0 引言

    表面肌電信號(sEMG)是由肌肉收縮伴隨產(chǎn)生的電生理信號，采集人體表面肌電信號時需要通過電極傳導^[1-2]。在實際應用中，貼在皮膚表面的電極片因皮膚表面接觸區(qū)域不平坦、不整潔或人體運動等原因容易脫落^[3]。電極片一旦脫落，肌電采集電路會無法正常采集，甚至造成后續(xù)應用的誤判^[4]，因此及時發(fā)現(xiàn)電極脫落非常重要。國內(nèi)外對電極脫落實時檢測已經(jīng)有相關人員進行研究，例如Harting利用互易定理，提出了一種對脫落電極的實時檢測的方法^[5]，但該方法僅適用于電阻抗斷層成像系統(tǒng)的電極脫落檢測，且程序非常復雜，當有兩個以上電極脫落時檢測正確率不足30%^[6]。目前常用的電極脫落檢測電路不能很好與肌電采集系統(tǒng)有效結(jié)合，且易受干擾造成誤檢。

    為了解決這些問題，本文利用LM358在單電源供電模式下設計成跟隨器且同相端懸空時會輸出穩(wěn)定的高電平的特性，并將肌電采集系統(tǒng)中右腿驅(qū)動電路的反饋電壓和中心電壓引入到電極脫落檢測電路中，設計出一種可以與肌電采集系統(tǒng)有效結(jié)合的電極脫落檢測系統(tǒng)，并給出了基于STM32單片機檢測電極脫落的算法，進一步降低電極脫落誤檢的發(fā)生。在實際應用中取得了很好的檢測效果。

1 總體設計

    本文針對電極脫落檢測問題，設計了基于STM32單片機的電極脫落檢測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1所示，分為肌電采集電路、右腿驅(qū)動電路、電極脫落檢測電路、光耦隔離電路、STM32單片機及外圍電路。其中肌電采集電路和右腿驅(qū)動電路是肌電采集系統(tǒng)中必不可少的電路。圖1中電極1、電極2和參考電極3貼在人體皮膚表面，電極1和電極2為輸入電極，主要采集兩路差模肌電信號，電極3為參考電極，右腿驅(qū)動電路的反饋電壓引入到參考電極。

    本文主要的目的是解決在肌電采集時檢測三個電極是否脫落。本文設計的電極脫落檢測電路與肌電采集電路和右腿驅(qū)動電路相結(jié)合，巧妙地將右腿驅(qū)動電路的反饋電壓引入到電極脫落檢測電路中，當其中任意一個或多個電極脫落時，電極脫落檢測電路會輸出低電平，當三個電極均未脫落時，電極脫落檢測電路會輸出高電平。輸出的電壓經(jīng)光耦隔離后到STM32單片機引腳，供單片機進行采集判斷。

2 肌電采集電路

    表面肌電信號非常微弱，信號幅值在5 mV以內(nèi)，頻譜主要分布在20~500 Hz，對硬件要求非常高^[7-8]，獲取的表面肌電信號有很多干擾信號，包括電極接觸噪聲、工頻干擾等^[9]，因此采集的表面肌電信號需要經(jīng)過濾波和放大等處理后才可以被處理器采集和進一步運算處理^[10]。如圖2所示，肌電采集電路主要包括前置差分放大電路、50 Hz工頻陷波電路、二級放大電路、帶通濾波電路、電壓調(diào)節(jié)電路、線性光耦隔離電路、浮地電源電路等。由于本文設計的電極脫落檢測電路主要與前置差分放大電路和浮地電源電路有關，其他電路不再具體介紹。

2.1 前置差分放大電路

    前置差分放大電路是肌電采集電路的關鍵部分，主要將表面肌電的兩路差分信號轉(zhuǎn)換成一路信號，并對其進行放大^[11]。如圖3所示，該部分電路主要由并聯(lián)運放放大電路、共模信號取樣電路、阻容耦合電路和儀表放大電路組成^[12]。

    并聯(lián)運放放大電路主要由圖3中兩路運放U1A和U1B組成。采用并聯(lián)雙運放電路設計可以作為緩沖級對電極1和電極2采集的肌電信號進行緩沖，而且運算放大器在理想的工作狀態(tài)下，此電路具有很高的輸入阻抗以及趨于無窮大的共模抑制比(CMRR)。共模取樣電路可以取出兩電極的共模電壓，阻容耦合電路主要為了隔離極化直流電壓^[12]。U2A的輸入電壓(設為V_IC)來自U1A的輸出電壓(設為V_OA)和U1B的輸出電壓(設為V_OB)，V_IC為V_OA和U_A4B經(jīng)過電阻R₆和R₇后的電壓，關系可表示為V_IC=0.5(V_OA+V_OB)，則U2A的1腳電壓(設為V_OC)為V_IC經(jīng)過跟隨器的電壓即為V_OC=V_IC。當通過電極輸入的信號只有差模信號時即V_OA=-V_OB，則V_OC=0。當電極輸入的信號既有共模信號又有差模信號時，對于差模信號V_OC=0，此時V_OC只包含共模信號，V_OC將會被送到右腿驅(qū)動電路。這樣從人體取的共模信號經(jīng)右腿驅(qū)動電路再送回到人體。降低共模信號進入后級電路，提高肌電采集電路的共模抑制比。

2.2 浮地電源電路

    浮地電源電路主要作用是提高前置差分放大電路的共模抑制比，消除共模信號引起的誤差^[13]。浮地電源電路由浮地跟蹤電路和中心電壓電路組成。圖4為浮地跟蹤電路，U2B的同相端和前置差分放大電路中的儀表放大電路信號相連。圖5為中心電壓電路，在此電路中V_centre=0.5 V_CC，中心電壓V_centre接入浮地跟蹤電路和儀表放大器，由于V_CC對共模信號的跟蹤作用，極大抑制了共模信號。

3 右腿驅(qū)動電路

    在生物電信號采集電路中，右腿驅(qū)動電路是必不可少的電路^[14]，右腿驅(qū)動電路主要作用是進一步增強共模抑制能力，抑制電路中的工頻干擾,提高信噪比^[15]。如圖6所示，右腿驅(qū)動電路的輸入電壓從前置放大電路中的V_OC引入，經(jīng)過由U5A構(gòu)成的跟隨器和由U5B構(gòu)成的反相器到達參考電極，電壓為V_R。右腿驅(qū)動電路輸出電壓到達參考電極的同時巧妙地引入到脫落檢測電路中，并將該電壓有效利用，完成電極脫落的檢測。

    筆者在實際電路中采用的是四通道肌電采集，分為A、B、C、D四通道。表1和表2是實際電路中肌電采集電路和右腿驅(qū)動電路的關鍵點的電壓測量，表1為電極片未脫落時的測量數(shù)據(jù)，表2為電極片脫落時測量數(shù)據(jù)。

    電極片脫落后，右腿驅(qū)動電路輸出電壓V_R為0，整個肌電采集電路無法正常工作，三個電極都不脫落時，右腿驅(qū)動電路輸出電壓V_R約等于中心電壓V_centre，這兩種狀態(tài)下右腿驅(qū)動電路輸出的不同電壓將被脫落檢測電路有效利用。

4 電極脫落檢測電路

    如圖7所示，電極脫落檢測電路分為LM358跟隨電路、低通濾波電路和電壓比較電路。LM358是一種雙運算放大器，其內(nèi)部有兩個獨立的運算放大器，有單電源供電和雙電源供電模式。LM358在單電源供電模式下，如果接成跟隨器，當同相端懸空時，其會輸出穩(wěn)定的高電平。圖8為筆者用Multisim仿真的電路，當電源供電為5 V時，同相端懸空其輸出電壓為3.495 V電壓。筆者在實際電路中用4.4 V單電源供電時，同相端懸空，其輸出電壓為3.2 V。由運放U6B和電阻電容組成的低通濾波器，可以衰減50 Hz工頻干擾信號，防止因工頻干擾引起誤判，提高電極脫落檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，使其更加穩(wěn)定準確地檢測電極脫落。

    當電極1和電極2同時脫落或者只有參考電極3脫落時，LM358的同相輸入端相當于浮空狀態(tài)，其會穩(wěn)定輸出高電平，U_6A的輸出電壓設為V_LA，U_6B的輸出電壓設為V_LB。U_7B的同相端接入右腿驅(qū)動電路的反饋電壓V_R，在電極片脫落的情況下，U_7B同相端的輸入電壓為0 V，則U_7B的7腳輸出電壓為0 V，U₈的同相端電壓V_8P為0 V，U₈反相輸入電壓V_8N=V_centre-V_D，其中V_D為電壓經(jīng)過二極管產(chǎn)生的壓降，可知V_8P<V_8N，則比較器U₈的1腳輸出電壓V_o為低電平。

    當參考電極未脫落，電極1和電極2其中一個脫落時，U_7A的1腳輸出電壓V_7AO=0.5(V_LA+V_LB)，U_7B的同相端電壓為V_R。對由U_7B組成的電路用“虛短”和“虛斷”分析可知V_8P=2V_R-V_7AO。因為電極1和電極2其中一個脫落，使得V_LA和V_LB其中一個電壓大于V_R，而另一個電壓為V_R。在實際V_CC=4.4 V的供電電路中，V_LA和V_LB其中一個電壓為3.2 V，另一個為中心電壓2.2 V，二極管D1產(chǎn)生的壓降V_D=0.3 V，那么V_8P=V_R-0.5，而V_8N=V_centre-V_D，則V_8P<V_8N，V_O為低電平。

    當三個電極均未脫落時，LM358的同相端輸入V_R，則LM358的輸出電壓均為V_R。U_7B的同相輸入端引入的電壓為V_R。則U₈的同相端電壓等于參考電壓，即V_8P=0.5(V_LA+V_LB)=V_R，而U₈的反相端的二極管接入的是中心電壓，經(jīng)二極管后使U₈的反相輸入端電壓V_8N<V_centre=V_R，則V_O為高電平。

    表3、表4、表5是筆者在實際電路中電極片不同脫落情況下測得的各個關鍵點電壓值。當有電極片脫落時，V_O為低電平，當電極均未脫落時，V_O為高電平。對于電路圖中的二極管也可以用滑動變阻器來調(diào)整U₈反相端輸入電壓，達到調(diào)節(jié)檢測電極脫落靈敏度的目的。

5 光耦隔離電路和單片機檢測程序

    筆者在實際應用中采用STM32F103單片機芯片。為了保護單片機芯片，V_O輸出的電壓不能直接與單片機的IO引腳相接，筆者采用光耦器件進行隔離。電路設計如圖9所示，當有電極脫落時單片機引腳檢測的電壓V_Ocheck=3.3 V，則當電極片沒有脫落時，V_O為高電平，而V_Ocheck=0 V。

    圖10為單片機檢測電極片脫落程序的流程圖。筆者在實際應用中設置STM32單片機IO引腳模式為上拉輸入，開啟定時器7中斷，每2 ms定時器7中斷一次，檢測IO引腳電平，當檢測到為高電平時則高電平計數(shù)一次并且清零低電平計數(shù)，然后判斷是否連續(xù)100 ms都是高電平，如果連續(xù)100 ms都是高電平則發(fā)送電極脫落數(shù)據(jù)。同理，判斷低電平時采用的方法一樣。此種方法可以濾除因外部干擾引起的誤判，進一步提高電極脫落檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。

6 結(jié)論

    針對生物電信號采集時，常需要判斷電極是否脫落問題，本文設計出一種電極脫落檢測電路并給出STM32單片機程序檢測方法。巧妙地利用了LM358集成運放的特點，將電極脫落檢測系統(tǒng)與肌電采集系統(tǒng)結(jié)合在一起，巧妙地將右腿驅(qū)動電路的反饋電壓和中心電壓引入到電極脫落檢測電路中。在單片機檢測程序中進一步給出降低誤檢的方法。在實際的電路中取得了穩(wěn)定準確的檢測效果。該電極脫落檢測系統(tǒng)雖然可以通過硬件電路濾除工頻干擾和調(diào)節(jié)檢測靈敏度，通過算法進一步降低誤檢，可以穩(wěn)定準確地檢測電極脫落，但不能檢測具體哪一個電極脫落。后續(xù)可以將LM358接成跟隨器后輸出電壓送到單片機引腳，肌電采集系統(tǒng)中的參考電壓和中心電壓送到單片機引腳，單片機通過內(nèi)部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后檢測電壓值，再通過算法進行濾波比較判斷，可以實現(xiàn)一個具有穩(wěn)定準確且可以檢測哪一個電極脫落的電極脫落檢測系統(tǒng)。

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作者信息:

馬掌印，李武森，陳文建

(南京理工大學 電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京210094)