基于ZigBee的无线肌电检测系统设计

林善明，曲李虎，陈 伟

(1.河海大学物联网工程学院，常州213022; 2.河海大学传感网与环境感知重点实验室，常州213022)

基于ZigBee的无线肌电检测系统设计

林善明1，2，曲李虎1，2，陈 伟1，2

(1.河海大学物联网工程学院，常州213022; 2.河海大学传感网与环境感知重点实验室，常州213022)

针对目前表面肌电信号采集系统尺寸大，不易携带的缺陷，设计了一种基于ZigBee技术的无线表面肌电信号检测系统。系统由前置放大电路、带通信号调理电路和基于单片机CC2430的无线数据收发电路组成。该电路系统能有效覆盖带宽为10～500Hz的表面肌电信号，实现肌电信号的采集和与上位机的无线射频通信。应用实践表明，此系统能够通过ZigBee无线网络对人体肌电信号进行实时采集，具有移动性和便携性，因此能广泛适用于健康运动监测和医院移动监测等领域。

ZigBee技术;无线肌电信号检测;CC2430单片机

1 引言

表面肌电信号sEMG(surface Electromyography)是一种非常微弱的信号，是肌肉中许多运动单元动作电位在时间上和空间上的叠加，反应了神经、肌肉的功能状态。目前，临床肌电图(Electromyogram)检查多采用侵入式针电极插入被检查者肌肉内进行肌电图检测，其优点是干扰小，定位性好，易识别。但由于它是一种有创的检测方法，且体积较大，不够灵活，其应用受到一定限制。表面肌电信号检测则是通过表面肌电电极从人体皮肤表面记录神经肌肉活动时发放的生物电信号，具有无创性，操作简单，在基础医学研究临床诊断和康复工程中有广泛的应用。

随着计算机技术和无线传感技术的发展，无线采集方案越来越得到广泛应用。基于ZigBee无线传输技术，设计了一种无线表面肌电信号采集终端，采用CC2430作为主控芯片，具有功耗低、易控制、使用灵活的特点，克服了采用有线采集方案活动范围受限制的缺陷。

2 系统总体结构

整个系统主要由模拟信号采集和处理单元、CC2430主控单元和ZigBee无线传输单元组成，系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

工作时，先由CC2430控制单元发出开始采集肌电信号的指令，信号检测模块开始工作，然后将肌电电极采集到的原始信号通过模拟电路的预处理送至CC2430进行模数转换，将转换后的数字信号传给控制单元中的信息处理单元，最后将数据通过ZigBee无线通讯单元发送到上位机，由上位机进行数据存储，便于后续的分析和处理。

3 系统硬件电路设计

sEMG信号是一种微弱的非平稳随机电信号，其振幅约为10～5000uV，频率分布在10～500Hz，易受50Hz工频干扰的影响。在检测过程中电极和皮肤表面接触处会有较大的直流电压产生，若将采集到的信号直接输入高增益放大器，会造成放大器的饱和，丢失信号的有用信息，故采用多级逐步放大。模拟信号采集和处理单元电路图如图2所示。

图2 模拟信号采集和处理单元电路图

3.1 前置放大电路和补偿电路

前置放大电路选用仪表放大器AD620，具有高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声、低漂移、温度稳定性好的特点。在整个电路的工作过程中，要求总的放大倍数为1000倍左右，而小信号放大器的设计原则要求前级增益不宜过高，否则不利于后续电路对噪声的处理，所以此处设定为8倍增益。由AD620的增益计算公式可知:

电路仿真如图3(a)所示。

为了抵消人体信号源中的各种噪声干扰，引入补偿电路，在前置放大电路反馈端与信号源地端建立共模负反馈，放大的反馈信号接入参考端，这样可以最大限度的抵消工频干扰，如图2所示。运放AD705JR、R4、R5、C1组成补偿电路。

3.2 滤波电路

肌电信号有效频率在10－500Hz，所以设计了由高通滤波器和低通滤波器组成的带通滤波器，将这个频带以外的噪声进行有效滤除。高通滤波由一个二阶有源滤波电路组成，采用增益为1的Sallen－Key高通电路，实验选用C2=C3=100nF，R6=R7= 150kΩ，采用巴特沃斯滤波方式，截止频率为:

实际测得其幅频特性如图3(b)所示。

低通滤波同样采用二阶有源滤波电路，经过仿真验证，多重反馈型低通滤波电路高次谐波要小一些，衰减特性更好。选用R=R8=R9=R10=10kΩ，C4=67nF，C5=15nF截止频率为:

幅频特性如图3(c)所示。

图3 电路幅频特性仿真图

3.3 陷波电路

50Hz市电交流工频干扰是影响肌电信号检测过程中一种很严重的干扰。传统双T电路广泛应用在零值网络中，但Q值固定在1/4，这里引入正反馈来提高Q值。实验选取R=47kΩ，C=68nF，则:

R12=R/2=23.5kΩ，C6=2C=136nF，

仿真调试后选择最佳K值0.96，选取R4、R6初始值为5kΩ则:

R4=5kΩ×0.04=200Ω，R6=4.98kΩ。

中心陷波频率为:

3.4 主放大电路和加法器电路

为了后续的信号处理与滤波，前置放大电路对信号只放大了8倍，整体电路的放大倍数为1000倍，所以此处设置增益为1000/8=125倍。电路中第一个运放构成电压跟随器，用来提高输入阻抗，第二个运放构成普通反向放大器，增益可调，由R19控制，最大增益为125。

经过前面电路的放大滤波，已经可以得到一个伏特级且信号比较纯净的表面肌电信号了，但是这个信号存在小于零的部分，为了减少信号损失，便于A/D转换，需要将信号波形整体上提。TL431和电位器RP提供0－2.5V可调电压，为保证TL431正常工作，应选择合适的R21阻值以保证阴极电流在1－100mA。电路图如图4所示。

图4 电平抬升电路

4 系统软件设计

4.1 CC2430单片机

设计的无线发送模块中采用TI公司生产的芯片CC2430实现模块整体控制。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频RF前端内存和微控制器，此外还集成了具有128KB的可编程闪存和8KB的SRAM，包含8通道8～14位的模数转换器、1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC定时器，1个16位定时器和2个8位定时器。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA和25mA。具有3种休眠模式，从休眠模式转换到正常模式仅需54us，特别适合要求电池长期供电的应用场合。

4.2 CC2430软件设计

在软件实现中采用模块化设计，分为主功能模块和子功能模块，包括了A/D转换信号的滤波与压缩、按键中断程序以及数据发送程序。A/D转换的作用是将采集到的表面肌电信号模拟量转换为时间离散幅值也离散的数字信号。CC2430单片机自带14位A/D转换器，可以满足表面肌电信号采样的基本要求，采样率设定为500Hz，采样过程中模拟信号输入到CC2430的P0.0口，由A/D转换得到数据，通过CC2430自身携带的ZigBee无线通讯单元以无线方式发送至上位机，用于波形显示和其他功能实现。软件设计流程图如图5所示。

图5 CC2430软件设计流程图

5 结束语

设计了以CC2430单片机为控制单元的表面肌电信号检测系统，运用其自带的2.4GHz ZigBee无线传输协议实现肌电信号的检测和无线发送，与传统有线测量方法相比，具有操作方便快捷，成本低，易扩展等优点，同时可以加入心电信号检测、体温测量等模块，实现远程医疗、健康检测的功能，具有广阔的应用前景。

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Design of Wireless sEMG Measurement System Based on ZigBee

LIN Shan－ming1，2，QU Li－hu1，2，CHEN Wei1，2
(1.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China; 2.Key Laboratory of Sensor Networks and Environmental Sensing，Hohai University，Changzhou 213022，China)

Aiming at the large size and carrying inconveniently for the current sEMG acquisition system，a wireless sEMG measurement system based on ZigBee technology is designed.The system is comprised of preamplifier circuit，band－pass processing signal circuit and wireless data transceiver circuit based on CC2430.The circuit system can effectively cover the bandwidth of 10～500Hz sEMG signal and realize the collection of electromyographic signal and wireless communication with PC.The application shows that the system can acquire the sEMG signal of human body in real－time by ZigBee wireless network.Because of its mobility and portability，it can be widely used in health movement monitoring，the hospital mobile monitoring and other fields.

ZigBee technology;Wireless detection of sEMG signal;CC2430 microprocessor

10.3969/j.issn.1002－2279.2014.02.023

TP273

A

1002－2279(2014)02－0073－04

林善明(1964－)，男，江苏常州人，硕士研究生，副教授，主研方向:信息获取与处理、检测技术与智能系统。

2014－01－27