心理素質評估訓練平臺的設計與實現

姚波

(四川信息職業技術學院 教務處, 四川 廣元 628040)

0 引言

國內外研究表明，心理素質水平與人體生理參數息息相關，可通過儀器采集人體生理參數反映個體的心理素質[1]。部分研究者利用能夠反映個體神經肌肉生物活動的表面肌電信號來評估心理素質，還有學者利用心率電變異信號來解釋不同人的心理素質水平[2-3]。本文以表面肌電信號和心率異常信號為采集對象，設計了心理素質評估平臺，設計方案如下。

1 系統總體架構

該系統由上位機、無線接收單元和生理信號采集單元組成,如圖1所示。

生理信號采集單元包括MCU微控制器、無線發送模塊、電源模塊、A/D信號轉換模塊、生理信號調整模塊、EMG傳感器和BVP傳感器組成。BVP傳感器和EMG傳感器分別用于采集人體的心率變異信號和表面肌電信號，經過信號調整模塊進行濾波和放大處理。并通過A/D信號轉換模塊將處理后的模擬信號轉換成數字信號，輸入微控制器中進行存儲和處理。

無線接收單元包括與上位機通信的USB接口和無線接收模塊。無線收、發模塊負債通過上位機的協同指令實現整個系統的數據和指令傳輸。

圖1 心理素質評估訓練平臺架構

上位機單元能夠發出采集指令，通過無線收、發模塊將指令傳達給采集單元，并采集人體生理信號。采集后的信號進化處理后封裝、打包，通過無線網絡傳輸至上位機，以便分析、處理和顯示。

2 硬件設計

2.1 生理信號采集單元的設計

(1) 表面肌電信號采集

研究表明，人體肌肉緊張、松弛度與表面肌電信號具有一定的線性關系。但由于表面肌電信號非常微弱，在設計過程中要充分考慮噪聲、設備、肌膚接觸面積等干擾因素，以提高信號采集效率。

為了增大采集電極與人體肌膚接觸面積，本設計采用扁平圓形Ag-AgCl電極作為EMG信號采集電極。在雙型電極中加入參考電極以達到抑制共模信號和降低噪聲的目的。并采用差動方法來降低電源線噪聲，即兩個電極的輸入信號相減，丟棄共模成分，方法差模成分。關于電極的放置，考慮人體皮膚生理因素的干擾，首先要先用酒精擦拭肌膚表面，以達到去除角質層，并按照肌肉纖維方向布置采集電極，降低電極間電阻的目的。

(2) 心率異常信號采集

人的情緒變化時，其心率也會發生改變，相應的周期脈搏信號也會變化，研究表明周期脈搏信號與心率異常存在一定的相關性。因此，通過周期脈搏信號采集在經過計算轉換可得到心率異常情況。因此，本文根據朗伯比爾定律，采用光電容積法采集周期脈搏信號。即一定波長的光束照射至皮膚上，由于血液和肌膚組織對光強度的衰減，使得光電傳感器采集到的信號呈現減弱變化趨勢，將這種變化信號轉換為電信號，可直觀反映外周血液隨脈搏的變化情況。

本設計采用透射式光電傳感器采集耳垂位置的周期脈搏信號，采用940 nm和660 nm的紅光作為脈搏波的信號波長，完成對脈搏信號的采集，已達到評估心率異常的目的。

2.2 無線通信模塊設計

無線通信模塊為該系統數據和指令傳輸的重要部件，采用包含一個微處理單元和一個射頻收發器的MC1355射頻通信模塊。該模塊支持星星、點對點以及網絡型無線通信模式，具有標準的ZigBee通信協議。采集后的生理信號經過無線通信模塊發送至上位機，完成分析和處理。

3 軟件設計

3.1 數據采集和通信程序

本系統需要采集表面肌電信號和心率異常信號，因此需要相應的數據采集程序來完成，并實現設置采集頻率和數模轉換。該程序利用單片機控制A/D轉換器來實現采集和轉換，并測試電源和電阻抗值，將數據封裝、打包后進行發送。單片機的PB口連接A/D轉換器，PD口連接上位機，PC口用于連接外接顯示裝置。通過PD2引腳，上位機可啟動單片機的終端服務程序，執行采樣。數據采集流程，如圖2所示。

圖2 數據采集程序流程

通信發送模塊具有一個微處理器，可將采集到的脈搏周期信號經過壓縮、濾波處理后，利用RF收發機將數據擴展至2.4 GHz，并通過無線電模式向外發送。無線基站接收到接收請求后經過RF收發器進行調制，最后轉換成數字信號。再經過微處理器進行數模轉換，通過串口將數據傳輸至上位機。通信程序流程，如圖3所示。

圖3 通信程序流程圖

關鍵代碼如下。

//廣播發送，整個網絡進行廣播

——uint16 get_linjudizhi(int index)

{

neighborEntry_t linshil;

linshil=neighborTable[index];

if (linshil.neighborAddress==NLME_GetShortAddr())

linshil.neighboraddress=-1;

NLME_GetRequest(nwkNeighborTable,index,&linshil);

return linshil.neighborAddress;

}

…

uint16 MYSELF_ProcessEvent(uint8 task_id,uint16 events)

{

afIncomingMSGPacket_t*MSGpkt;//消息包結構

osal_event_hdr_t *pmsg;//事件包結構

if(zgDeviceLogicalType==ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR)

3.2 心理素質評估訓練程序

心理評估程序是上位機系統的核心程序，可實現團體和個體的心理素質評估訓練。

團體心理素質評估是通過相應的課程完成的。測試前需要完成成員添加和團體的組建，該測試屬于一種靜態測試。團體課程包括團結競賽和項目訓練，通過具有針對性的完成時間知覺、反應速度、配合能力、觀察能力、記憶能力、定位能力等訓練，來測試團體的心理素質[4]。團體心理素質評估程序流程，如圖4所示。

個體心理素質評估訓練程序包括個人訓練和基礎測試兩個功能。通過采集到的心率變異和表面肌電信號，來評估個體心理素質。本節以心率異常來評估心理素質為例，首先通過硬件單元對個體周期模板進行采集，經過數模轉換后發送至個體心理素質評估訓練程序。該程序首先計算周期脈搏波峰間的距離，然后得到R-R間期，經過時域統計后得到個體的心率異常時域參數。與此同時，通過周期脈搏信號繪制出心率的瞬時變化曲線，經過FTT變換后得到心率異常頻譜圖，頻域統計后得出心率變異頻域參數[5]。最終將時域參數和頻域參數打印成報告，以備進一步分析。個體心理素質訓練程序流程圖，如圖5所示。

圖4 團體心理素質評估程序流程

圖5 個體心理素質訓練程序流程圖

4 總結

綜述所示，該系統以表面肌電信號和心率異常信號作為采集數據，設計了心理素質評估訓練系統。表面肌電信號通過EMG信號采集電極通過貼膚采集，并采用差動方法進行降噪；心率異常信號通過光電傳感器采集脈搏周期信號，再經過計算獲得。兩種信號經過轉換后通過無線射頻模塊接收，并通過串口發送至上位機，經過評估訓練程序處理能夠獲取團體和個體心理素質評估結果。