应用于肌电采集的电极脱落检测系统设计

2021-04-10 来源：钮旅网

电子元件与电路ElectronicComponentsandCircuits应用于肌电采集的电极脱落检测系统设计

(南京理工大学电子工程与光电技术学院袁江苏南京210094)

马掌印袁李武森袁陈文建

摘要院针对肌电采集过程中电极易脱落且不易被发现的问题,设计了一种应用于肌电采集的电极脱落检测系统遥主要利用集成运放LM358在单电源供电模式下设计成跟随器时,同相端悬空会输出稳定的高电平的特性袁并利用肌电采集系统中右腿驱动电路的反馈电压,设计出一种可以与肌电采集系统有效结合的电极脱落检测电路遥为了降低因干扰产生的误检问题,给出了STM32单片机检测电极脱落时降低误检的算法遥在实际的电路应用中,该电极脱落检测系统取得了很好的检测效果遥

关键词院表面肌电信号曰肌电采集曰电极脱落检测曰LM358中图分类号院TN409

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.190659

115袁120.

中文引用格式院马掌印袁李武森袁陈文建.应用于肌电采集的电极脱落检测系统设计[J].电子技术应用袁2019袁45(10)院112-

acquisition[J].ApplicationofElectronicTechnique袁2019袁45(10)院112-115袁120.

英文引用格式院MaZhangyin袁LiWusen袁ChenWenjian.Designofelectrodedropdetectionsystemappliedtoelectromyography

Designofelectrodedropdetectionsystemappliedtoelectromyographyacquisition

(SchoolofElectronicandOpticalEngineering袁NanjingUniversityofScienceandTechnology袁Nanjing210094袁China)

Abstract院Aimingattheproblemthatelectrodesareeasytofalloffandnoteasytobefoundintheprocessofelectromyographyacquisition,adetectionsystemforelectrodesfallingoffappliedinelectromyographyacquisitionisdesigned.Inthispaper,aninte鄄gratedoperationalamplifierLM358isdesignedasafollowerunderthesinglepowersupplymode.Itcanoutputastablehighlevelwhenthesamephaseendissuspended.Byusingthefeedbackvoltageofthedrivenrightlegcircuitintheelectromyographyac鄄quisitionsystem,anelectrodesdropdetectioncircuitwhichcanbeeffectivelycombinedwiththeelectromyographyacquisitionsystemisdesigned.Inordertoreducetheproblemoffalsedetectioncausedbyinterference,thealgorithmofreducingfalsedetectionwhenSTM32singlechipcomputerdetectstheelectrodefallingoffisgiven.Intheactualcircuitapplication,theelectrodedropdetectionsystemhasachievedgooddetectionresults.

Keywords院surfaceelectromyography曰electromyographyacquisition曰electrodedropdetection曰LM358

MaZhangyin袁LiWusen袁ChenWenjian

0引言

理信号袁采集人体表面肌电信号时需要通过电极传导[1-2]遥

表面肌电信号(sEMG)是由肌肉收缩伴随产生的电生

为了解决这些问题袁本文利用LM358在单电源供电模式下设计成跟随器且同相端悬空时会输出稳定的高电平的特性袁并将肌电采集系统中右腿驱动电路的反馈电压和中心电压引入到电极脱落检测电路中袁设计出一种可以与肌电采集系统有效结合的电极脱落检测系统袁并给出了基于STM32单片机检测电极脱落的算法袁进一步降低电极脱落误检的发生遥在实际应用中取得了很好的检测效果遥

区域不平坦尧不整洁或人体运动等原因容易脱落[3]遥电

在实际应用中袁贴在皮肤表面的电极片因皮肤表面接触极片一旦脱落袁肌电采集电路会无法正常采集袁甚至造

成后续应用的误判[4]袁因此及时发现电极脱落非常重要遥国内外对电极脱落实时检测已经有相关人员进行研

究袁例如Harting利用互易定理袁提出了一种对脱落电极的实时检测的方法[5]袁但该方法仅适用于电阻抗断层成像系统的电极脱落检测袁且程序非常复杂袁当有两个以上电极脱落时检测正确率不足30%[6]遥目前常用的电极

1总体设计

本文针对电极脱落检测问题袁设计了基于STM32单片机的电极脱落检测系统遥整个系统的总体设计框图如图1所示袁分为肌电采集电路尧右腿驱动电路尧电极脱落检测电路尧光耦隔离电路尧STM32单片机及外围电路遥其中肌电采集电路和右腿驱动电路是肌电采集系统中必

脱落检测电路不能很好与肌电采集系统有效结合袁且易受干扰造成误检遥

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电子元件与电路ElectronicComponentsandCircuits图2肌电采集电路总体设计

电路尧电压调节电路尧线性光耦隔离电路尧浮地电源电路等遥由于本文设计的电极脱落检测电路主要与前置差分放大电路和浮地电源电路有关袁其他电路不再具体介绍遥

图1基于STM32单片机的电极脱落检测系统总体设计

2.1前置差分放大电路

前置差分放大电路是肌电采集电路的关键部分袁主要将表面肌电的两路差分信号转换成一路信号袁并对其进行放大[11]遥如图3所示袁该部分电路主要由并联运放放大电路尧共模信号取样电路尧阻容耦合电路和仪表放大电路组成[12]遥

并联运放放大电路主要由图3中两路运放U1A和

不可少的电路遥图1中电极1尧电极2和参考电极3贴在人体皮肤表面袁电极1和电极2为输入电极袁主要采集两路差模肌电信号袁电极3为参考电极袁右腿驱动电路的反馈电压引入到参考电极遥

本文主要的目的是解决在肌电采集时检测三个电极是否脱落遥本文设计的电极脱落检测电路与肌电采集电路和右腿驱动电路相结合袁巧妙地将右腿驱动电路的反馈电压引入到电极脱落检测电路中袁当其中任意一个或多个电极脱落时袁电极脱落检测电路会输出低电平袁当三个电极均未脱落时袁电极脱落检测电路会输出高电平遥输出的电压经光耦隔离后到STM32单片机引脚袁供单片机进行采集判断遥

U1B组成遥采用并联双运放电路设计可以作为缓冲级对大器在理想的工作状态下袁此电路具有很高的输入阻抗

电极1和电极2采集的肌电信号进行缓冲袁而且运算放以及趋于无穷大的共模抑制比(CMRR)遥共模取样电路可以取出两电极的共模电压袁阻容耦合电路主要为了隔离极化直流电压[12]遥U2A的输入电压(设为VIC)来自U1AVIC=0.5(VOA+VOB)袁则U2A的1脚电压(设为VOC)为VIC经过跟随器的电压即为VOC=VIC遥当通过电极输入的信号

2肌电采集电路

谱主要分布在20~500Hz袁对硬件要求非常高[7-8]袁获取的表面肌电信号有很多干扰信号袁包括电极接触噪声尧工频干扰等[9]袁因此采集的表面肌电信号需要经过滤波理[10]遥如图2所示袁肌电采集电路主要包括前置差分放

表面肌电信号非常微弱袁信号幅值在5mV以内袁频

的输出电压(设为VOA)和U1B的输出电压(设为VOB)袁VIC为VOA和UA4B经过电阻R6和R7后的电压袁关系可表示为

和放大等处理后才可以被处理器采集和进一步运算处

此时VOC只包含共模信号袁VOC将会被送到右腿驱动电

号既有共模信号又有差模信号时袁对于差模信号VOC=0袁路遥这样从人体取的共模信号经右腿驱动电路再送回到人体遥降低共模信号进入后级电路袁提高肌电采集电路的共模抑制比遥

只有差模信号时即VOA=-VOB袁则VOC=0遥当电极输入的信

大电路尧50Hz工频陷波电路尧二级放大电路尧带通滤波

图3前置差分放大电路原理图

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电子元件与电路2.2浮地电源电路ElectronicComponentsandCircuitsA尧B尧C尧D四通道遥表1和表2是实际电路中肌电采集电路和右腿驱动电路的关键点的电压测量袁表1为电极片未脱落时的测量数据袁表2为电极片脱落时测量数据遥

笔者在实际电路中采用的是四通道肌电采集袁分为

浮地电源电路主要作用是提高前置差分放大电路的共模抑制比袁消除共模信号引起的误差[13]遥浮地电源电路由浮地跟踪电路和中心电压电路组成遥图4为浮地跟踪电路袁U2B的同相端和前置差分放大电路中的仪表Vcentre=0.5VCC袁中心电压Vcentre接入浮地跟踪电路和仪表共模信号遥

放大电路信号相连遥图5为中心电压电路袁在此电路中

表1三个电极均未脱落时关键点电压测量数据

实测电压VcentreVOAVOBVOCVRVCC

A通道4.382.192.331.952.162.15B通道4.382.182.471.802.202.19C通道4.332.162.501.752.182.12D通道4.352.182.481.802.132.13渊V冤渊V冤放大器袁由于VCC对共模信号的跟踪作用袁极大抑制了

图4浮地跟踪电路原理图

图5中心电压电路原理图

表2电极脱落时关键点电压测量数据

实测电压VcentreVOAVOBVOCVRVCC

A通道4.382.193.213.223.210B通道4.382.183.193.203.200C通道4.332.163.153.163.150D通道4.352.183.163.183.1703右腿驱动电路

少的电路[14]袁右腿驱动电路主要作用是进一步增强共模

在生物电信号采集电路中袁右腿驱动电路是必不可

抑制能力袁抑制电路中的工频干扰,提高信噪比[15]遥如图6到达参考电极袁电压为VR遥右腿驱动电路输出电压到达参考电极的同时巧妙地引入到脱落检测电路中袁并将该电压有效利用袁完成电极脱落的检测遥

引入袁经过由U5A构成的跟随器和由U5B构成的反相器

所示袁右腿驱动电路的输入电压从前置放大电路中的VOC

驱动电路输出电压VR约等于中心电压Vcentre袁这两种状态下右腿驱动电路输出的不同电压将被脱落检测电路有效利用遥

肌电采集电路无法正常工作袁三个电极都不脱落时袁右腿

电极片脱落后袁右腿驱动电路输出电压VR为0袁整个

4电极脱落检测电路

如图7所示袁电极脱落检测电路分为LM358跟随电路尧低通滤波电路和电压比较电路遥LM358是一种双运算放大器袁其内部有两个独立的运算放大器袁有单电源供电和双电源供电模式遥LM358在单电源供电模式下袁如果接成跟随器袁当同相端悬空时袁其会输出稳定的高电平遥图8为笔者用Multisim仿真的电

图6右腿驱动电路原理图

3.495V电压遥笔者在实际电路中用4.4V单电源供

路袁当电源供电为5V时袁同相端悬空其输出电压为

电时袁同相端悬空袁其输出电压为3.2V遥由运放U6B

图7电极脱落检测电路原理图

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电子元件与电路ElectronicComponentsandCircuits图8利用Multisim对LM358的特性仿真图

和电阻电容组成的低通滤波器袁可以衰减50Hz工频干扰信号袁防止因工频干扰引起误判袁提高电极脱落检测系统的抗干扰能力袁使其更加稳定准确地检测电极脱落遥

当电极1和电极2同时脱落或者只有参考电极3脱落时袁LM358的同相输入端相当于浮空状态袁其会稳定输出高电平袁U6A的输出电压设为VLA袁U6B的输出电压设为V在电LB极遥片U7B的同相端接入右腿驱动电路的反馈电压V脱落的情况下袁UR7B同相端的输入电压为0V袁

袁

则0U7B的7脚输出电压为0V袁U8的同相端电二V极袁U压V8P为

管8反相输入电压V产生的压降袁可知8N=VVcentre8P当参o为低电平遥

考电极未脱落袁电极1和电极2其中一个脱落

时袁U电压为7A的1脚输出电压VV7AO=0.5(VLA+VLB)袁U7B的同相端可知VR使得V8PLA=2遥和V对VR-由LBV其7AOU中遥7B因组一为电成的电个电极压1路大和用于电野虚V极短R袁2冶而其和另中野一一个虚断个电脱落冶分析

压为袁VR遥电在实压为际3.2VCCV=4.4袁另一个V的为中供电心电电路压中2.2袁VVLA和V袁二极LB其中一个管D1产

生的压降V则V袁VD=0.3V袁那么V8P=VR-0.5袁而V8N=Vcentre8P-VD袁当三个电极均未脱落时袁LM358的同相端输入V则LM358的输出电压均为VRR遥U7B的同相输入端引入的袁电0.5(电压压V为VR袁LA+经V二LB遥)=则极V管RU袁8而的后使U同相端电压等于参考电压袁即V8的反相端的二极管接入的是中8P心=

U8的反相输入端电压VV8NR袁则VO为高电平遥

实测电压渊V冤VVCC

Acentre4.38通道B4.38通道C4.33通道D4.35通道V2.182.162.18VR2.19VLA3.210

VLB3.220

7AO3.223.203.140

3.160

V3.193.143.143.163.16V8P3.20V8NO1.92001.90001.86001.880叶电子技术应用曳2019年第45卷第100期

表4参考电极3未脱落袁电极2未脱落袁

电极1脱落的测量数据实测电压VACVCC

4.38通道B渊V冤4.33通道DVcentre

2.194.38通道2.164.35通道VR2.112.182.082.182.09VLA2.102.10VLB3.202.093.192.072.10V7AO2.652.643.153.16V8P1.461.472.612.63V8NO1.9001.881.481.5201.8601.870表5三个电极均未脱落的测量数据

实测电压VB渊V冤VCC

Acentre4.38通道4.38通道CV2.184.33通道D2.164.35通道2.18VR2.19LA2.10V2.162.092.082.09VLB2.162.142.132.14V7AO2.142.162.102.20V8P2.062.132.122.13V8NO1.902.052.042.054.021.834.031.823.971.834.01落情况下测得的各个关键点电压值遥当有电极片脱落时袁VO为低电平袁当电极均未脱落时袁V以用滑动变阻器O为高电平遥对于

电路图中的二极管也可来调整U端输入电压袁达到调节检测电极脱落灵敏度的目的8反相遥

5光耦隔离电路和单片机检测程序

笔者在实际应用中采用STM32F103单片机芯片遥为了保护单片机芯片袁V的IO引脚相接袁笔者采O输出的电压不能直接与单片机用光耦器件进行隔离遥电路设计如图9所示袁当有电极脱落时单片机引脚检测的电压

VOcheck=3.3=0V遥

V袁则当电极片没有脱落时袁VO为高电平袁而VOcheck图9光耦隔离及单片机检测电路原理图

图10为单片机检测电极片脱落程序的流程图遥笔者在实际应用中设置STM32单片机IO引脚模式为上拉输入袁开启定时器7中断袁每2ms定时器7中断一次袁检测IO引脚电平袁当检测到为高电平时则高电平计数一次并且清零低电平计数袁然后判断是否连续100ms都是高电平袁如果连续100ms都是高电平则发送电极脱落数

(下转第120115

页)

电源管理PowerManagement[16]姚护电路[J].微电子学袁2006袁36(1)院84-86.

技术应用福来袁吴袁圣雄1988(5).

.一种高精度的PWM控制方法[J].电子

(收稿日期院2019-05-04)

(上接第115页)

图10单片机检测电极脱落程序流程图

据遥同理袁判断低电平时采用的方法一样遥此种方法可以滤除因外部干扰引起的误判袁进一步提高电极脱落检测系统的稳定性和准确性遥

6结论

针对生物电信号采集时袁常需要判断电极是否脱落问题袁本文设计出一种电极脱落检测电路并给出STM32单片机程序检测方法遥巧妙地利用了LM358集成运放的特点袁将电极脱落检测系统与肌电采集系统结合在一起袁巧妙地将右腿驱动电路的反馈电压和中心电压引入到电极脱落检测电路中遥在单片机检测程序中进一步给出降低误检的方法遥在实际的电路中取得了稳定准确的检测效果遥该电极脱落检测系统虽然可以通过硬件电路滤除工频干扰和调节检测灵敏度袁通过算法进一步降低误检袁可以稳定准确地检测电极脱落袁但不能检测具体哪一个电极脱落遥后续可以将LM358接成跟随器后输出电压送到单片机引脚袁肌电采集系统中的参考电压和中心电压送到单片机引脚袁单片机通过内部模拟数字转换器转换后检测电压值袁再通过算法进行滤波比较判断袁可以实现一个具有稳定准确且可以检测哪一个电极脱落的电极脱落检测系统遥参考文献

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袁37(6)院120

王涛袁侯欢迎网上投稿文生袁吴小鹰袁等.www.ChinaAET.com用于肌电假肢手控制的表面

作者简介院

刘敬猛(1967-)袁男袁博士袁副教授袁主要研究方向院电工电子实验教学遥

李思琦(1997-)袁男袁本科袁主要研究方向院电工电子实验遥

院1907-

[3]张1913.

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