基于A(yíng)T91S的表面肌電信號采集儀的軟硬件設計與實(shí)現

運動(dòng)性肌疲勞是體育界和運動(dòng)醫學(xué)界十分關(guān)注的課題。目前，許多研究致力于尋找*定和預防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數研究是從全身的生理、生化狀況來(lái)推斷肌肉的功能狀況，直接進(jìn)行局部肌肉的研究還很少。表面肌電信號(sEMG信號)是從皮膚表面通過(guò)電極引導、放大、顯示和記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統活動(dòng)時(shí)的生物電信號，信號形態(tài)具有較大的隨機性和不穩定性。它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著(zhù)不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)，在康復醫學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能*價(jià)以及在體育科學(xué)中的疲勞判定、運動(dòng)技術(shù)合理性分析等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值。表面肌電信號采集屬無(wú)創(chuàng )性，操作簡(jiǎn)單，病人易接受，有著(zhù)廣泛的應用前景。

這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結構簡(jiǎn)單，性能穩定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運動(dòng)員的訓練中。本文主要介紹表面肌電信號采集儀的軟硬件設計與實(shí)現。

1 硬件系統總體設計

該系統的控制核心選擇Atmel公司的AT91SAM7SE512處理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微處理器，可針對交互式終端類(lèi)和工業(yè)控制類(lèi)等多種嵌入式應用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統高速并行BUS等總線(xiàn)接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開(kāi)銷(xiāo)，為用戶(hù)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化了硬件和軟件設計，節省了系統成本。系統的整體結構如圖1所示。

基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配備了8 MB的SDRAM，l GB的NANFLASH等存儲芯片，對外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對其余外部模塊(表面肌電信號采集模塊、人機接口模塊、Xbee無(wú)線(xiàn)通信模塊等)進(jìn)行統一調度。

整個(gè)系統的工作流程如下：兩個(gè)通道的表面肌電信號被表面電極拾取，首先通過(guò)硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進(jìn)行2 500 Hz采樣與A/D轉換;轉換好的雙通道數據通過(guò)SPI總線(xiàn)接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處理分兩種情況：在沒(méi)有連接使用PC端時(shí)，本地進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、簡(jiǎn)單分析、顯示、存儲;在連接使用PC端時(shí)，通過(guò)USB接口或者Xbee無(wú)線(xiàn)通信模塊將數據實(shí)時(shí)傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲數據的情況下，可以進(jìn)行表面肌電波形的回放。以上所有人機交換操作是通過(guò)采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實(shí)現的。

2 軟件系統總體設計

隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛應用，傳統的前/后臺程序開(kāi)發(fā)機制已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益復雜的需求，因而現在常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統RTOS開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內存管理等重要服務(wù)，使得嵌入式應用程序易于設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開(kāi)發(fā)周期更短。μC/OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開(kāi)放，代碼規模極小，運行穩定，執行效率高，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)在諸多RT0S中擁有自己的一席之地。代碼采用ANSIC編寫(xiě)，具有很強的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過(guò)程中只需對與處理器相關(guān)的一些代碼進(jìn)行修改。

同時(shí)為了進(jìn)一步增強軟件的可操作性，該系統在μC/OS-Ⅱ的基礎上移植了μC/GUI，用作用戶(hù)圖形界面設計。μC/GUI是由Micrium公司專(zhuān)門(mén)針對嵌入式系統開(kāi)發(fā)的一款圖形開(kāi)發(fā)系統。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶(hù)接口，適用于單任務(wù)或者多任務(wù)系統環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。

另外，為了方便對于用戶(hù)資料和肌電數據的存儲與操作，在SD卡存儲機制上，移植了FATFS文件系統。FATFS是一種完全免費開(kāi)源的FAT文件系統模塊，是專(zhuān)門(mén)為小型嵌入式系統而設計的。它完全用標準C語(yǔ)言編寫(xiě)，所以具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到多種平臺而只需做簡(jiǎn)單的修改。需要使用者編寫(xiě)移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲介質(zhì)讀/寫(xiě)接口DiskIO和供給文件創(chuàng )建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

2.1 系統軟件架構

軟件系統的整體架構圍繞表面肌電采集儀的幾個(gè)基本功能來(lái)設計，結構如圖2所示。主要分成下面幾個(gè)部分：

(1)肌電采集顯示，用于控制對肌電信號的實(shí)時(shí)采集、分析處理、顯示和存儲;

(2)本地肌電回放，用于對已存儲在SD卡中的肌電數據進(jìn)行回放顯示，并支持對無(wú)用肌電數據文件的刪除操作;

(3)肌電采集傳輸，選擇傳輸模式向PC端實(shí)時(shí)發(fā)送采集的肌電數據;

(4)用戶(hù)設置，用于設置用戶(hù)ID及實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始值等參數。以上各功能均在μC/GUI用戶(hù)圖形界面上實(shí)現人機交互。

如圖2所示，依據表面肌電采集儀的功能要求，在μC/OS-Ⅱ下設計了肌電采集任務(wù);液晶屏顯示任務(wù);觸摸屏輸入任務(wù);肌電回放任務(wù)。其他所需功能均做成模塊，集成在上述某一任務(wù)中。

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級搶占式調度的操作系統，優(yōu)先權的設置非常重要。該系統根據整個(gè)系統運行的時(shí)序，將對系統安全運行較重要和對實(shí)時(shí)性要求較嚴格的任務(wù)設成較高的優(yōu)先級。以下分別介紹這幾個(gè)任務(wù)和功能模塊。