心理素质评估训练平台的设计与实现

姚波

(四川信息职业技术学院 教务处, 四川 广元 628040)

0 引言

国内外研究表明，心理素质水平与人体生理参数息息相关，可通过仪器采集人体生理参数反映个体的心理素质[1]。部分研究者利用能够反映个体神经肌肉生物活动的表面肌电信号来评估心理素质，还有学者利用心率电变异信号来解释不同人的心理素质水平[2-3]。本文以表面肌电信号和心率异常信号为采集对象，设计了心理素质评估平台，设计方案如下。

1 系统总体架构

该系统由上位机、无线接收单元和生理信号采集单元组成,如图1所示。

生理信号采集单元包括MCU微控制器、无线发送模块、电源模块、A/D信号转换模块、生理信号调整模块、EMG传感器和BVP传感器组成。BVP传感器和EMG传感器分别用于采集人体的心率变异信号和表面肌电信号，经过信号调整模块进行滤波和放大处理。并通过A/D信号转换模块将处理后的模拟信号转换成数字信号，输入微控制器中进行存储和处理。

无线接收单元包括与上位机通信的USB接口和无线接收模块。无线收、发模块负债通过上位机的协同指令实现整个系统的数据和指令传输。

图1 心理素质评估训练平台架构

上位机单元能够发出采集指令，通过无线收、发模块将指令传达给采集单元，并采集人体生理信号。采集后的信号进化处理后封装、打包，通过无线网络传输至上位机，以便分析、处理和显示。

2 硬件设计

2.1 生理信号采集单元的设计

(1) 表面肌电信号采集

研究表明，人体肌肉紧张、松弛度与表面肌电信号具有一定的线性关系。但由于表面肌电信号非常微弱，在设计过程中要充分考虑噪声、设备、肌肤接触面积等干扰因素，以提高信号采集效率。

为了增大采集电极与人体肌肤接触面积，本设计采用扁平圆形Ag-AgCl电极作为EMG信号采集电极。在双型电极中加入参考电极以达到抑制共模信号和降低噪声的目的。并采用差动方法来降低电源线噪声，即两个电极的输入信号相减，丢弃共模成分，方法差模成分。关于电极的放置，考虑人体皮肤生理因素的干扰，首先要先用酒精擦拭肌肤表面，以达到去除角质层，并按照肌肉纤维方向布置采集电极，降低电极间电阻的目的。

(2) 心率异常信号采集

人的情绪变化时，其心率也会发生改变，相应的周期脉搏信号也会变化，研究表明周期脉搏信号与心率异常存在一定的相关性。因此，通过周期脉搏信号采集在经过计算转换可得到心率异常情况。因此，本文根据朗伯比尔定律，采用光电容积法采集周期脉搏信号。即一定波长的光束照射至皮肤上，由于血液和肌肤组织对光强度的衰减，使得光电传感器采集到的信号呈现减弱变化趋势，将这种变化信号转换为电信号，可直观反映外周血液随脉搏的变化情况。

本设计采用透射式光电传感器采集耳垂位置的周期脉搏信号，采用940 nm和660 nm的红光作为脉搏波的信号波长，完成对脉搏信号的采集，已达到评估心率异常的目的。

2.2 无线通信模块设计

无线通信模块为该系统数据和指令传输的重要部件，采用包含一个微处理单元和一个射频收发器的MC1355射频通信模块。该模块支持星星、点对点以及网络型无线通信模式，具有标准的ZigBee通信协议。采集后的生理信号经过无线通信模块发送至上位机，完成分析和处理。

3 软件设计

3.1 数据采集和通信程序

本系统需要采集表面肌电信号和心率异常信号，因此需要相应的数据采集程序来完成，并实现设置采集频率和数模转换。该程序利用单片机控制A/D转换器来实现采集和转换，并测试电源和电阻抗值，将数据封装、打包后进行发送。单片机的PB口连接A/D转换器，PD口连接上位机，PC口用于连接外接显示装置。通过PD2引脚，上位机可启动单片机的终端服务程序，执行采样。数据采集流程，如图2所示。

图2 数据采集程序流程

通信发送模块具有一个微处理器，可将采集到的脉搏周期信号经过压缩、滤波处理后，利用RF收发机将数据扩展至2.4 GHz，并通过无线电模式向外发送。无线基站接收到接收请求后经过RF收发器进行调制，最后转换成数字信号。再经过微处理器进行数模转换，通过串口将数据传输至上位机。通信程序流程，如图3所示。

图3 通信程序流程图

关键代码如下。

//广播发送，整个网络进行广播

——uint16 get_linjudizhi(int index)

{

neighborEntry_t linshil;

linshil=neighborTable[index];

if (linshil.neighborAddress==NLME_GetShortAddr())

linshil.neighboraddress=-1;

NLME_GetRequest(nwkNeighborTable,index,&linshil);

return linshil.neighborAddress;

}

…

uint16 MYSELF_ProcessEvent(uint8 task_id,uint16 events)

{

afIncomingMSGPacket_t*MSGpkt;//消息包结构

osal_event_hdr_t *pmsg;//事件包结构

if(zgDeviceLogicalType==ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR)

3.2 心理素质评估训练程序

心理评估程序是上位机系统的核心程序，可实现团体和个体的心理素质评估训练。

团体心理素质评估是通过相应的课程完成的。测试前需要完成成员添加和团体的组建，该测试属于一种静态测试。团体课程包括团结竞赛和项目训练，通过具有针对性的完成时间知觉、反应速度、配合能力、观察能力、记忆能力、定位能力等训练，来测试团体的心理素质[4]。团体心理素质评估程序流程，如图4所示。

个体心理素质评估训练程序包括个人训练和基础测试两个功能。通过采集到的心率变异和表面肌电信号，来评估个体心理素质。本节以心率异常来评估心理素质为例，首先通过硬件单元对个体周期模板进行采集，经过数模转换后发送至个体心理素质评估训练程序。该程序首先计算周期脉搏波峰间的距离，然后得到R-R间期，经过时域统计后得到个体的心率异常时域参数。与此同时，通过周期脉搏信号绘制出心率的瞬时变化曲线，经过FTT变换后得到心率异常频谱图，频域统计后得出心率变异频域参数[5]。最终将时域参数和频域参数打印成报告，以备进一步分析。个体心理素质训练程序流程图，如图5所示。

图4 团体心理素质评估程序流程

图5 个体心理素质训练程序流程图

4 总结

综述所示，该系统以表面肌电信号和心率异常信号作为采集数据，设计了心理素质评估训练系统。表面肌电信号通过EMG信号采集电极通过贴肤采集，并采用差动方法进行降噪；心率异常信号通过光电传感器采集脉搏周期信号，再经过计算获得。两种信号经过转换后通过无线射频模块接收，并通过串口发送至上位机，经过评估训练程序处理能够获取团体和个体心理素质评估结果。