表面肌電信號采集設備的電路設計研究

摘要：介紹了一種表面肌電信號采集設備的電路設計研究，通過表面電極采集表面肌電信號，電路將微弱信號進行采集、放大、濾波等處理，處理的模擬電壓信號進行模擬數字轉換（Analog-to-DigitalConverter，ADC），經過控制器算法處理，將有用數據對設備進行反饋控制。根據表面肌電信號的幅值小、頻率低等特點，設計主要電路包括前端信號處理電路、增益可調放大電路、截止頻率可調濾波電路。表面肌電信號采集設備的電路設計具有抗干擾能力強，頻率可調、增益可調、采集精度高等特點。

關鍵詞：前端采集處理表面肌電信號信號處理抗干擾設計

中圖分類號：TP241

ResearchonCircuitDesignofSurfaceElectromyographySignalAcquisitionEquipment

RONGHuaZHUChengzhi

XiangtanMedicineandHealthVocationalCollege，Xiangtan，Hu’nanProvince，411104China

Abstract：Thisarticleintroducestheresearchonthecircuitdesignofasurfaceelectromyography（SEMG）signalacquisitiondevice.ThedevicecollectsSEMGsignalsthroughsurfaceelectrodes，andthecircuitprocessestheweaksignalsbyacquisition，amplification，filtering，andotherprocessing.TheprocessedanalogvoltagesignalsconductsAnalog-to-DigitalConverter（ADC）andprocessedbyacontrolleralgorithmtoprovidefeedbackcontrolforthedevicebasedonusefuldata.AccordingtothecharacteristicsofsmallamplitudeandlowfrequencyofSEMGsignals，themaincircuitdesignincludesafront-endsignalprocessingcircuit，again-adjustableamplificationcircuit，andacutofffrequency-adjustablefilteringcircuit.ThecircuitdesignofSEMGsignalacquisitiondevicehasthecharacteristicsofstronganti-interferenceability，adjustablefrequency，adjustablegain，andhighacquisitionaccuracy.

KeyWords：Front-endcollectionandprocessing;SEMGsignals;Signalprocessing;Anti-interferencedesign

基于肌電信號采集控制的康復設備是一個熱點話題[1]。目前，我國正在步入老齡化社會，在老齡人群中大量患有心腦血管疾病和神經系統疾病，而偏癱癥狀多數伴隨著這類患者。同時，我國是中風病的高發地區，每10萬人中約有550人患有中風病。以總人口13億計算，中風病人約有770萬，在幸存者中約有70%～80%的病人會留有不同程度的肢體癱瘓。因此，研發基于表面肌電信號的采集康復設備，具有很廣闊的市場背景和現實意義。

1總體設計方案

根據表面肌電信號的特點有信號微弱、信號頻率低、信號具有交變性。具體表現為：表面肌電信幅度小，一般幅度在0～5mV之間，峰值在0～8mV左右。肌電信號的頻率低，一般頻率范圍在0～1kHz，有用信號集中在200～500Hz之間。由于人體生物電信號是交流信號，信號的強弱反映了肌力的大小。

基于表面肌電信號的采集處理具體工作流程如下：通過肌電電極采集微弱、復雜的表面肌電信號，將采集的表面肌電信號經過前端信號處理電路，再經信號隔離電路，得到干擾較少的表面肌電信號；后級電路將微弱的電壓信號進行增益可調放大，通過截止頻率可調進行濾波，進一步篩選有用的表面肌電信號；后端將處理的表面肌電電壓信號，經過高精度的AD采樣進行模擬數字轉換得到數字信號送入STM32控制器進行數字信號濾波算法處理、數據顯示控制、數據上傳。

2主要模塊實現

2.1前端信號處理電路

表面肌電信號采集的環境變化多樣，采集的微弱信號中夾雜干擾和噪聲信號，前置端的設置對整個系統的表面肌電信號采集是關鍵電路[2，3]。設計的電路需要以下特點：具有高輸入阻抗，高共模抑制比，抗干擾能力強，自身電路的噪音相對于采集的信號可以忽略比較。

前置信號處理電路除了具有抗干擾、自身噪音小的特點，還有初步的放大作用，如圖2中仿真電路部分所示，R1=R3=1.5kΩ，R2=330Ω，根據計算公式G=1+，得到G≈10。INA121共模抑制比為106dB，放大倍數為A1=（1+）≈5。前置處理信號的總放大倍數為A=G×A1=10×5=50。

2.2增益可調放大電路

本表面肌電信號采集的增益放大電路[4]，采用一片八選一的多路模擬開關CD4053實現量程切換，使輸出放大倍數有8種選擇，方便電路自動調節控制。STM32通過引腳PC0、PC1、PC2連接到K6、K7、K8；實現對應通道增益選擇控制，根據信號的大小，通過軟件判斷增益大小是否滿足ADC采樣輸入的范圍之內，實現量程自動切換控制。

增益可調放大電路分為3級同向比例放大電路，每級放大器TL2262的反饋通路電阻可以進行軟件控制，進而實現放大倍數控制，3級放大電路的放大倍數最大增益為AU=60；最小增益大小為AU=2。

2.3截止頻率可調濾波電路

表面肌電信號是一種噪聲背景下的微弱電信號[5，6]，除了環境中的干擾噪音，還包括電源中的50Hz工頻干擾信號，因此，要進行必要的濾波處理。

根據實際應用頻率的需要，電路是包括低通濾波電路、高通濾波電路、工頻濾波電路，并且低通濾波器和高通濾波器的截止頻率可以通過軟件控制可調。

壓控二階低通濾波器截止頻率計算公式如下。

式（1）中，C1、C2的大小已確定，通過選擇R1，R2的大小，進而實現上限截止頻率可調控制。

截止頻率可調的二階低通濾波器電路如圖1所示。

3仿真實驗驗證

本文主要描述了表面肌電信號采集的電路設計，介紹了表面肌電信號采集電路總體設計框圖，以及各個模塊電路的具體設計。電路模塊較多，關鍵電路的multisim仿真效果，表面肌電信號的前置處理電路仿真效果如圖2所示。

從圖2中仿真效果可以看出，具有抑制共模信號，放大差分輸入信號的作用，有效放大倍數為A=50與理論設計相符。

截止頻率可調濾波處理，濾除干擾信號，獲取有效的信號，以2kHz時的截止頻率，二階低通濾波仿真電路效果如圖3所示。

從圖3中可見，電壓從10mV經過濾波之后，降到了10uV，濾波效果良好，可有效濾除干擾信號。

4結語

本文主要描述了表面肌電信號采集設備的電路設計，根據表面肌電信號采集電路總體設計框圖，實現表面肌電信號的前置預處理放大電路增益設置為50，與仿真分析結果一致；中間級放大具有增益可調范圍在2～60倍；通過電子開關切換實現增益靈活調節，低通濾波電路截止頻率可調，具有8種可選的截止頻率，仿真分析選擇截止頻率為2kHz進行。

本文先進行電路理論設計，再進行Multisim仿真分析，驗證了表面肌電信號采集電路具有抗干擾能力強、增益可調、截止頻率可控等特點。

參考文獻

[1] 付強，張志輝，張松源，等.基于表面肌電信號的上肢外骨骼康復訓練系統設計[J].北京生物醫學工程，2024，43（1）：29-34.

[2]馬航航，武英杰，秦傳磊，等.四通道表面肌電信號采集系統設計與研究[J].電腦編程技巧與維護，2024，（2）：12-14.

[3]周明娟，王語園，王田戈，等.針對微弱表面肌電信號的采集電路設計[J].中國醫學物理學雜志，2021，38（5）：625-630.

[4]趙澤明.高密度表面肌電采集系統的設計與開發[D].上海：上海交通大學，2022.

[5]張松，游煜根，林家能，等.基于表面肌電信號的智能康復技術[J].人工智能，2022（3）：34-43.

[6] 杜群.基于表面肌電信號的智能仿生手設計與研究[D].徐州：中國礦業大學，2022.