林上耀;金文光;张赛赛
【摘 要】硫化氢气体High-spatial resolution,high-quality and high-precision surface Electromyogram(sEMG)is required for High Density surface EMG(HD-sEMG)research. It also raises higher demand of convenience,responsiveness,endur-ance and other aspects of the sEMG acquisition system. Based on consideration of wearability,real-time and high-throughput,a detailed study of system architecture and transport network in the sEMG acquisition system is revealed in this paper. A real-time collection and transmission system is constructed,which is built on modular layered frame, wired USB with wireless WIFI transmission,asynchronous acquisition with synchronous collection,and high-preci-sion synchronization mechanism based on double-buffers and slot switching. To test its function and performance,an evaluation system is developed which has128 sEMG channels with 1 kHz sampling rate and 16 bit data at each chan-nel. As the results show,when 50 ms is used as communication period,the inter-channel synchronization error is less than 320μs,th各向异性
e refresh rate is up to 20 Hz and the average delay at each channel is less than 80 ms.%高密度表面肌电信号研究需要获取高精度、高空间分辨率、高质量的肌电信号,同时也对采集系统的便捷性、响应性、续航能力等方面提出了更高要求.本文在考虑可穿戴性、实时性、高通量等基础上,对sEMG采集系统架构和传输网络设计进行了深入研究,设计了基于模块化分层架构、有线USB结合无线WIFI传输模式、异步采集和同步聚合方法、双缓存和时隙切换的高精度同步机制的实时肌电采集通信系统.为验证系统功能和算法机制,本文还构建了实验平台装置,实现了128通道1 kHz采样率16 bit精度sEMG信号的实时采集、处理和传输.通过测试,在采用通信周期为50 ms下,通道间同步误差小于320μs,刷新率可达20 Hz,系统的平均延时小于80 ms. 【期刊名称】《传感技术学报》
发展导报
【年(卷),期】2016(029)001
【总页数】8页(P1-8)
【关键词】表面肌电信号;高密度表面肌电信号;多通道;时隙切换;时间同步;实时传输
【作 者】林上耀;金文光;张赛赛
【作者单位】浙江大学信息与电子工程学院,杭州310027;浙江大学信息与电子工程学院,杭州310027;浙江大学信息与电子工程学院,杭州310027
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.3;TP393
红统一图库 彩图2018表面肌电信号sEMG（surface Electromyography）是人体神经肌肉系统活动时产生的生物电信号，与肌肉活动状态和功能状态之间存在不同程度的关联性，反映了人体重要的生理状态和医学信息。sEMG研究具有较高的实际价值，其日益广泛地应用于临床医学领域的神经肌肉疾病辅助诊断［1］，医学康复训练［2］，体育科学领域的肌肉疲劳评估［3］和运动技术合理性分析，以及人机交互领域的远程遥控，体感游戏，虚拟现实等方面［4-5］。
早期sEMG的研究主要集中在对少数独立通道进行时域和频域的研究［6-7］。近年来随着对人体神经肌肉系统的认识进步和研究的深入，对sEMG的研究朝向多通道、阵列式方向
发展，而在此基础上兴起的高密度表面肌电信号HD-sEMG（High Densi⁃ty surface Electromyography）［8-10］，通过紧密相邻的电极阵列来获取高密度的多通道sEMG信号，能够获取表面肌电信号的空间拓扑分布，从而得到更加丰富的肌肉活动信息，有助于分析单肌肉和多肌活动以及运动单元的拓扑结构。
伴随应用领域的快速发展，近年来sEMG的采集装置也在不断变化，从集中式到分布式，从单片系统到模块化设计，而通信方式逐渐从有线演变成无线或者两者结合，包括基于蓝牙、Zigbee、WIFI、USB、SPI等通信方式［11-12］的系统得到广泛应用。同时电极阵列的设计、前端电路的微型化、信号分析识别等技术［13-14］的也正进行关键性的演进。然而现有的采集系统［15-16］主要基于独立通道模式进行采集，系统容量受限，无法采集高密度肌电信号，且往往局限于特定的应用，扩展性较弱。同时由于处于实验阶段，部分装置的集成性较低，不易穿戴，无法适合大规模实际应用。
本文的工作主要致力于研究可穿戴式的高密度阵列sEMG信号的采集和传输，通过合理的架构设计便于通道的扩展并减少噪声干扰的引入，结合有线的USB和无线的WIFI以保证传输效率的同时提高便捷性，同时对系统的同步机制和实时性进行深入优化，最后设计一套可用的评估系统以实现验证上述功能要求。
1.1 系统硬件平台构建
系统架构指导着整体的设计，需要合理选择和整合各种技术，并考虑模块间的依赖关系，以满足HD-sEMG信号采集和传输。同时为了后续扩展和升级且适应不同的应用，还需要考虑架构的可扩展性、伸缩性并降低不同模块间的耦合程度。另外可穿戴性也需要进行整体设计，在满足要求的同时尽量改善便捷性。下图即是本文所设计的系统的总体架构概览。
荷香散尽整个系统主要包括3个子系统：采集节点，设备节点和PC平台，其中采集节点与设备节点之间采用USB进行通信，而设备节点与PC平台间则通过WIFI进行通信。通过有线联通无线隔离的数据传输方式，有利于独立并行采集人体sEMG信号，实现高效和便捷性结合，同时采集节点和设备节点由电池供电，避免了电力线工频干扰的引入。另外，采集节点和设备节点都可以水平扩展增加sEMG采集的通道数量。 采集节点包括高密度阵列电极，前置二级滤波与放大电路，构成了16路sEMG信号通道，再经ADS1198（ADC）和MKL25Z（MCU）模块进行数模转换和信号处理，其中ADC采样频率设置为1 kHz，精度为16bit。
设备节点采用飞凌公司基于ARM11核的OK6410核心板进行定制扩展，并搭载了嵌入式linux操作系统，通过内置的USB接口和外置的WIFI模块，配合USB Hub和WIFI AP实现数据汇聚和传输。其中USB Hub采用汤铭公司FE2.1芯片设计，默认配置2级FE2.1芯片构成13个USB下行端口。
PC平台则为运行Windows或者Linux的操作系统的普通个人电脑或者小型服务器。其运行的上位机监听等待下位机的连接注册，负责管理和收集设备节点所采集到的人体sEMG信号并进行分析和呈现。
1.2 系统软件平台构建
为了配合硬件系统工作和验证，本文研发了sEMG信号实时采集、传输和显示的软件平台。其中采集节点负责独立采集多通道肌电数据，而构建于linux操作系统的设备节点的程序实现多采集节点数据汇聚处理和传输，通过与采集节点和PC平台通信，形成了从人体到PC平台的数据通路。PC平台程序通过WIFI接收来自设备节点的HD-sEMG信号，负责波形显示、数据存储、通道检测等功能。
1.2.1 采集节点程序
采集节点软件位于系统的前端，主要包括数据采集、信号处理、数据转发的功能。在与上层的设备节点通信协调后，中断监听指定同步包，并驱动ADC芯片定时采集多通道肌电数据，经过数字滤波后进行封装，累积预定数据量并切换缓存后通过USB模块转发至上层设备节点。
1.2.2 设备节点程序设计
设备节点位于整个系统的中间层，承载着来自从节点的流量，主要包括以下几个功能。数据汇聚：聚合来自下层多个采集节点的sEMG数据，并转发给PC平台的上位机；控制传递：接受上位机的控制命令，以控制各采集节点；状态反馈：监测各个子采集节点的运行状态并反馈信息；信号调理：对系统内外引入的噪声干扰进行处理。其运行环境为嵌入式Linux系统，通过共享的USB总线依次读取每个子采集节点的数据，经过解析和预处理，将多节点sEMG数据汇聚，再通过TCP/IP协议栈无线发送给PC平台。
依据业务，将整个程序的功能划分成3个任务：采集，处理和传输。每个任务都通过独立的线程执行，main线程负责初始化并开启其他线程，collect线程负责收集两种数据，process线程负责解析、预处理、汇聚，socket线程负责按照预定协议发送数据包。通过将不同的
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串行任务隔离开，不同任务间通过消息队列进行同步，最大程度上提高了系统的并发性。
1.2.3 PC平台程序设计
PC平台程序位于系统的后端，负责接收来自一个或多个设备节点的数据流，并向外提供数据接口、人机界面等功能。其中每个设备节点和所关联的若干子采集节点对应着一个人体，程序的运行环境可为Windows或Linux系统。
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