嵌入式技術(shù)應用表面肌電信號采集儀設計

　　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。

　　2．2 肌電采集任務(wù)

　　肌電采集任務(wù)用于對經(jīng)過(guò)硬件放大與濾波后的雙通道肌電信號進(jìn)行2 500 Hz采樣與A／D轉換，并將其通過(guò)SPI總線(xiàn)接口傳輸至主芯片中以進(jìn)行后續處理?；诩‰姴杉膶?shí)時(shí)性要求，在μC／0S-Ⅱ操作系統中，將肌電采集任務(wù)設置為除系統內核使用的優(yōu)先級外最高的優(yōu)先級，同時(shí)為滿(mǎn)足肌電采集的精確性要求，通過(guò)啟動(dòng)定時(shí)器中斷來(lái)運行肌電采集任務(wù)。

　　肌電采集任務(wù)分兩種情況運行：第一種，本地采集顯示，此時(shí)運行該任務(wù)前會(huì )被要求輸入存儲文件名，然后在采集肌電同時(shí)，調用下文的肌電濾波模塊進(jìn)行濾波和調用文件存儲模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲數據，濾波后的肌電數據和已采集的時(shí)間會(huì )送到下文液晶屏顯示任務(wù)中同步顯示出來(lái)；第二種，肌電采集并與PC端交互，此時(shí)啟動(dòng)任務(wù)需先選擇USB通信與Xbee無(wú)線(xiàn)模塊通信中的一種，然后才能啟動(dòng)肌電采集任務(wù)，并將原始肌電數據傳輸給PC端進(jìn)行處理。

　　2．3 肌電回放任務(wù)

　　為了使用戶(hù)能隨時(shí)回放已保存的本地肌電數據，設計了該肌電回放任務(wù)。通過(guò)采用定時(shí)器中斷來(lái)定時(shí)讀取文件中的肌電數據，并發(fā)送給下文的液晶屏顯示任務(wù)來(lái)實(shí)現波形的復原顯示。同時(shí)，為了便于用戶(hù)反復觀(guān)看某一段波形，該任務(wù)支持對肌電波形的顯示與暫停，以及對波形顯示的前翻與回翻一屏操作。

　　2．4 液晶屏顯示任務(wù)

　　為了使用戶(hù)能夠了解系統的當前狀態(tài)，同時(shí)可使用戶(hù)與系統進(jìn)行交互，在μC／OS-Ⅱ和μC／GUI的基礎上設計了液晶屏顯示任務(wù)。液晶屏顯示任務(wù)負責通告當前的系統狀態(tài)與運行過(guò)程，包括μC／GUl支持下的各種圖形界面。具體來(lái)說(shuō)，這里集成了肌電采集、顯示與回放、時(shí)間顯示、數據存儲、數據USB或Xbee傳輸等的圖形界面。

　　因為該任務(wù)實(shí)時(shí)性要求不高，故對其設計了最低的任務(wù)優(yōu)先級。

　　2．5 觸摸屏輸入任務(wù)

　　為了人機交互的方便與系統整體的簡(jiǎn)潔，采用觸摸屏實(shí)現人機交互輸入。該任務(wù)在系統啟動(dòng)時(shí)就開(kāi)始工作，采集并處理用戶(hù)通過(guò)觸摸液晶屏輸入的信息，并將得到的用戶(hù)命令發(fā)送給μC／0S-Ⅱ與μC／GUl，以完成人機交互。

　　由于用戶(hù)輸入必須保證一定的實(shí)時(shí)性，以便使用戶(hù)不會(huì )感受到系統大的延時(shí)，在此對觸摸屏輸入任務(wù)設計了僅低于肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)的第三高優(yōu)先級。

　　2．6 其他功能模塊

　　除了以上幾個(gè)任務(wù)之外，設計了幾個(gè)功能模塊輔助以上幾個(gè)任務(wù)，具體如下：

　　(1)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。在A(yíng)T91SAM7SE512芯片外擴展了一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563用來(lái)為系統提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘值，以便記錄用戶(hù)肌電數據采集時(shí)的具體時(shí)刻。PCF8563通過(guò)TWI(I2C)接口與AT91SAM7SE512芯片通信。

　　(2)定時(shí)器中斷模塊。在A(yíng)T91SAM7SE512芯片中啟動(dòng)定時(shí)器中斷來(lái)支持肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)。定時(shí)器中斷頻率設計為2 500 Hz，用來(lái)在肌電采集任務(wù)中定時(shí)向ADC發(fā)送采樣轉換指令，并讀取雙通道肌電信號的數據，或者在肌電回放任務(wù)中定時(shí)從肌電文件中讀取雙通道肌電數據。

　　(3)文件系統模塊。為了方便肌電數據在SD卡中的存儲和處理，在以SPI模式讀寫(xiě)SD卡的基礎上移植了FATFS文件系統模塊來(lái)管理肌電數據。FATFS可以使用戶(hù)方便地存儲數據文件，讀取數據文件與刪除無(wú)用文件。

　　(4)通信模塊。為了使采集的肌電能實(shí)時(shí)傳輸給PC端處理，設計USB有線(xiàn)與Xbee無(wú)線(xiàn)兩種通信模塊。USB有線(xiàn)通信，利用片上USB外設接口實(shí)現與PC端的數據交互；Xbee無(wú)線(xiàn)通信，利用片上UART接口操作本地Xbee無(wú)線(xiàn)模塊與PC端的Xbee無(wú)線(xiàn)模塊通信，從而實(shí)現數據無(wú)線(xiàn)傳輸到PC端處理的功能。

　　(5)用戶(hù)設置模塊。對每一部設備而言，均有一些設置需要用戶(hù)更改，如用戶(hù)ID等。為便于在掉電狀態(tài)下保存此類(lèi)信息，采用一片非易失性鐵電存儲器FM24CL64來(lái)保存此類(lèi)信息。該存儲芯片通過(guò)TWI(I2C)接口與主芯片通信，可隨時(shí)讀取與保存用戶(hù)設置信息。每次系統啟動(dòng)時(shí)，都會(huì )自動(dòng)讀入用戶(hù)已存儲好的設置信息。

　　(6)肌電濾波與分析模塊。表面肌電信號的頻率范圍為10～500 Hz。由于50 Hz工頻噪聲干擾處于表面肌電信號能量集中的頻段，且幅值較大，如果不做處理，肌電信號將被工頻噪聲所淹沒(méi)。因此在本地采集顯示時(shí)，選用嵌入式環(huán)境中應用廣泛的梳狀濾波器。梳狀濾波器可以有效濾除50 Hz工頻干擾和基線(xiàn)漂移，Q值足夠高，盡量少影響有效肌電信號，并且計算量很少，且沒(méi)有浮點(diǎn)運算，非常適宜用于嵌入式環(huán)境中。另外，為讓用戶(hù)直觀(guān)地感受肌電信號，在肌電波形顯示窗口旁邊做了一個(gè)可以上下浮動(dòng)的氣球，根據本地濾波后的肌電數據平滑平均并與參考值比較后的兩者差值上下浮動(dòng)。

　　3 結語(yǔ)

　　肌電信號在基礎醫學(xué)研究、臨床診斷、康復工程等方面有著(zhù)廣泛應用，對它的檢測分析已成為醫學(xué)和生物醫學(xué)工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。這里研制的表面肌電信號采集儀，基于嵌入式ARM技術(shù)構建，體積小，重量輕，功耗低，通信方便，穩定性較好，界面簡(jiǎn)潔人性化，操作方便，在實(shí)踐中證明能夠滿(mǎn)足設計要求，能采集到清晰的肌電信號。采用μC／OS-Ⅱ操作系統與μC／GUI圖形用戶(hù)界面，便于后續研發(fā)中添加功能模塊與新任務(wù)。另外，若前端配用不同的傳感器，該系統還可以實(shí)現對其他生理信號的采集和分析處理。