基于AT91S的表面肌電信號采集儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動性肌疲勞是體育界和運(yùn)動醫(yī)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(yù)防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數(shù)研究是從全身的生理、生化狀況來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)是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時(shí)的生物電信號，信號形態(tài)具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。它與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動，在康復(fù)醫(yī)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(yùn)動技術(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創(chuàng)性，操作簡單，病人易接受，有著廣泛的應(yīng)用前景。

這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運(yùn)動員的訓(xùn)練中。本文主要介紹表面肌電信號采集儀的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)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和工業(yè)控制類等多種嵌入式應(yīng)用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設(shè)備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統(tǒng)高速并行BUS等總線接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開銷，為用戶開發(fā)簡化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，節(jié)省了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)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(jī)接口模塊、Xbee無線通信模塊等)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

整個(gè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換好的雙通道數(shù)據(jù)通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進(jìn)行處理。處理分兩種情況：在沒有連接使用PC端時(shí)，本地進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、簡單分析、顯示、存儲;在連接使用PC端時(shí)，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲數(shù)據(jù)的情況下，可以進(jìn)行表面肌電波形的回放。以上所有人機(jī)交換操作是通過采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實(shí)現(xiàn)的。

2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的需求，因而現(xiàn)在常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS開發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般可以提供多任務(wù)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步以及內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使得嵌入式應(yīng)用程序易于設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開發(fā)周期更短。μC/OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，代碼規(guī)模極小，運(yùn)行穩(wěn)定，執(zhí)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，具有很強(qiáng)的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過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(qiáng)軟件的可操作性，該系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上移植了μC/GUI，用作用戶圖形界面設(shè)計(jì)。μC/GUI是由Micrium公司專門針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一款圖形開發(fā)系統(tǒng)。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，適用于單任務(wù)或者多任務(wù)系統(tǒng)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，為了方便對于用戶資料和肌電數(shù)據(jù)的存儲與操作，在SD卡存儲機(jī)制上，移植了FATFS文件系統(tǒng)。FATFS是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨(dú)立性，可以移植到多種平臺而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲介質(zhì)讀/寫接口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(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)圍繞表面肌電采集儀的幾個(gè)基本功能來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，并支持對無用肌電數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);

(4)用戶設(shè)置，用于設(shè)置用戶ID及實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始值等參數(shù)。以上各功能均在μC/GUI用戶圖形界面上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

如圖2所示，依據(jù)表面肌電采集儀的功能要求，在μC/OS-Ⅱ下設(shè)計(jì)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(diào)度的操作系統(tǒng)，優(yōu)先權(quán)的設(shè)置非常重要。該系統(tǒng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序，將對系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)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。