软件设计主要包括主程序、初始化程序、A/D转换程序、433 MHz无线射频发送程序和接收器程序等，其中A/D转换程序如图5所示.

4.1 初始化

系统上电后，首先要进行初始化.初始化主要包括设置系统复位方式、电压基准、ADC模块状态、时钟源、I/O口、串口通信、操作模式及中断[7].设置内容主要是相应的特殊功能寄存器.本设计选用CC430内部32 K时钟源，由定时器中断(100 Hz)获得时钟，配接LM236-2.5作为外部2.5 V基准电压.

4.2 8路A/D转换

系统初始化过后，CC430要进行8通道多次序列A/D转换工作.肌电信号的能量主要集中在10～500 Hz，为了较好地还原原始信号波形，本设计采用5 kHz采样频率，采样周期为0.2 ms[8].软件编程主要如下：

(1)启动A/D转换，设置采样周期与基准电压，选取脉冲采样模式并设置A/D转换模式为多通道序列转换模式；

(2)设置通道序列结束控制位来判断8通道A/D采样是否完成；

(3)设置通道转换结果右对齐，12位数据由寄存器读入RAM中.

4.3 无线射频通信

图6是一个典型的无线数据通信系统.本研究以CC430与CC1101为核心构成无线射频收发模块.CC430在完成8通道A/D采样后，把采样的数据打包，形成数据包通过433 MHz载波信号发送出去，再由CC1101射频接收模块进行接收.数据接收到后，通过总线转换芯片CH341将SPI转换成USB将数据传送给上位机.

图6 典型的无线数据通信系统Fig.6 Typical wireless data communication system

5 结束语

基于单片机CC430表面肌电信号的无线采集系统充分利用了CC430的A/D转换模块和433 MHz射频收发模块.整个系统都使用了超低功耗的元器件，大大降低了系统的能耗.在硬件上，表面肌电信号调理电路具有较好的抗干扰能力，无线射频通信具有可靠性、实用性、便捷性和实时性，为以后对肌电信号进行分析辨识提供了良好的硬件平台，也为今后将肌电信号作为控制信号驱动轮椅电机打下基础.

参考文献:

[1] 史萍，宋爱国．基于C8051F的肌电信号采集仪设计[J]．研究论著，2009，24(07)：19．

[2] 罗志增，席旭刚．一种表面肌电信号测试电路设计[J]．测试技术学报，2007，21(1)：33-38．

[3] 何庆华，彭承琳，吴宝明，等．有源电极用于表面肌电信号的检测[J]．生物医学工程学杂志，2003，20(3)：488-490．

[4] 赵章琰．表面肌电信号检测和处理中若干关键技术研究[D]．合肥：中国科学技术大学，2010．

[5] 姚良标，楼蔚松，罗志增．肌电信号处理和肌电控制的研究[J]．杭州电子工业学院学报，2004，12(36)：82-84．

[6] 无线龙．CC430与无线传感网[M]．北京：冶金工业出版社，2011．

[7] 王薪宇，郑淑军，贾灵．CC430无线传感网络单片机原理与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011．

[8] 胡大可．MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．