文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190659
中文引用格式： 馬掌印，李武森，陳文建. 應(yīng)用于肌電采集的電極脫落檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(10)：112-115，120.
英文引用格式： Ma Zhangyin，Li Wusen，Chen Wenjian. Design of electrode drop detection system applied to electromyography acquisition[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(10)：112-115，120.
0 引言
表面肌電信號(hào)(sEMG)是由肌肉收縮伴隨產(chǎn)生的電生理信號(hào)，采集人體表面肌電信號(hào)時(shí)需要通過電極傳導(dǎo)[1-2]。在實(shí)際應(yīng)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(yùn)動(dòng)等原因容易脫落[3]。電極片一旦脫落，肌電采集電路會(huì)無法正常采集，甚至造成后續(xù)應(yīng)用的誤判[4]，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)電極脫落非常重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)電極脫落實(shí)時(shí)檢測(cè)已經(jīng)有相關(guān)人員進(jìn)行研究，例如Harting利用互易定理，提出了一種對(duì)脫落電極的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)，且程序非常復(fù)雜，當(dāng)有兩個(gè)以上電極脫落時(shí)檢測(cè)正確率不足30%[6]。目前常用的電極脫落檢測(cè)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(shè)計(jì)成跟隨器且同相端懸空時(shí)會(huì)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(dòng)電路的反饋電壓和中心電壓引入到電極脫落檢測(cè)電路中，設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)，并給出了基于STM32單片機(jī)檢測(cè)電極脫落的算法，進(jìn)一步降低電極脫落誤檢的發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的檢測(cè)效果。
1 總體設(shè)計(jì)
本文針對(duì)電極脫落檢測(cè)問題，設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的電極脫落檢測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，分為肌電采集電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路、電極脫落檢測(cè)電路、光耦隔離電路、STM32單片機(jī)及外圍電路。其中肌電采集電路和右腿驅(qū)動(dòng)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(hào)，電極3為參考電極，右腿驅(qū)動(dòng)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(shí)檢測(cè)三個(gè)電極是否脫落。本文設(shè)計(jì)的電極脫落檢測(cè)電路與肌電采集電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路相結(jié)合，巧妙地將右腿驅(qū)動(dòng)電路的反饋電壓引入到電極脫落檢測(cè)電路中，當(dāng)其中任意一個(gè)或多個(gè)電極脫落時(shí)，電極脫落檢測(cè)電路會(huì)輸出低電平，當(dāng)三個(gè)電極均未脫落時(shí)，電極脫落檢測(cè)電路會(huì)輸出高電平。輸出的電壓經(jīng)光耦隔離后到STM32單片機(jī)引腳，供單片機(jī)進(jìn)行采集判斷。
2 肌電采集電路
表面肌電信號(hào)非常微弱，信號(hào)幅值在5 mV以內(nèi)，頻譜主要分布在20~500 Hz，對(duì)硬件要求非常高[7-8]，獲取的表面肌電信號(hào)有很多干擾信號(hào)，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(hào)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(jìn)一步運(yùn)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(jí)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(shè)計(jì)的電極脫落檢測(cè)電路主要與前置差分放大電路和浮地電源電路有關(guān)，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(guān)鍵部分，主要將表面肌電的兩路差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大[11]。如圖3所示，該部分電路主要由并聯(lián)運(yùn)放放大電路、共模信號(hào)取樣電路、阻容耦合電路和儀表放大電路組成[12]。
并聯(lián)運(yùn)放放大電路主要由圖3中兩路運(yùn)放U1A和U1B組成。采用并聯(lián)雙運(yùn)放電路設(shè)計(jì)可以作為緩沖級(jí)對(duì)電極1和電極2采集的肌電信號(hào)進(jìn)行緩沖，而且運(yùn)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(shè)為VIC)來自U1A的輸出電壓(設(shè)為VOA)和U1B的輸出電壓(設(shè)為VOB)，VIC為VOA和UA4B經(jīng)過電阻R6和R7后的電壓，關(guān)系可表示為VIC=0.5(VOA+VOB)，則U2A的1腳電壓(設(shè)為VOC)為VIC經(jīng)過跟隨器的電壓即為VOC=VIC。當(dāng)通過電極輸入的信號(hào)只有差模信號(hào)時(shí)即VOA=-VOB，則VOC=0。當(dāng)電極輸入的信號(hào)既有共模信號(hào)又有差模信號(hào)時(shí)，對(duì)于差模信號(hào)VOC=0，此時(shí)VOC只包含共模信號(hào)，VOC將會(huì)被送到右腿驅(qū)動(dòng)電路。這樣從人體取的共模信號(hào)經(jīng)右腿驅(qū)動(dòng)電路再送回到人體。降低共模信號(hào)進(jìn)入后級(jí)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(hào)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(hào)相連。圖5為中心電壓電路，在此電路中Vcentre=0.5 VCC，中心電壓Vcentre接入浮地跟蹤電路和儀表放大器，由于VCC對(duì)共模信號(hào)的跟蹤作用，極大抑制了共模信號(hào)。
3 右腿驅(qū)動(dòng)電路
在生物電信號(hào)采集電路中，右腿驅(qū)動(dòng)電路是必不可少的電路[14]，右腿驅(qū)動(dòng)電路主要作用是進(jìn)一步增強(qiáng)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(dòng)電路的輸入電壓從前置放大電路中的VOC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(dá)參考電極，電壓為VR。右腿驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓到達(dá)參考電極的同時(shí)巧妙地引入到脫落檢測(cè)電路中，并將該電壓有效利用，完成電極脫落的檢測(cè)。
筆者在實(shí)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(shí)際電路中肌電采集電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵點(diǎn)的電壓測(cè)量，表1為電極片未脫落時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，表2為電極片脫落時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。
電極片脫落后，右腿驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓VR為0，整個(gè)肌電采集電路無法正常工作，三個(gè)電極都不脫落時(shí)，右腿驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓VR約等于中心電壓Vcentre，這兩種狀態(tài)下右腿驅(qū)動(dòng)電路輸出的不同電壓將被脫落檢測(cè)電路有效利用。
4 電極脫落檢測(cè)電路
如圖7所示，電極脫落檢測(cè)電路分為L(zhǎng)M358跟隨電路、低通濾波電路和電壓比較電路。LM358是一種雙運(yùn)算放大器，其內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)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(dāng)同相端懸空時(shí)，其會(huì)輸出穩(wěn)定的高電平。圖8為筆者用Multisim仿真的電路，當(dāng)電源供電為5 V時(shí)，同相端懸空其輸出電壓為3.495 V電壓。筆者在實(shí)際電路中用4.4 V單電源供電時(shí)，同相端懸空，其輸出電壓為3.2 V。由運(yùn)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(hào)，防止因工頻干擾引起誤判，提高電極脫落檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，使其更加穩(wěn)定準(zhǔn)確地檢測(cè)電極脫落。
當(dāng)電極1和電極2同時(shí)脫落或者只有參考電極3脫落時(shí)，LM358的同相輸入端相當(dāng)于浮空狀態(tài)，其會(huì)穩(wěn)定輸出高電平，U6A的輸出電壓設(shè)為VLA，U6B的輸出電壓設(shè)為VLB。U7B的同相端接入右腿驅(qū)動(dòng)電路的反饋電壓VR，在電極片脫落的情況下，U7B同相端的輸入電壓為0 V，則U7B的7腳輸出電壓為0 V，U8的同相端電壓V8P為0 V，U8反相輸入電壓V8N=Vcentre-VD，其中VD為電壓經(jīng)過二極管產(chǎn)生的壓降，可知V8P<V8N，則比較器U8的1腳輸出電壓Vo為低電平。
當(dāng)參考電極未脫落，電極1和電極2其中一個(gè)脫落時(shí)，U7A的1腳輸出電壓V7AO=0.5(VLA+VLB)，U7B的同相端電壓為VR。對(duì)由U7B組成的電路用“虛短”和“虛斷”分析可知V8P=2VR-V7AO。因?yàn)殡姌O1和電極2其中一個(gè)脫落，使得VLA和VLB其中一個(gè)電壓大于VR，而另一個(gè)電壓為VR。在實(shí)際VCC=4.4 V的供電電路中，VLA和VLB其中一個(gè)電壓為3.2 V，另一個(gè)為中心電壓2.2 V，二極管D1產(chǎn)生的壓降VD=0.3 V，那么V8P=VR-0.5，而V8N=Vcentre-VD，則V8P<V8N，VO為低電平。
當(dāng)三個(gè)電極均未脫落時(shí)，LM358的同相端輸入VR，則LM358的輸出電壓均為VR。U7B的同相輸入端引入的電壓為VR。則U8的同相端電壓等于參考電壓，即V8P=0.5(VLA+VLB)=VR，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V8N<Vcentre=VR，則VO為高電平。
表3、表4、表5是筆者在實(shí)際電路中電極片不同脫落情況下測(cè)得的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)電壓值。當(dāng)有電極片脫落時(shí)，VO為低電平，當(dāng)電極均未脫落時(shí)，VO為高電平。對(duì)于電路圖中的二極管也可以用滑動(dòng)變阻器來調(diào)整U8反相端輸入電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)檢測(cè)電極脫落靈敏度的目的。
5 光耦隔離電路和單片機(jī)檢測(cè)程序
筆者在實(shí)際應(yīng)用中采用STM32F103單片機(jī)芯片。為了保護(hù)單片機(jī)芯片，VO輸出的電壓不能直接與單片機(jī)的IO引腳相接，筆者采用光耦器件進(jìn)行隔離。電路設(shè)計(jì)如圖9所示，當(dāng)有電極脫落時(shí)單片機(jī)引腳檢測(cè)的電壓VOcheck=3.3 V，則當(dāng)電極片沒有脫落時(shí)，VO為高電平，而VOcheck=0 V。
圖10為單片機(jī)檢測(cè)電極片脫落程序的流程圖。筆者在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)置STM32單片機(jī)IO引腳模式為上拉輸入，開啟定時(shí)器7中斷，每2 ms定時(shí)器7中斷一次，檢測(cè)IO引腳電平，當(dāng)檢測(cè)到為高電平時(shí)則高電平計(jì)數(shù)一次并且清零低電平計(jì)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(shí)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(jìn)一步提高電極脫落檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
6 結(jié)論
針對(duì)生物電信號(hào)采集時(shí)，常需要判斷電極是否脫落問題，本文設(shè)計(jì)出一種電極脫落檢測(cè)電路并給出STM32單片機(jī)程序檢測(cè)方法。巧妙地利用了LM358集成運(yùn)放的特點(diǎn)，將電極脫落檢測(cè)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(dòng)電路的反饋電壓和中心電壓引入到電極脫落檢測(cè)電路中。在單片機(jī)檢測(cè)程序中進(jìn)一步給出降低誤檢的方法。在實(shí)際的電路中取得了穩(wěn)定準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。該電極脫落檢測(cè)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(cè)靈敏度，通過算法進(jìn)一步降低誤檢，可以穩(wěn)定準(zhǔn)確地檢測(cè)電極脫落，但不能檢測(cè)具體哪一個(gè)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(jī)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(jī)引腳，單片機(jī)通過內(nèi)部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后檢測(cè)電壓值，再通過算法進(jìn)行濾波比較判斷，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有穩(wěn)定準(zhǔn)確且可以檢測(cè)哪一個(gè)電極脫落的電極脫落檢測(cè)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(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094)