基于AT91S的表面肌電信號采集儀的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.2 肌電采集任務(wù)

肌電采集任務(wù)用于對經(jīng)過硬件放大與濾波后的雙通道肌電信號進行2 500 Hz采樣與A/D轉(zhuǎn)換，并將其通過SPI總線接口傳輸至主芯片中以進行后續(xù)處理。基于肌電采集的實時性要求，在μC/0S-Ⅱ操作系統(tǒng)中，將肌電采集任務(wù)設(shè)置為除系統(tǒng)內(nèi)核使用的優(yōu)先級外最高的優(yōu)先級，同時為滿足肌電采集的精確性要求，通過啟動定時器中斷來運行肌電采集任務(wù)。

肌電采集任務(wù)分兩種情況運行：第一種，本地采集顯示，此時運行該任務(wù)前會被要求輸入存儲文件名，然后在采集肌電同時，調(diào)用下文的肌電濾波模塊進行濾波和調(diào)用文件存儲模塊進行實時存儲數(shù)據(jù)，濾波后的肌電數(shù)據(jù)和已采集的時間會送到下文液晶屏顯示任務(wù)中同步顯示出來;第二種，肌電采集并與PC端交互，此時啟動任務(wù)需先選擇USB通信與Xbee無線模塊通信中的一種，然后才能啟動肌電采集任務(wù)，并將原始肌電數(shù)據(jù)傳輸給PC端進行處理。

2.3 肌電回放任務(wù)

為了使用戶能隨時回放已保存的本地肌電數(shù)據(jù)，設(shè)計了該肌電回放任務(wù)。通過采用定時器中斷來定時讀取文件中的肌電數(shù)據(jù)，并發(fā)送給下文的液晶屏顯示任務(wù)來實現(xiàn)波形的復原顯示。同時，為了便于用戶反復觀看某一段波形，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)

為了使用戶能夠了解系統(tǒng)的當前狀態(tài)，同時可使用戶與系統(tǒng)進行交互，在μC/OS-Ⅱ和μC/GUI的基礎(chǔ)上設(shè)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(tǒng)狀態(tài)與運行過程，包括μC/GUl支持下的各種圖形界面。具體來說，這里集成了肌電采集、顯示與回放、時間顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)USB或Xbee傳輸?shù)鹊膱D形界面。

因為該任務(wù)實時性要求不高，故對其設(shè)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(tǒng)整體的簡潔，采用觸摸屏實現(xiàn)人機交互輸入。該任務(wù)在系統(tǒng)啟動時就開始工作，采集并處理用戶通過觸摸液晶屏輸入的信息，并將得到的用戶命令發(fā)送給μC/0S-Ⅱ與μC/GUl，以完成人機交互。

由于用戶輸入必須保證一定的實時性，以便使用戶不會感受到系統(tǒng)大的延時，在此對觸摸屏輸入任務(wù)設(shè)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

除了以上幾個任務(wù)之外，設(shè)計了幾個功能模塊輔助以上幾個任務(wù)，具體如下：

(1)實時時鐘模塊。在AT91SAM7SE512芯片外擴展了一片實時時鐘PCF8563用來為系統(tǒng)提供實時時鐘值，以便記錄用戶肌電數(shù)據(jù)采集時的具體時刻。PCF8563通過TWI(I2C)接口與AT91SAM7SE512芯片通信。

(2)定時器中斷模塊。在AT91SAM7SE512芯片中啟動定時器中斷來支持肌電采集任務(wù)與肌電回放任務(wù)。定時器中斷頻率設(shè)計為2 500 Hz，用來在肌電采集任務(wù)中定時向ADC發(fā)送采樣轉(zhuǎn)換指令，并讀取雙通道肌電信號的數(shù)據(jù)，或者在肌電回放任務(wù)中定時從肌電文件中讀取雙通道肌電數(shù)據(jù)。

(3)文件系統(tǒng)模塊。為了方便肌電數(shù)據(jù)在SD卡中的存儲和處理，在以SPI模式讀寫SD卡的基礎(chǔ)上移植了FATFS文件系統(tǒng)模塊來管理肌電數(shù)據(jù)。FATFS可以使用戶方便地存儲數(shù)據(jù)文件，讀取數(shù)據(jù)文件與刪除無用文件。

(4)通信模塊。為了使采集的肌電能實時傳輸給PC端處理，設(shè)計USB有線與Xbee無線兩種通信模塊。USB有線通信，利用片上USB外設(shè)接口實現(xiàn)與PC端的數(shù)據(jù)交互;Xbee無線通信，利用片上UART接口操作本地Xbee無線模塊與PC端的Xbee無線模塊通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端處理的功能。

(5)用戶設(shè)置模塊。對每一部設(shè)備而言，均有一些設(shè)置需要用戶更改，如用戶ID等。為便于在掉電狀態(tài)下保存此類信息，采用一片非易失性鐵電存儲器FM24CL64來保存此類信息。該存儲芯片通過TWI(I2C)接口與主芯片通信，可隨時讀取與保存用戶設(shè)置信息。每次系統(tǒng)啟動時，都會自動讀入用戶已存儲好的設(shè)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。因此在本地采集顯示時，選用嵌入式環(huán)境中應(yīng)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，且沒有浮點運算，非常適宜用于嵌入式環(huán)境中。另外，為讓用戶直觀地感受肌電信號，在肌電波形顯示窗口旁邊做了一個可以上下浮動的氣球，根據(jù)本地濾波后的肌電數(shù)據(jù)平滑平均并與參考值比較后的兩者差值上下浮動。

3 結(jié)語

肌電信號在基礎(chǔ)醫(yī)學研究、臨床診斷、康復工程等方面有著廣泛應(yīng)用，對它的檢測分析已成為醫(yī)學和生物醫(yī)學工程界研究的熱點問題之一。這里研制的表面肌電信號采集儀，基于嵌入式ARM技術(shù)構(gòu)建，體積小，重量輕，功耗低，通信方便，穩(wěn)定性較好，界面簡潔人性化，操作方便，在實踐中證明能夠滿足設(shè)計要求，能采集到清晰的肌電信號。采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)與μC/GUI圖形用戶界面，便于后續(xù)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(tǒng)還可以實現(xiàn)對其他生理信號的采集和分析處理。