基于AT91S的表面肌電信號采集儀的軟硬件設計與實現(xiàn)

運動性肌疲勞是體育界和運動醫(yī)學界十分關注的課題。目前，許多研究致力于尋找*定和預防肌肉疲勞產(chǎn)生的方法，大多數(shù)研究是從全身的生理、生化狀況來推斷肌肉的功能狀況，直接進行局部肌肉的研究還很少。表面肌電信號(sEMG信號)是從皮膚表面通過電極引導、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號，信號形態(tài)具有較大的隨機性和不穩(wěn)定性。它與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關聯(lián)性，因而能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動，在康復醫(yī)學領域的肌肉功能*價以及在體育科學中的疲勞判定、運動技術合理性分析等方面均有重要的實用價值。表面肌電信號采集屬無創(chuàng)性，操作簡單，病人易接受，有著廣泛的應用前景。

這里涉及到的便攜式肌電采集儀小巧方便，結構簡單，性能穩(wěn)定，可以隨身攜帶，可由電池供電，一般用于運動員的訓練中。本文主要介紹表面肌電信號采集儀的軟硬件設計與實現(xiàn)。

1 硬件系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)的控制核心選擇Atmel公司的AT91SAM7SE512處理器。AT91SAM7SE512是一款32位嵌入式微處理器，可針對交互式終端類和工業(yè)控制類等多種嵌入式應用。AT91SAM7SE512提供了豐富的外圍設備接口，包括USB，UART，SPI，TWI(I2C)和系統(tǒng)高速并行BUS等總線接口，從而減小了添加、配置附加外圍接口的困難與開銷，為用戶開發(fā)簡化了硬件和軟件設計，節(jié)省了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

基于AT91SAM7SE512核心板的底板上配備了8 MB的SDRAM，l GB的NANFLASH等存儲芯片，對外提供SPI，UART，TWI(I2C)，USB及高速并行BUS等通信接口，并對其余外部模塊(表面肌電信號采集模塊、人機接口模塊、Xbee無線通信模塊等)進行統(tǒng)一調度。

整個系統(tǒng)的工作流程如下：兩個通道的表面肌電信號被表面電極拾取，首先通過硬件放大和模擬濾波后送入多通道16 b ADC中進行2 500 Hz采樣與A/D轉換;轉換好的雙通道數(shù)據(jù)通過SPI總線接口送入AT91SAM7SE512中進行處理。處理分兩種情況：在沒有連接使用PC端時，本地進行實時濾波、簡單分析、顯示、存儲;在連接使用PC端時，通過USB接口或者Xbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸給PC端處理。另外，在已有存儲數(shù)據(jù)的情況下，可以進行表面肌電波形的回放。以上所有人機交換操作是通過采用帶觸摸功能的液晶顯示屏(320×240彩色分辨率)實現(xiàn)的。

2 軟件系統(tǒng)總體設計

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用，傳統(tǒng)的前/后臺程序開發(fā)機制已經(jīng)不能滿足日益復雜的需求，因而現(xiàn)在常采用嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS開發(fā)實時多任務系統(tǒng)。

嵌入式實時操作系統(tǒng)一般可以提供多任務的任務調度、時間管理、任務間通信和同步以及內存管理等重要服務，使得嵌入式應用程序易于設計和擴展。采用RTOS可以使嵌入式產(chǎn)品更可靠，開發(fā)周期更短。μC/OS-Ⅱ以其本身所具有的源碼開放，代碼規(guī)模極小，運行穩(wěn)定，執(zhí)行效率高，實時性好等優(yōu)點在諸多RT0S中擁有自己的一席之地。代碼采用ANSIC編寫，具有很強的可移植性和較好的可裁剪性，在移植過程中只需對與處理器相關的一些代碼進行修改。

同時為了進一步增強軟件的可操作性，該系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ的基礎上移植了μC/GUI，用作用戶圖形界面設計。μC/GUI是由Micrium公司專門針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一款圖形開發(fā)系統(tǒng)。它用于為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，適用于單任務或者多任務系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示。

另外，為了方便對于用戶資料和肌電數(shù)據(jù)的存儲與操作，在SD卡存儲機制上，移植了FATFS文件系統(tǒng)。FATFS是一種完全免費開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設計的。它完全用標準C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到多種平臺而只需做簡單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FATFS提供的底層接口，包括存儲介質讀/寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時間的實時時鐘。

2.1 系統(tǒng)軟件架構

軟件系統(tǒng)的整體架構圍繞表面肌電采集儀的幾個基本功能來設計，結構如圖2所示。主要分成下面幾個部分：

(1)肌電采集顯示，用于控制對肌電信號的實時采集、分析處理、顯示和存儲;

(2)本地肌電回放，用于對已存儲在SD卡中的肌電數(shù)據(jù)進行回放顯示，并支持對無用肌電數(shù)據(jù)文件的刪除操作;

(3)肌電采集傳輸，選擇傳輸模式向PC端實時發(fā)送采集的肌電數(shù)據(jù);

(4)用戶設置，用于設置用戶ID及實時時鐘初始值等參數(shù)。以上各功能均在μC/GUI用戶圖形界面上實現(xiàn)人機交互。

如圖2所示，依據(jù)表面肌電采集儀的功能要求，在μC/OS-Ⅱ下設計了肌電采集任務;液晶屏顯示任務;觸摸屏輸入任務;肌電回放任務。其他所需功能均做成模塊，集成在上述某一任務中。

μC/OS-Ⅱ是基于優(yōu)先級搶占式調度的操作系統(tǒng)，優(yōu)先權的設置非常重要。該系統(tǒng)根據(jù)整個系統(tǒng)運行的時序，將對系統(tǒng)安全運行較重要和對實時性要求較嚴格的任務設成較高的優(yōu)先級。以下分別介紹這幾個任務和功能模塊。