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基于STM32处理器的表面肌电无线采集装置设计
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2020-10-18
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为了可靠获取人体运动意图,对假肢、外骨骼机器人进行有效控制,评价助力效果,设计了一种基于STM32处理器的无线肌电采集装置。介绍了装置的前端调理硬件电路、无线传输和上位机数据处理的设计方案,给出了工频滤波算法及表面肌电信号的简单特征提取方法。这种表面肌电采集装置具有通道数目多、实时性强、数据传输距离远、精度高、操作简便等优点。如果将采集装置构成表面肌电采集阵列,可用于复杂手势的识别。
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基于基于STM32处理器的表面肌电无线采集装置设计处理器的表面肌电无线采集装置设计
为了可靠获取人体运动意图,对假肢、外骨骼机器人进行有效控制,评价助力效果,设计了一种基于STM32处理
器的无线肌电采集装置。介绍了装置的前端调理硬件电路、无线传输和上位机数据处理的设计方案,给出了工
频滤波算法及表面肌电信号的简单特征提取方法。这种表面肌电采集装置具有通道数目多、实时性强、数据传
输距离远、精度高、操作简便等优点。如果将采集装置构成表面肌电采集阵列,可用于复杂手势的识别。
表面肌电信号(SEMG)利用粘贴在人体肌肉表面的Ag-AgCl电极片,测量肌肉活动时的放电信号。它不同于针电极插入肌肉
的测量方法,具有简单易用、无创伤、无痛苦的优点,能有效反映肢体运动信息。它可以被用在临床医学研究与诊断、康复工
程、机器人等领域[1]。
现有肌电采集仪具有通道数目较少、所测数量少、测量受连接电缆的束缚等缺点,因此,本文提出了一种无线肌电采集装
置,以STM32F103作为处理器,利用nRF24L01作为射频无线收发模块,不但可克服以上缺点,还具有稳定可靠、传输距离
远、数据量大等优点。在助力机器人应用中,可以实时采集人在上楼梯、远距离行走时的SEMG。目前,该装置已经被用于助
力机器人的助力效果评价中[2]。
1 工作原理工作原理
系统结构框图如图1所示。16个通道的肌电信号通过差分电极,经过射极跟随电路缓冲后,经放大、滤波、电平抬升后供
STM32F103进行采集。STM32F103内部的切换开关分时选通每个通道,由于切换速度高,可认为采集是同步进行的。
STM32F103将SEMG进行数字滤波后,通过nRF24L01发送至接收端。接收端将数据通过USB接口发送至上位机软件。
STM32F103具有最高128 KB的Flash,最高20 KB的SRAM,主频可以达到72 MHz,具备二个SPI同步串行接口,一个
USB2.0全速接口。它自带A/D转换器,具有16通道、1 μs转换速度、12 bit采样精度,可完成16通道的SEMG数据采集。
通道数目越多,可测量的数据点就越多,所反映肌肉块的数据信息也就越多。多通道可以构成阵列式电极,运用相关算法,可
对复杂肢体运动进行识别。虽然MSP430单片机采样频率可以达到200 kS/s,但受制于晶振的工作频率及串口传输速率的瓶颈,
无法做到8通道以上的高速SEGM采集。
nRF24L01作为采集仪的收发模块,是一种工作于2.4 GHz的无线工业级的通信芯片, 它的最高传输速率为2 Mb/s,具有内置
硬件CRC检错和点对多点通信地址控制,抗干扰能力强。基于WIFI的无线文件传输系统,对于嵌入式系统,配置杂,功耗较
高。使用工业级无线模块nRF24L01做无线收发任务,配置简单,功耗低。
2 系统硬软件设计系统硬软件设计
2.1 SEMG的前端调理的前端调理
SEMG非常微弱,幅度一般为0.1~5 mV,常常淹没在大量噪声中,极易受到干扰。要先进行首级放大后才能进行滤波,放
大电路选用高共模抑制比、低输入偏置电流的仪表运放INA111。对于毫伏级小信号的放大,运算放大器选择特性优良的
OPA4277,其参数为:偏置电压10 μV,偏置电流1 nA,温漂±0.1 μV/℃,电源抑制比130 dB,静态电流
0.79 mA,单双电源供电,轨对轨输出。前3个参数可防止SEMG淹没在器件本身的噪声中,高电源抑制比可避免由电源波动
引起的噪声干扰,低静态电流可减少锂电池供电时的功耗。考虑到SEMG频带为10~500 Hz,故设计-3 dB截止频率范围为
10~500 Hz的带通滤波器,滤除SEMG夹杂的低频和高频的干扰信号,再进行末级放大。取INA111差分信号的平均值,做积
分运算,运算结果作为参考电极——浮地(Float GND),可有效地抑制共模干扰。电路图如图2所示。
电路中仅做带通滤波还不够,还需针对50 Hz的工频陷波,可选方法很多。有源T型陷波器虽然理论与设计成熟,但对元件
的对称性要求极其严格,元件精度直接影响中心频率与Q值,调试非常困难;用UAF42通用滤波器构成的陷波器,可以使50
Hz工频衰减40 dB[3],但是对于多通道的数据采集系统来说,每个通道都加一片UAF42及外围电路,硬件显得过于庞杂。结合
STM32F103的数据处理速度快的特点,直接用数字滤波,可以简化系统设计、降低成本。使用FIR滤波器可以设计到高阶,
而且线性相位性能好,详细过程在后面介绍。
2.2 SEMG数据采集与发送数据采集与发送
参考文献[4]介绍了一种96通道的阵列式SEMG采集与测量系统,ADC转换速率高达1 MHz。有研究表明,SEMG 作为一种
微弱的生物电信号,其频率分布在10~500 Hz,且绝大部分集中在20~150 Hz之间[5]。根据香农定理及工程实践经验,将
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- 无牙仔.2020-12-06博主您好,能请教一下您这个单片机的程序是怎么编写的吗?
weixin_38741540
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