来源：现代电子技术 作者：周兵 纪晓亮 张荣 张海峰 何爱军 0 引言 运动性肌疲劳是体育界和运动医学界十分关注的课题。目前，许多研究致力于寻找评定和预防肌肉疲劳产生的方法，大多数研究是从全身的生理、生化状况来推断肌肉的功能状况，直接进行局部肌肉的研究还很少。表面肌电信号(sEMG信号)是从皮肤表面通过电极引导、放大、显示和记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，信号形态具有较大的随机性和不稳定性。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定的程度上反映神经肌肉的活动，在康复医学领域的肌肉功能评价以及在体育科学中的疲劳判定、运动技术合理性分析等方面均有重要的实用价值。表面肌电信号采集属无创性，操作简单，病人易接受，有着广泛的应用前景。 这里涉及到的便携式肌电采集仪小巧方便，结构简单，性能稳定，可以随身携带，可由电池供电，一般用于运动员的训练中。本文主要介绍表面肌电信号采集仪的软硬件设计与实现。 1 硬件系统总体设计 该系统的控制核心选择Atmel公司的AT91SAM7SE512处理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微处理器，可针对交互式终端类和工业控制类等多种嵌入式应用。AT91SAM7SE512提供了丰富的外围设备接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系统高速并行BUS等总线接口，从而减小了添加、配置附加外围接口的困难与开销，为用户开发简化了硬件和软件设计，节省了系统成本。系统的整体结构如图1所示。 
基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配备了8 MB的SDRAM，l GB的NANFLASH等存储芯片，对外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并对其余外部模块(表面肌电信号采集模块、人机接口模块、Xbee无线通信模块等)进行统一调度。 整个系统的工作流程如下：两个通道的表面肌电信号被表面电极拾取，首先通过硬件放大和模拟滤波后送入多通道16 b ADC中进行2 500 Hz采样与A／D转换；转换好的双通道数据通过SPI总线接口送入AT91SAM7SE512中进行处理。处理分两种情况：在没有连接使用PC端时，本地进行实时滤波、简单分析、显示、存储；在连接使用PC端时，通过USB接口或者Xbee无线通信模块将数据实时传输给PC端处理。另外，在已有存储数据的情况下，可以进行表面肌电波形的回放。以上所有人机交换操作是通过采用带触摸功能的液晶显示屏(320×240彩色分辨率)实现的。 2 软件系统总体设计 随着嵌入式系统的广泛应用，传统的前／后台程序开发机制已经不能满足日益复杂的需求，因而现在常采用嵌入式实时操作系统RTOS开发实时多任务系统。 嵌入式实时操作系统一般可以提供多任务的任务调度、时间管理、任务间通信和同步以及内存管理等重要服务，使得嵌入式应用程序易于设计和扩展。采用RTOS可以使嵌入式产品更可靠，开发周期更短。μC／OS-Ⅱ以其本身所具有的源码开放，代码规模极小，运行稳定，执行效率高，实时性好等优点在诸多RT0S中拥有自己的一席之地。代码采用ANSIC编写，具有很强的可移植性和较好的可裁剪性，在移植过程中只需对与处理器相关的一些代码进行修改。 同时为了进一步增强软件的可操作性，该系统在μC／OS-Ⅱ的基础上移植了μC／GUI，用作用户图形界面设计。μC／GUI是由Micrium公司专门针对嵌入式系统开发的一款图形开发系统。它用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，适用于单任务或者多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。 另外，为了方便对于用户资料和肌电数据的存储与操作，在SD卡存储机制上，移植了FATFS文件系统。FATFS是一种完全免费开源的FAT文件系统模块，是专门为小型嵌入式系统而设计的。它完全用标准C语言编写，所以具有良好的硬件平台独立性，可以移植到多种平台而只需做简单的修改。需要使用者编写移植代码的是FATFS提供的底层接口，包括存储介质读／写接口DiskIO和供给文件创建修改时间的实时时钟。 2．1 系统软件架构 软件系统的整体架构围绕表面肌电采集仪的几个基本功能来设计，结构如图2所示。主要分成下面几个部分： (1)肌电采集显示，用于控制对肌电信号的实时采集、分析处理、显示和存储； (2)本地肌电回放，用于对已存储在SD卡中的肌电数据进行回放显示，并支持对无用肌电数据文件的删除操作； (3)肌电采集传输，选择传输模式向PC端实时发送采集的肌电数据； (4)用户设置，用于设置用户ID及实时时钟初始值等参数。以上各功能均在μC／GUI用户图形界面上实现人机交互。 |
