表面肌电信号采集设备的电路设计研究

摘要：介绍了一种表面肌电信号采集设备的电路设计研究，通过表面电极采集表面肌电信号，电路将微弱信号进行采集、放大、滤波等处理，处理的模拟电压信号进行模拟数字转换（Analog-to-DigitalConverter，ADC），经过控制器算法处理，将有用数据对设备进行反馈控制。根据表面肌电信号的幅值小、频率低等特点，设计主要电路包括前端信号处理电路、增益可调放大电路、截止频率可调滤波电路。表面肌电信号采集设备的电路设计具有抗干扰能力强，频率可调、增益可调、采集精度高等特点。

关键词：前端采集处理表面肌电信号信号处理抗干扰设计

中图分类号：TP241

ResearchonCircuitDesignofSurfaceElectromyographySignalAcquisitionEquipment

RONGHuaZHUChengzhi

XiangtanMedicineandHealthVocationalCollege，Xiangtan，Hu’nanProvince，411104China

Abstract：Thisarticleintroducestheresearchonthecircuitdesignofasurfaceelectromyography（SEMG）signalacquisitiondevice.ThedevicecollectsSEMGsignalsthroughsurfaceelectrodes，andthecircuitprocessestheweaksignalsbyacquisition，amplification，filtering，andotherprocessing.TheprocessedanalogvoltagesignalsconductsAnalog-to-DigitalConverter（ADC）andprocessedbyacontrolleralgorithmtoprovidefeedbackcontrolforthedevicebasedonusefuldata.AccordingtothecharacteristicsofsmallamplitudeandlowfrequencyofSEMGsignals，themaincircuitdesignincludesafront-endsignalprocessingcircuit，again-adjustableamplificationcircuit，andacutofffrequency-adjustablefilteringcircuit.ThecircuitdesignofSEMGsignalacquisitiondevicehasthecharacteristicsofstronganti-interferenceability，adjustablefrequency，adjustablegain，andhighacquisitionaccuracy.

KeyWords：Front-endcollectionandprocessing;SEMGsignals;Signalprocessing;Anti-interferencedesign

基于肌电信号采集控制的康复设备是一个热点话题[1]。目前，我国正在步入老龄化社会，在老龄人群中大量患有心脑血管疾病和神经系统疾病，而偏瘫症状多数伴随着这类患者。同时，我国是中风病的高发地区，每10万人中约有550人患有中风病。以总人口13亿计算，中风病人约有770万，在幸存者中约有70%～80%的病人会留有不同程度的肢体瘫痪。因此，研发基于表面肌电信号的采集康复设备，具有很广阔的市场背景和现实意义。

1总体设计方案

根据表面肌电信号的特点有信号微弱、信号频率低、信号具有交变性。具体表现为：表面肌电信幅度小，一般幅度在0～5mV之间，峰值在0～8mV左右。肌电信号的频率低，一般频率范围在0～1kHz，有用信号集中在200～500Hz之间。由于人体生物电信号是交流信号，信号的强弱反映了肌力的大小。

基于表面肌电信号的采集处理具体工作流程如下：通过肌电电极采集微弱、复杂的表面肌电信号，将采集的表面肌电信号经过前端信号处理电路，再经信号隔离电路，得到干扰较少的表面肌电信号；后级电路将微弱的电压信号进行增益可调放大，通过截止频率可调进行滤波，进一步筛选有用的表面肌电信号；后端将处理的表面肌电电压信号，经过高精度的AD采样进行模拟数字转换得到数字信号送入STM32控制器进行数字信号滤波算法处理、数据显示控制、数据上传。

2主要模块实现

2.1前端信号处理电路

表面肌电信号采集的环境变化多样，采集的微弱信号中夹杂干扰和噪声信号，前置端的设置对整个系统的表面肌电信号采集是关键电路[2，3]。设计的电路需要以下特点：具有高输入阻抗，高共模抑制比，抗干扰能力强，自身电路的噪音相对于采集的信号可以忽略比较。

前置信号处理电路除了具有抗干扰、自身噪音小的特点，还有初步的放大作用，如图2中仿真电路部分所示，R1=R3=1.5kΩ，R2=330Ω，根据计算公式G=1+，得到G≈10。INA121共模抑制比为106dB，放大倍数为A1=（1+）≈5。前置处理信号的总放大倍数为A=G×A1=10×5=50。

2.2增益可调放大电路

本表面肌电信号采集的增益放大电路[4]，采用一片八选一的多路模拟开关CD4053实现量程切换，使输出放大倍数有8种选择，方便电路自动调节控制。STM32通过引脚PC0、PC1、PC2连接到K6、K7、K8；实现对应通道增益选择控制，根据信号的大小，通过软件判断增益大小是否满足ADC采样输入的范围之内，实现量程自动切换控制。

增益可调放大电路分为3级同向比例放大电路，每级放大器TL2262的反馈通路电阻可以进行软件控制，进而实现放大倍数控制，3级放大电路的放大倍数最大增益为AU=60；最小增益大小为AU=2。

2.3截止频率可调滤波电路

表面肌电信号是一种噪声背景下的微弱电信号[5，6]，除了环境中的干扰噪音，还包括电源中的50Hz工频干扰信号，因此，要进行必要的滤波处理。

根据实际应用频率的需要，电路是包括低通滤波电路、高通滤波电路、工频滤波电路，并且低通滤波器和高通滤波器的截止频率可以通过软件控制可调。

压控二阶低通滤波器截止频率计算公式如下。

式（1）中，C1、C2的大小已确定，通过选择R1，R2的大小，进而实现上限截止频率可调控制。

截止频率可调的二阶低通滤波器电路如图1所示。

3仿真实验验证

本文主要描述了表面肌电信号采集的电路设计，介绍了表面肌电信号采集电路总体设计框图，以及各个模块电路的具体设计。电路模块较多，关键电路的multisim仿真效果，表面肌电信号的前置处理电路仿真效果如图2所示。

从图2中仿真效果可以看出，具有抑制共模信号，放大差分输入信号的作用，有效放大倍数为A=50与理论设计相符。

截止频率可调滤波处理，滤除干扰信号，获取有效的信号，以2kHz时的截止频率，二阶低通滤波仿真电路效果如图3所示。

从图3中可见，电压从10mV经过滤波之后，降到了10uV，滤波效果良好，可有效滤除干扰信号。

4结语

本文主要描述了表面肌电信号采集设备的电路设计，根据表面肌电信号采集电路总体设计框图，实现表面肌电信号的前置预处理放大电路增益设置为50，与仿真分析结果一致；中间级放大具有增益可调范围在2～60倍；通过电子开关切换实现增益灵活调节，低通滤波电路截止频率可调，具有8种可选的截止频率，仿真分析选择截止频率为2kHz进行。

本文先进行电路理论设计，再进行Multisim仿真分析，验证了表面肌电信号采集电路具有抗干扰能力强、增益可调、截止频率可控等特点。

参考文献

[1] 付强，张志辉，张松源，等.基于表面肌电信号的上肢外骨骼康复训练系统设计[J].北京生物医学工程，2024，43（1）：29-34.

[2]马航航，武英杰，秦传磊，等.四通道表面肌电信号采集系统设计与研究[J].电脑编程技巧与维护，2024，（2）：12-14.

[3]周明娟，王语园，王田戈，等.针对微弱表面肌电信号的采集电路设计[J].中国医学物理学杂志，2021，38（5）：625-630.

[4]赵泽明.高密度表面肌电采集系统的设计与开发[D].上海：上海交通大学，2022.

[5]张松，游煜根，林家能，等.基于表面肌电信号的智能康复技术[J].人工智能，2022（3）：34-43.

[6] 杜群.基于表面肌电信号的智能仿生手设计与研究[D].徐州：中国矿业大学，2022.