低功耗多功能肌电测量仪的设计

 
    【摘　要】　介绍了利用单片机设计低功耗多功能肌电测量仪的方法。
    关键词：肌电测量仪，低功耗，多功能，单片机

　　肌电测量或肌电图是检查人体神经、肌肉系统功能的重要方法，广泛应用于神经科、骨科、耳鼻喉科及口腔科。它可为临床诊断、治疗神经肌肉系统疾患提供客观的科学依据。肌电测量仪一般只具有在示波器上显示波形和记录波形的功能。早期，肌电信号通过照相对胶片进行显影才能看到；后来，把肌电信号描绘在肌电图纸上。这两种肌电信号记录法的机构都很复杂。这里介绍一种利用普通的示波器，通过单片机和A／D、D／A转换控制系统构成的，具有记忆、波形分析（诊断）功能和各种操作的实时处理的低功耗智能肌电测量仪。该肌电测量仪可实现一次采集后，多次重复显示、打印，实现了肌电信号测量仪的智能化。

1　多功能肌电测量仪的硬件设计

1．1　系统硬件结构框图
    系统硬件结构框图如图1所示。

1．2　系统硬件的设计思想
1．2．1　电极
　　电极采用Ag／AgCl表面电极或针电极，它的极化电压很小，而且能很快稳定下来，因此有利于肌电信号的检测。本系统采用双电极，既可对同一点进行测量，也可对不同两点进行测量。
1．2．2　采样
　　肌电信号的频率集中在500Hz以下的低频部分，根据Nyquist采样定理可知，记录500Hz的信号，其采样频率必须大于1kHz，故将该测量仪每通道（左右双通道）的采样频率定为2kHz。将此测量仪的频宽设置为10Hz～5kHz，既可保证将肌电信号记录下来，又可将硬件电路未滤掉的干扰信号取进来再用软件进行滤波。
1．2．3　前置放大器
　　前置放大器为两路，采用四运放对称组合结构，对50Hz市电干扰有较好的抑制能力。其输入阻抗约为15M，在多数情况下，不需要对皮肤作任何处理即可直接提取肌电信号，另外，放大器的前端加装缓冲级，在使用不当时起保护放大器的作用。
1．2．4　A／D转换器
　　A／D转换器采用转换速率为40kHz，分辨率为12位的AD574，其采样频率分为两种：EMG（Electromyograph）方式时为10kHz；SP（SilentPeriod）方式时为2kHz。此A／D转换器保证了对两种方式进行快速、高精度的采样。
1．2．5　D／A转换器
　　D／A转换器采用转换速率1MHz，分辨率12位的DAC1231，输出为双极性，变换运放采用LF358。
1．2．6　单片机
　　单片机是该测量仪器的核心部件，由它控制A／D转换器、DMA控制器、存储器、打印机、键盘与显示等电路的工作。单片机还能够识别电极是否与皮肤接触良好，并对获取的肌电信号进行动态数字滤波以消除干扰。该测量仪采用低功耗的CHMOS单片机芯片80C51BH，这种芯片允许的电源波动范围较大，为5V±20％，并有三种功耗控制方式。
1．2．7　示波器
　　选用具有双通道、带宽不低于10MHz的任意型号示波器即可完成该仪器的显示功能。
1．2．8　存储器
　　存储器芯片是为了长期保存所获取的肌电信号，并在需要的时候提取欲分析的肌电信号。在满足容量要求的情况下，选用低功耗、廉价的芯片，这里选用低功耗、容量为64kb的CMOS EEPROMAT28C64。
1．2．9　抗干扰处理
　　两路前置放大通道采用四运放对称组合结构，此前置放大通道能够将50Hz的市电信号衰减大于66dB，然后对差分形式出现的50Hz干扰信号用软件进行滤波。另外，在输入端电路中加上截止频率比较高的低通对称滤波器以消除无线电高频电磁辐射的干扰。

2　多功能肌电测量仪的工作原理

2．1　静息期工作方式（SP方式）
　　由于SP信号的频率集中在500Hz以下的低频部分，故该装置中每通道（左右共2通道）的取样频率设计为2kHz。从定时器T0（80C51的定时器T0设置成中断方式）定时到达预置值后，每通道各取1024个测量点为一页存于RAM中，并实时地以每0．05ms一个取样点的固定速率通过DMA向D／A转换器发送数据。D／A转换器将数字信号还原成模拟信号，经过一个低通滤波器，最后送至示波器完成波形的复原。当需要波形冻结时，只要从键盘中打入“冻结”键，便将数据以当前页在荧光屏上冻结。
2．2　单一电位工作方式（EMG方式）
　　在单一电位工作方式时，A／D转换器受定时器T0控制，而D／A转换器则由DMA直接控制。在这种方式下，需要测量的是一个个单独的运动电位，而不是自始至终的所有信号。每当需要的信号出现时，希望它们显示在荧光屏相对固定的位置上，不要游动。当需要对其进行研究时，用另一条扫描线监视或捕捉后面的电位。所有这些操作和控制，都是在数据采集时由CPU在程序的支配下完成的。
　　针电极在同一点记录到的同一运动电位波形是相似的，即同一运动单位产生电位的时限、波幅是基本一致的，而不同单位产生电位的时限、波幅则差别较大。在本装置中，可以用波幅作为触发条件，在触发前，计算机用滚动方法保存采集到的数据并对每一数据进行幅度检验，如不符合幅度则继续搜索，符合后则根据寄存器的内容将滚动存储器内容逆向保护，并继续向前存入波形剩余部分。在没有新的触发情况下，荧光屏上的波形将永远保持下去。在有两个显示缓冲区的情况下，还可使屏上得到两个波形。
　　数据或波形需要打印输出时，只要在键盘上按下“打印”键，就可在现有状态下得到该状态下的显示结果。

3　肌电测量仪中的典型低功耗设计

3．1　测量仪中的典型低功耗部分的硬件图
    测量仪中的典型低功耗部分的硬件图如图2所示。 3．2　测量仪中的典型低功耗部分的设计思想
3．2．1　器件的选择
　　图2是低功耗多功能肌电测量仪中低功耗设计的主要电路部分，该电路中的芯片全部采用低功耗芯片，除单片机和存储器外，地址锁存器采用低功耗、肖特基TTL电路芯片74LS373。
3．2．2　存储器的低功耗运行
　　为了降低存储器的功耗，首先必须选用低功耗的存储器芯片，其次使其工作在维持方式。尽管高速HCMOS28C64存储器的功耗小，但是对该低功耗测量仪来说，还需要进一步地减小其功耗。当存储器的片选端CE为“0”时，存储器处于工作状态，工作电流大，读写操作时功耗大；当存储器的片选端CE为“1”时，存储器处于维持状态，此时存储器的功耗小。图2给出了实现维持工作方式的具体方法，AT27C64的使能端不接地，而与80C51BH的ALE端连接。80C51BH进入待机模式时，ALE变为高电平，AT27C64进入低功耗备用状态，不再选通这个片外存储器。
3．2．3　单片机的低功耗运行 　　该测量仪将单片机80C51BH设置成待机方式，当80C51BH对特殊功能寄存器PC的IDL置位后，进入待机运行模式，此时，CPU处于睡眠冻结状态，一些现行的数据将被保存下来，而中断电路、定时／计数器及打印机可继续工作。若结束待机运行模式，可用中断或硬件复位的方法。

4　软件设计

4．1　设计思想
　　为了使软件与硬件比较完美地结合以完成所需的各种功能，在软件上采取了以下相应措施：
　　（1）在程序设计时，尽可能不使用软件延时，采用定时器中断的工作方式以减少CPU的工作时间。例如：在A／D进行信号转换与数据采集时，应该采用信号中断采集方式或定时中断采集方式而不应采用软件循环延时的采集方式。
　　（2）由于单片机在待机时片内定时器／计数器仍处于工作状态，程序设计时，应尽量充分地利用待机时单片机内定时器／计数器的功能来计时和计数。
　　（3）进行显示时，不采用动态扫描显示方式，而是利用锁存器采用静态显示方式以减少CPU的工作时间，另外，可采用CMOS器件LCL004用于静态显示的锁存、译码、驱动和显示。
4．2　软件流程
　　单片机的控制软件主要包括数据采集、数据传送、数据存储、图形打印和键盘显示器的控制。其中，数据采集在前台，通过定时器T0控制数据采集的长度。数据存储、键盘控制和图形打印放在后台，采用中断方式来完成。其程序流程图如图3所示。 1　宗贤钧等．现代生物医学仪器．北京：原子能出版社，1993
2　何立民．MCS－51系列单片机应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1999