低功耗多功能肌電測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：肌電測(cè)量?jī)x，低功耗，多功能，單片機(jī)
肌電測(cè)量或肌電圖是檢查人體神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)功能的重要方法，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科、骨科、耳鼻喉科及口腔科。它可為臨床診斷、治療神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾患提供客觀的科學(xué)依據(jù)。肌電測(cè)量?jī)x一般只具有在示波器上顯示波形和記錄波形的功能。早期，肌電信號(hào)通過(guò)照相對(duì)膠片進(jìn)行顯影才能看到；后來(lái)，把肌電信號(hào)描繪在肌電圖紙上。這兩種肌電信號(hào)記錄法的機(jī)構(gòu)都很復(fù)雜。這里介紹一種利用普通的示波器，通過(guò)單片機(jī)和A／D、D／A轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)構(gòu)成的，具有記憶、波形分析（診斷）功能和各種操作的實(shí)時(shí)處理的低功耗智能肌電測(cè)量?jī)x。該肌電測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)一次采集后，多次重復(fù)顯示、打印，實(shí)現(xiàn)了肌電信號(hào)測(cè)量?jī)x的智能化。
1 多功能肌電測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．2．1 電極
電極采用Ag／AgCl表面電極或針電極，它的極化電壓很小，而且能很快穩(wěn)定下來(lái)，因此有利于肌電信號(hào)的檢測(cè)。本系統(tǒng)采用雙電極，既可對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，也可對(duì)不同兩點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。
1．2．2 采樣
肌電信號(hào)的頻率集中在500Hz以下的低頻部分，根據(jù)Nyquist采樣定理可知，記錄500Hz的信號(hào)，其采樣頻率必須大于1kHz，故將該測(cè)量?jī)x每通道（左右雙通道）的采樣頻率定為2kHz。將此測(cè)量?jī)x的頻寬設(shè)置為10Hz～5kHz，既可保證將肌電信號(hào)記錄下來(lái)，又可將硬件電路未濾掉的干擾信號(hào)取進(jìn)來(lái)再用軟件進(jìn)行濾波。
1．2．3 前置放大器
前置放大器為兩路，采用四運(yùn)放對(duì)稱(chēng)組合結(jié)構(gòu)，對(duì)50Hz市電干擾有較好的抑制能力。其輸入阻抗約為15M，在多數(shù)情況下，不需要對(duì)皮膚作任何處理即可直接提取肌電信號(hào)，另外，放大器的前端加裝緩沖級(jí)，在使用不當(dāng)時(shí)起保護(hù)放大器的作用。
1．2．4 A／D轉(zhuǎn)換器
A／D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率為40kHz，分辨率為12位的AD574，其采樣頻率分為兩種：EMG（Electromyograph）方式時(shí)為10kHz；SP（SilentPeriod）方式時(shí)為2kHz。此A／D轉(zhuǎn)換器保證了對(duì)兩種方式進(jìn)行快速、高精度的采樣。
1．2．5 D／A轉(zhuǎn)換器
D／A轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換速率1MHz，分辨率12位的DAC1231，輸出為雙極性，變換運(yùn)放采用LF358。
1．2．6 單片機(jī)
單片機(jī)是該測(cè)量?jī)x器的核心部件，由它控制A／D轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、存儲(chǔ)器、打印機(jī)、鍵盤(pán)與顯示等電路的工作。單片機(jī)還能夠識(shí)別電極是否與皮膚接觸良好，并對(duì)獲取的肌電信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波以消除干擾。該測(cè)量?jī)x采用低功耗的CHMOS單片機(jī)芯片80C51BH，這種芯片允許的電源波動(dòng)范圍較大，為5V±20％，并有三種功耗控制方式。
1．2．7 示波器
選用具有雙通道、帶寬不低于10MHz的任意型號(hào)示波器即可完成該儀器的顯示功能。
1．2．8 存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器芯片是為了長(zhǎng)期保存所獲取的肌電信號(hào)，并在需要的時(shí)候提取欲分析的肌電信號(hào)。在滿足容量要求的情況下，選用低功耗、廉價(jià)的芯片，這里選用低功耗、容量為64kb的CMOS EEPROMAT28C64。
1．2．9 抗干擾處理
兩路前置放大通道采用四運(yùn)放對(duì)稱(chēng)組合結(jié)構(gòu)，此前置放大通道能夠?qū)?0Hz的市電信號(hào)衰減大于66dB，然后對(duì)差分形式出現(xiàn)的50Hz干擾信號(hào)用軟件進(jìn)行濾波。另外，在輸入端電路中加上截止頻率比較高的低通對(duì)稱(chēng)濾波器以消除無(wú)線電高頻電磁輻射的干擾。
2 多功能肌電測(cè)量?jī)x的工作原理
2．1 靜息期工作方式（SP方式）
由于SP信號(hào)的頻率集中在500Hz以下的低頻部分，故該裝置中每通道（左右共2通道）的取樣頻率設(shè)計(jì)為2kHz。從定時(shí)器T0（80C51的定時(shí)器T0設(shè)置成中斷方式）定時(shí)到達(dá)預(yù)置值后，每通道各取1024個(gè)測(cè)量點(diǎn)為一頁(yè)存于RAM中，并實(shí)時(shí)地以每0．05ms一個(gè)取樣點(diǎn)的固定速率通過(guò)DMA向D／A轉(zhuǎn)換器發(fā)送數(shù)據(jù)。D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，最后送至示波器完成波形的復(fù)原。當(dāng)需要波形凍結(jié)時(shí)，只要從鍵盤(pán)中打入“凍結(jié)”鍵，便將數(shù)據(jù)以當(dāng)前頁(yè)在熒光屏上凍結(jié)。
2．2 單一電位工作方式（EMG方式）
在單一電位工作方式時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器受定時(shí)器T0控制，而D／A轉(zhuǎn)換器則由DMA直接控制。在這種方式下，需要測(cè)量的是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)電位，而不是自始至終的所有信號(hào)。每當(dāng)需要的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，希望它們顯示在熒光屏相對(duì)固定的位置上，不要游動(dòng)。當(dāng)需要對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)，用另一條掃描線監(jiān)視或捕捉后面的電位。所有這些操作和控制，都是在數(shù)據(jù)采集時(shí)由CPU在程序的支配下完成的。
針電極在同一點(diǎn)記錄到的同一運(yùn)動(dòng)電位波形是相似的，即同一運(yùn)動(dòng)單位產(chǎn)生電位的時(shí)限、波幅是基本一致的，而不同單位產(chǎn)生電位的時(shí)限、波幅則差別較大。在本裝置中，可以用波幅作為觸發(fā)條件，在觸發(fā)前，計(jì)算機(jī)用滾動(dòng)方法保存采集到的數(shù)據(jù)并對(duì)每一數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度檢驗(yàn)，如不符合幅度則繼續(xù)搜索，符合后則根據(jù)寄存器的內(nèi)容將滾動(dòng)存儲(chǔ)器內(nèi)容逆向保護(hù)，并繼續(xù)向前存入波形剩余部分。在沒(méi)有新的觸發(fā)情況下，熒光屏上的波形將永遠(yuǎn)保持下去。在有兩個(gè)顯示緩沖區(qū)的情況下，還可使屏上得到兩個(gè)波形。
數(shù)據(jù)或波形需要打印輸出時(shí)，只要在鍵盤(pán)上按下“打印”鍵，就可在現(xiàn)有狀態(tài)下得到該狀態(tài)下的顯示結(jié)果。
3 肌電測(cè)量?jī)x中的典型低功耗設(shè)計(jì)
3．1 測(cè)量?jī)x中的典型低功耗部分的硬件圖
測(cè)量?jī)x中的典型低功耗部分的硬件圖如圖2所示。
3．2．1 器件的選擇
圖2是低功耗多功能肌電測(cè)量?jī)x中低功耗設(shè)計(jì)的主要電路部分，該電路中的芯片全部采用低功耗芯片，除單片機(jī)和存儲(chǔ)器外，地址鎖存器采用低功耗、肖特基TTL電路芯片74LS373。
3．2．2 存儲(chǔ)器的低功耗運(yùn)行
為了降低存儲(chǔ)器的功耗，首先必須選用低功耗的存儲(chǔ)器芯片，其次使其工作在維持方式。盡管高速HCMOS28C64存儲(chǔ)器的功耗小，但是對(duì)該低功耗測(cè)量?jī)x來(lái)說(shuō)，還需要進(jìn)一步地減小其功耗。當(dāng)存儲(chǔ)器的片選端CE為“0”時(shí)，存儲(chǔ)器處于工作狀態(tài)，工作電流大，讀寫(xiě)操作時(shí)功耗大；當(dāng)存儲(chǔ)器的片選端CE為“1”時(shí)，存儲(chǔ)器處于維持狀態(tài)，此時(shí)存儲(chǔ)器的功耗小。圖2給出了實(shí)現(xiàn)維持工作方式的具體方法，AT27C64的使能端
不接地，而與80C51BH的ALE端連接。80C51BH進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，ALE變?yōu)楦唠娖剑珹T27C64進(jìn)入低功耗備用狀態(tài)，不再選通這個(gè)片外存儲(chǔ)器。3．2．3 單片機(jī)的低功耗運(yùn)行
4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 設(shè)計(jì)思想
為了使軟件與硬件比較完美地結(jié)合以完成所需的各種功能，在軟件上采取了以下相應(yīng)措施：
?。?）在程序設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能不使用軟件延時(shí)，采用定時(shí)器中斷的工作方式以減少CPU的工作時(shí)間。例如：在A／D進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)該采用信號(hào)中斷采集方式或定時(shí)中斷采集方式而不應(yīng)采用軟件循環(huán)延時(shí)的采集方式。
（2）由于單片機(jī)在待機(jī)時(shí)片內(nèi)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器仍處于工作狀態(tài)，程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量充分地利用待機(jī)時(shí)單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的功能來(lái)計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。
（3）進(jìn)行顯示時(shí)，不采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，而是利用鎖存器采用靜態(tài)顯示方式以減少CPU的工作時(shí)間，另外，可采用CMOS器件LCL004用于靜態(tài)顯示的鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)和顯示。
4．2 軟件流程
單片機(jī)的控制軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形打印和鍵盤(pán)顯示器的控制。其中，數(shù)據(jù)采集在前臺(tái)，通過(guò)定時(shí)器T0控制數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤(pán)控制和圖形打印放在后臺(tái)，采用中斷方式來(lái)完成。其程序流程圖如圖3所示。
參考文獻(xiàn)
2 何立民．MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
評(píng)論