可編程模擬陣列(FPAA)及其在肌電信號采集中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：可編程模擬器件, 肌電信號采集, EMG, 生物電勢采集

引言

　　在生物信號采集的過程中，信號的幅度因被測對象、不同種類的生物電勢的頻譜、不同的肌肉群以及皮膚電極耦合等因素而異，所以，通常需要根據(jù)不同的被測對象調(diào)節(jié)模擬前端的放大器放大倍數(shù)以及帶寬。實(shí)現(xiàn)這類調(diào)節(jié)的一種可能選擇就是采用可編程模擬陣列(FPAA)，通過采用可編程模擬陣列實(shí)現(xiàn)一個(gè)RMS-DC轉(zhuǎn)換器或把經(jīng)放大的EMG（肌電）信號數(shù)字化并在微處理器中處理RMS數(shù)值。FPAA讓需要的全部模擬電路在一個(gè)可編程組件中實(shí)現(xiàn)，它確保更大的系統(tǒng)靈活性以及可靠性，并縮小電路的尺寸和降低成本。

　　在EMG信號的處理中，前端利用模擬電路完成的好處在于，被采集的EMG信號的幅度范圍從10 μV至1 mV，這些信號需要放大至60-100dB，因此，利用具有高共模抑制比(CMRR)的集成儀表放大器可以最小化共模干擾的影響。濾波器一級也采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)帶外頻率需要進(jìn)一步的衰減時(shí)，通常采用二階或四階低通和高通濾波器。

　　本文介紹利用Anadigm  FPAA對EMG信號進(jìn)行采集和模擬處理的電路實(shí)現(xiàn)方案，這個(gè)模擬信號處理方案的目的就是為了從EMG信號獲得足夠的生物特征，以控制諸如假肢或電刺激器這樣的外部設(shè)備。

FPAA的特性

　　正如可編程門陣列(FPGA)已經(jīng)變革了數(shù)字電路設(shè)計(jì)一樣，F(xiàn)PAA給模擬電路設(shè)計(jì)引入了方便的原型設(shè)計(jì)方法并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。在FPAA中最重要的單元是可配置模擬模塊(CAB)，由它巧妙地處理各種信號并把路由網(wǎng)絡(luò)連接起來。FPAA是一種可以被編程和再次編程的集成電路，可以對模擬電路功能執(zhí)行路由端的調(diào)整。電路配置文件由個(gè)人電腦、系統(tǒng)控制器或附帶的EEPROM下載至FPAA之中，從而產(chǎn)生功能完整的電路。該電路配置在任何時(shí)間均可變，對于已經(jīng)完成的功能配置可以通過新的下載進(jìn)行改變或?qū)崟r(shí)升級進(jìn)行重新配置。

　　基于開關(guān)電容技術(shù)的Anadigm  AN221E04 FPAA具有可配置特性的若干CAB，并能夠被編程為執(zhí)行不同的功能，如濾波器、放大器、乘法器、比較器以及其它功能。這些功能可以被用于對生物學(xué)信號的采集和處理。此外，F(xiàn)PAA斷續(xù)放大器具有102dB的CMRR，從而把共模干擾信號以及60Hz電源線干擾最小化。

電路描述

　　電路的實(shí)現(xiàn)利用AnadigmDesigner 2軟件實(shí)現(xiàn)，其中，包括電路仿真器以及一個(gè)可編程器件，利用在AN220D04評估板上的串行接口實(shí)現(xiàn)工作測試。由電池供電的評估板利用光學(xué)接口被連接至一臺計(jì)算機(jī)以確保病人的安全性。

　　上述系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

圖1  用于EMG信號采集和處理的系統(tǒng)的方框圖

對EMG信號的采集

　　通過表面電極采集的EMG信號的幅度在10 μV至1 mV范圍內(nèi)，然而，共模信號(干擾)可能高達(dá)幾伏。研究人員以前推薦采用幾種技術(shù)把FPAA與其它模擬電路接口，但是，它們均不適合于對生物電勢的采集，因此，研究人員提出了一種新的配置，其中，參考電極被連接至FPAA的參考引腳(VMRR)，而有源電極被直接連接至斷續(xù)輸入。

　　斷續(xù)放大器被用于放大具有直流成分的、非常小和非常低頻的信號，這些信號不會因放大器的偏置而改變。對于肌電信號來說，在10Hz以下它具有可以忽略不計(jì)的成分，但是，正是由FPAA提供的模擬前端選項(xiàng)提供較好的采集結(jié)果。

　　把干擾源最小化是通過采用屏蔽技術(shù)、利用更短的電纜、防止出現(xiàn)地環(huán)路、在電極區(qū)準(zhǔn)備好被測皮膚以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極來實(shí)現(xiàn)的。這些措施使得對信號的采集具有足夠的信噪比，以便于在模擬域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的信號處理。

模擬信號濾波

　　EMG信號的帶寬被定義為從50 Hz至350 Hz。作為一個(gè)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，可以采用低階濾波器配置，從而以足夠的信噪比來捕獲EMG信號。這是利用一個(gè)二階切比雪夫帶通濾波器以及一個(gè)雙線性濾波器來實(shí)現(xiàn)的，因此，對低頻的衰減為每十倍頻程20dB，對高于帶寬的頻率的衰減是每十倍頻程40dB。

　　輸入級利用被配置為具有64倍增益的斷續(xù)放大器來實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)濾波器級是中心頻率為200Hz、5倍增益、帶寬300Hz的帶通濾波器；第二級是一個(gè)截止頻率為500Hz、增益為20的低通濾波器。信號調(diào)理電路的總增益為6400(76dB)。所有的參數(shù)可以在任何時(shí)間被重新配置。

　　采集電路的傳輸函數(shù)如方程1和2所示，它們分別代表了斷續(xù)輸入級、雙二次帶通濾波器以及低通雙線性濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。

　　其中，GChopper是斷續(xù)放大器的增益；GBP是帶通濾波器的增益；GLP是低通濾波器的增益；fBP是帶通濾波器的中心頻率；fLP是低通濾波器的截止頻率；Q是帶通濾波器的品質(zhì)因子。

　　如圖2所示為方程1的頻率響應(yīng)，繪圖是利用信號發(fā)生器(HP 33120A)獲得，而在AnadigmDesigner 2軟件中的仿真由Matlab繪出。從圖中可見，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，兩者之差源于實(shí)驗(yàn)誤差或FPAA電路的容差。仿真也證明FPAA開發(fā)工具是可靠的。

圖2  頻率響應(yīng)圖：實(shí)線為Matlab仿真結(jié)果；(□)線為AnadigmDesigner 2仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

RMS數(shù)值的確定

　　RMS數(shù)值的確定是利用經(jīng)典拓?fù)渫瓿傻?。乘法和平方根提取是利用FPAA中的CAB實(shí)現(xiàn)的。外部的一個(gè)RC被用作一階濾波器，被直接連接至FPAA差分輸出并再次注入同一個(gè)FPAA之上，如圖3所示。

　　利用從志愿者的二頭肌采集的EMG信號以及采用自粘貼的Ag-AgCl電極，以便于獲得具有低紋波的RMS信號，與此同時(shí)，確保電路的響應(yīng)時(shí)間，如圖4所示。RC在實(shí)驗(yàn)中可以被調(diào)節(jié)，最終的數(shù)值是R = 220 k且C = 470 nF，定義的截止頻率為1.5Hz。

　　模擬信號處理的最后一級由產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的比較器電路或由—當(dāng)EMG RMS電平超過已調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)門限時(shí)—要控制外部設(shè)備的開關(guān)控制電路組成。FPAA電路具有一個(gè)可變的參考比較器來執(zhí)行這一功能，而參考電壓作為靈敏度閥值。

　　完整的電路如圖5所示。在圖5右上角的輸出3和4對應(yīng)于經(jīng)放大和濾波的EMG信號的平方，而右下角的輸出7和8對應(yīng)于模擬信號處理之后的EMG信號的RMS。

圖3  利用模擬電路產(chǎn)生RMS數(shù)值的經(jīng)典拓?fù)?/p>

圖4  RMS數(shù)值(Channel 2: 500 mV/div)和二頭肌信號(Channel 1: 1 V/div)

圖5  用于采集EMG信號的完整的FPAA電路

　　FPAA電路(AN221E04)的高共模抑制比使得以高共模噪聲抑制能力對極小幅度的生物電勢(10 μV至500 μV)進(jìn)行采集成為可能。接下來，通過采用干擾最小化技術(shù)產(chǎn)生低噪聲的信號，該信號可以足夠的質(zhì)量被用作假肢或電刺激器的控制信號。

　　通過上述例子證明，可編程模擬陣列具有靈活性，它能夠修改模擬電路的特性，如利用軟件修改濾波器的截止頻率、增益、參考電壓，并且可以在電路工作期間進(jìn)行修改，因此，F(xiàn)PAA有助于快速和可靠地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療電子系統(tǒng)的模擬前端的原型設(shè)計(jì)。

可編程模擬器件的發(fā)展趨勢

　　大規(guī)?，F(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)在模擬領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?。業(yè)內(nèi)專家表示，F(xiàn)PAA帶來的好處在于：1. 模擬預(yù)處理可以減輕A/D轉(zhuǎn)換器存在的瓶頸問題，并減輕后級的DSP運(yùn)算的負(fù)擔(dān)；2. FPAA有巨大的潛力來縮短小型模擬電路設(shè)計(jì)的原型建立時(shí)間，能夠滿足大規(guī)模陣列的要求，可以為大多數(shù)模擬應(yīng)用甚至綜合儀器提供足夠的性能；3. 與DSP方案相比，F(xiàn)PAA的主要優(yōu)勢是整個(gè)FPAA的功耗比單獨(dú)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊還要低；4.與全定制ASIC相比的主要優(yōu)勢是靈活性，以及更快的設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署周期。

　　然而，在這種FPAA技術(shù)也存在需要繼續(xù)解決的許多問題。例如，因走線和開關(guān)增加而帶來的噪聲會限制模擬電路的性能，并降低信噪比。然而，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，F(xiàn)PAA技術(shù)將隨著時(shí)間的推移變得越來越成熟，從而有望帶來一場模擬設(shè)計(jì)革命。目前，Anadigm和Lattice等公司均提供可編程模擬陣列。

　　此外，TI和凌力爾特等公司提供基于電子表格的濾波器設(shè)計(jì)程序。目前，可用的在線模擬濾波器設(shè)計(jì)程序有美國國家半導(dǎo)體公司的有源濾波器設(shè)計(jì)工具(Active Filter Designer)，借助該工具可以方便地針對貝塞爾、巴特沃、切比雪夫或高斯濾波器特性來選擇高通或低通濾波器的參數(shù)，這些可編程模擬設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用，也將為醫(yī)療電子系統(tǒng)模擬前端的設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。

參考文獻(xiàn)：

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2. http://www.anadigm.com/
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4. FPAA芯片AN10E40及其應(yīng)用, 無憂電子開發(fā)網(wǎng)，www.51kaifa.com/html/jswz/200512/read-4138.htm